数码相机成像技术

吴腾奇

数码相机作为一种时尚数码产品，以其强大的功能、操作便捷性和出色的拍摄效果，受到广大消费者的喜爱。数码相机和传统相机在光学原理上相类似，都是将被摄物体发射或反射的光线通过镜头在焦平面上形成物像。但在具体成像中则因光敏介质的不同而有所区别。

数码相机成像原理

数码相机使用CCD电荷藕合器件记录影像，然后把CCD器件的电子信号转换成数字信号。由于CCD器件本身并不分辨色、光，为了获得彩色的滤色片配合使用，具体结构有采用红绿蓝滤色片三次分别扫描的，也有采用三组器件配合滤色片，一次同时对红绿蓝三色曝光。而视采用CCD陈列的结构不同，又可以分为线性陈列CCD和平面陈列CC口。显然平面陈列的捕捉影像的速度要快于采用线性陈列的方式。

1.三片CCD数码相机

利用透镜和分光镜将光图像信息分成R、G、B(红、绿、蓝)三束单色光，并将它们分别作用在三片CCD影像传感器上，三种颜色信息经CCD转换为模拟电信号，然后经过A／O转换为数字信号，再经过DSY数字信号处理后存到存储器中。最后，经数字接口或视频接口输出给计算机、打印机或电视机等。目前大多数普通数码相机都是单片CCD，采用3CCD结构的都是高档专业数码相机。

2．单片COD数码相机

CCD影像传感器每个像素点的位置上分别加上RGB三种颜色滤色片，通过透镜后的光图像信息，被分别作用在传感器不同的像素点上，并将它们转换为模拟电信号，然后经过A／O转换为数字信号，再经过DSP数字信号处理后存到存储器中。

信号捕捉方式

1．与传统相机的区别

数码相机与传统胶片相机在捕捉信号的前端设备上是相同的。数码相机也是使用镜头光圈和快门来聚焦图像，这与传统胶片相机并无区别。但是，传统相机将通过镜头透镜的成像聚焦到感光银盐胶片上，胶片感光将影像以光学模拟信号的方式记录下来。而数码相机则聚焦到CCD或CMOS图像传感器半导体芯片上，通过扫描产生电子模拟信号，然后经过A／O模数转换形成电子数字信号，再经过压缩，最后以数字文件形成保存在内置的存储器芯片、可拔插的PC卡或软磁盘上。此外，数码相机与扫描仪、数码摄像机虽然同为数码影像输入设备，但在信号捕捉方面也有不相同。

2．与扫描仪的区别

在数码相机普及以前，扫描仪是数字图像处理的必备工具，但是，随着数字图像技术的发展和数码相机分辨率的提高，数码相机应用越来越广，成为获取数字图像最主要的工具之一。扫描仪只是一种把照片转换为计算机能够处理的图像的工具。扫描仪获取图像的方式是先将光线照射到待扫描的材料上，光线反射回来后再在CCD电荷藕合器件的光敏元件上实现光电转换，由于纸张上黑的区域反射较少的光，亮的区域反射较多的光，而CCD器件可以检测图像上不同区域反射回来的不同强度的光，于是CCD器件将反射光波转换成为电波电流，即把光信号转换为模拟电信号，然后经过A／O数模转换器再把模拟电信号转换为数字信息，用L和O的组合来表示，最后，控制扫描仪操作的扫描软件读入这些数据，并重组为计算机图像文件。

以上描述的是用扫描仪扫描照片及打印文本或纸张等不透明材料的过程。当扫描透明材料时，原理相同，所不同的是此时并非利用光线的反射，而是透射过材料，再由CCD器件来接收。扫描透明胶片需要特别的光源补偿，借助透射片配器TMA装置完成这一功能，除了表面极为平滑的物体外，其他东西都不能直接放到扫描仪上进行扫描。而数码相机能够拍摄任何景物，它对物体的表面没有任何要求。扫描仪只能处理静止的照片，处理速度也比较慢，而数码相机可以捕捉运动物体。

3．与数码摄像机的区别

在数码影像系统中，数码相机和数码摄像机同为数码影像的输入设备，其作用都是生成数码影像，不同的是数码相机主要用于捕捉景物的瞬间活动，生成的主要是数码图片影像，而数码摄像机主要用于捕捉景物的连续活动，生成的主要是数码视频影像。数码相机技术借鉴数码摄像机的CCD固体摄像机器件技术是关键的一步。CCD摄像器件和摄像管的工作原理一样是利用某种光电效应，首先将入射光转变成对应的光电荷，并把光电荷暂时存储在像素的微小静电容上，然后通过固体扫描方式将信号读出。CCD摄像器件具备光电转换、光电存储和固体扫描三个不同方式，是利用电子的转换、移位来完成扫描过程的。在CCD摄像器件的硅基片上镶嵌排列着许多各自独立的像素，通过在电路上的施加扫描脉冲将存储在像素上的光电荷按顺序读出。随着数码影像技术的快速发展，数码摄影与数码摄像技术相互交叉融合的趋势更加明显，近年来更有摄像、照相两用机问世，不但能够摄像，而且还能够当作拍摄静止图像的数码摄像机，同时也有兼其摄像功能的数码相机上市，不仅能够拍摄静止图像，而且还能够记录短时间活动的图像与声音。

信号存储载体

传统光学相机信号存储媒体以胶卷为主，立拍立现相机或一次咸像相机，采用的是一种特殊的相纸代替化学胶片和印相纸，这种相纸能直接感受光线并立即生成实物照片。APS相机采用的是带有磁性及光学记录带的专用APS胶卷。数码相机中所存储的照片不再是实际影像，而是一个个数字文件，其信号存储体也不是底片而是数字化存储器件。数码相机所用的存储媒体有内置式存储器和可移动式存储卡或软磁盘之分。内置式存储器是与数码相机固化在一起，而不需要另配存储媒体。存储卡或软磁盘可随时装入数码相机或从相机中取出，存满后可随时更换，就像使用计算机软盘一样方便，只要备足需用的存储卡或磁盘，就可以连续进行大量的拍摄。

图像处理

在数码相机问世这前，传统摄影技术的数字化进程比较缓慢，对大多数人来说，数码图片处理曾经是一件令人头痛的工作，首先要拍摄、冲洗，检查洗出来的照片的效果，而且常常需要多次处理才能得到令人满意的照片；然后扫描照片生成计算机能够使用的数字图像；最后对图像进行编辑处理，直至得到满意的图片为止。有了数码相机，一切都变得简单多了。你可以根据自己的要求。随意拍摄，然后直接把图像下载到计算机中进行编辑处理，数码暗房技术利用丰富强大的数码图像处理工具，不但可以轻松地对数码照片进行常规的编辑，而且还可以进行特殊效果处理，对数码照片进行再创作。

信号输出形式

传统相机记录的信号是固定在胶片上的光学信号，其信号输出方式非常简单：通过彩扩机将底片图像负像转换为相纸图像照片，传统摄影的数字化拓宽了胶片图像的输出路径，但是必须经过扫描仪将胶片图像或照片转换成数字图像文件，然后才能够输入到计算机或打印机。而数码相机记录的是数字信号，能够通过数字接口或视频接口直接连接到计算机、

电视、摄录机或打印机上，在一定条件下，数码相机还可以直接接到笔记本电脑上，使用者可以立即检查图像是否正确，而且还可以立刻打印出来或是通过电子邮件传送出去。数码相机生成的数字图像能够存入计算机中，并且利用图像处理软件进行后期编辑处理、重现再创作。数码相机的输出方式可分为接口传送方式、存储器传递方式以及视频传送方式。在接口传送方面，现在数码相机与计算机的主要连接途径以RS-232和IrDAl．0接口为主，这些接口的传输速度较快，而USB高速接口方便快捷，将成为普及型数码相机的标准接口。IEEEt394接口可以达到400Mbps的传输速率，可能代替SCSI成为专业数字图像设备的标准接口。

数码相机电路

目前数码相机的电路结构分为多芯片电路与单芯片电路两种。

1．多芯片数码相机电路

数码相机除了光学透镜系统外其余几乎全由电子电路控制，基本的信号处理过程非常简单，由CCD送来的电信号通过A／O转换器转换为数字信号，然后送入具有信号处理能力的DSP，即数字信号处理器，然后进行JPGE压缩，接着通过接口电路记录到位于最后一级的存储器。除了这些处理电路外，硬件控制还使用CPU，如富士公司Fine Pix2700型数码相机就使用了两个CPU对硬件进行控制。

2．单芯片数码相机电路

200万像素级以上的数码相机几乎都采用了某种ASIC芯片。尽管ASIC部分因公司而异，但基本上都把处理电荷的部分做成一块芯片以实现高速化。同时，需要驱动电压部分集成化，减少耗电。耗电量与芯片数的平方成正比，因而降低单片耗电量，是目前解决数码相机耗电过大的一个有效手段。单芯片数码相机电路结构的特点是将数码相机的整个电路板集成在一块硅片上，这块高度集成化的芯片包含了数码相机所需的主要功能，如取景、摄录、压缩、过滤存储、传送以及显示数码影像，可实现每秒摄录、压缩，支持高达2048 x2048像素的图像分辨率。这一水平相当于每秒以VGA形式摄录11幅图像，经JPEG方式压缩、存储，并以30幅／秒的速度传送，显示于数码相机的LCD显示屏上。由于单芯片采用独特的设计方案，所以其性能高但价格较低，如美国LSLlogic公司推出的数码相机芯片DCAM—101，将使数码相机的成本降低25％左右。