数码相机技术探讨
发布时间：2017-09-01
1概述
随着计算机的普及，越来越多数字化产品进入我们的生活，MP3 , U盘、摄像机、扫描仪等己经随处可见，拥有一件数字化产品也成为了一种时尚，照相机毫无疑问是最贴近我们日常生活的用品，而数码相机凭借它独特的性能和特征，越来越深受人们的喜爱，大有取代传统相机的趋势。据海外媒体报道，信息趋势研究公司最新的研究报告显示，全球低端(1000美元以下)数码相机的销售收入到2007年预计将达到118亿美元。2002年，全球低端数码相机出货量达到2400万部。占全球照相机(不含一次性相机)总销量的28%。数码相机销售量的复合年增长率己达到16%，到2007年的销售量将达到5100万台。
所谓数码相机，是一种能够进行拍摄，并通过内部处理把拍摄到的景物转换成以数字格式存放的图像的特殊照相机l2]。与普通相机不同，数码相机并不使用胶片，而是使用固定的或者是可拆卸的半导体存储器来保存获取的图像。数码相机可以直接连接到计算机、电视机或者打印机上。在一定条件下，数码相可以直接接到移动式电话机或者手持PC机上。由于图像是内部处理的，所以使用者可以马上检查图像是否正确，而且可以立刻打印出来或是通过电子邮件传送出去。和传统相机相比，数码相机具有如下优点:
1.1即拍即见:传统相机最大的缺陷就是当照片洗出来才知道照的好与不好，如果你旅游或一些重要的约会时拍的照片，回来冲洗后，赫然发现拍摄的品质不对劲，就极为令人遗憾。但用数码相机就不会发生这种情况，因为一张照片拍完之后立刻可以在液晶显示屏上看到，好就保存，不好就删除重拍，直到满意为止。
1.2无须考虑拍摄成本:用传统相机拍摄，为了避免冲印费用不必要的增加，一般在同一背景下通常都不会重复拍摄。但用数码相机就没有此烦恼，因为拍摄完后可慢慢挑选，将最好的影像拿去打印，其余可删除或储存到硬盘。
1.3影像品质持久:用底片或照片记录影像，时间久了，都会褪色及变坏，无法保持原有的质量。而由数码相机拍下的影像只记录“0”和“1”的资料，可以被正确的储存在计算机硬盘及其它储存媒体中，所以数码影像不论被复制多少次，都可以保持品质一致。
1.4储存空间少:相比传统相机要用大量的空间来放底片及照片，数码相机就很灵巧省事，一张照片大约50-150K，传统相机的一卷(36张)大概只需3M的空间，所以即使一些细小的储存装置，快闪记忆卡，MO等等，也可存放大量的影像，很方便。
1.5图像可立即用计算机传输和加工处理:在家里拍的家庭照片立即可以在电视机或电脑上显示，通过电脑还可以随意编辑加工处理，通过电子邮件将图像传送给远方的亲戚朋友，省事省钱。另外也可以将数码影像应用在网页设计中，把公司的产品通过自身的网站推广到世界每一地方，实为电子商务的必备器。
2数码相机的组成及工作原理
数码相机是由镜头、CCD,A/D(模/数转换器)、MPU(微处理器)、内置存储器、LCD(液晶显示器)、PC卡(可移动存储器)和接口(计算机接口、电视机接口)等部分组成，通常它们都安装在数码相机的内部，当然也有一些数码相机的液晶显示器与相机机身分离。
2.1镜头:各种镜头的焦距不同使得拍摄的视角不同，而视角不同产生的拍摄效果也不相同。但是焦距决定视角的一个条件是成像的尺寸，35 mm普通相机成像尺寸是24 mmx36 mm(胶卷)，而数码相机中CCD的成像尺寸小于这个值两倍甚至十倍，在成像尺寸变小焦距也变小的情况下，就有可能得到相同的视角。几乎所有的数码相机镜头的焦距都比较短，数码相机镜头上的标识“f=6 mm”的字样相当普通相机50 mm焦距镜头。
2.2 CCD ; CCD (Charge Couple Device，被称为光电荷藕合器件，它是利用微电子技术制成的表面光电器件，可以实现光电转换功能。数码相机使用CCD传器代替了传统相机中胶卷的位置，它的面积有好几种规格，从高档专业相机的18.4x27.6 mm到普通数码相机的2/3,1/2,1/3甚至1/4英寸各不相同。CCD技术是数码相机的关键技术，CCD的分辨率作为评价数码相机档次的重要依据。一般数码相机都使用点阵CCD，专门拍摄静态物体的扫描式数码机使用线阵CCD o CCD器件上有许多光敏单元，它们可以将光线转换成电荷，从而形成对应于景物的电子图像，每一个光敏单元对应图像中的一个像素，像素越多图像越清晰，如果我们想增加图像的清晰度，就必须增加CCD的光敏单元的数量。数码相机的指标中常常同时给出多个分辨率，例如640 x480和1024 x768。其中，最高分辨率的乘积为786432(1024x768)，它是CCD光敏单元85万像素的近似数。因此当我们看到“85万像素CCD”的字样，就可以估算该数码相机的最大分辨率。许多早期的数码相机都采用上述的分辨率，它们可为计算机显示的图片提供足够多的像素，因为大多数计算机显卡的分辨率是640 x480,800 x600,1024 x768,1152x864等。CCD本身不能分辨色彩，它仅仅是光转换器。实现彩色摄影的方法有多种，包括给CCD器件表面加以CFA (Color Filter Array，彩色滤镜阵列)，或者使用分光系统将光线分为红、绿、蓝三色，分别用3片CCD接收。
2.3 ADC ;ADC (Analog Digital Converter，即模拟数字转换器。它是将模拟电信号转换为数字电信号的器件。A/D转换器的主要指标是转换速度和量化精度。转换速度是指将模拟信号转换为数字信号所用的时间，由于高分辨率图像的像素数量庞大，因此对转换速度要求很高，当然高速芯片的价格也相应较高。量化精度是指可以将模拟信号分成多少个等级。如果说CCD是将实际景物在X和Y的方向上量化为若干像素，那么A/D转换器则是将每一个像素的亮度或色彩值量化为若干个等级。这个等级在数码相机中叫做色彩深度。数码相机的技术指标中无一例外地给出了色彩深度值，那么色彩深度对拍摄的效果有多大的影响呢?其实色彩深度就是色彩位数，数的多少。常见的有24位、30位和36位。具体来说，一般中低档数码相机中每种基色采用8位或10位表示，高档相机采用12位。三种基色红、绿、蓝总的色彩深度为基色位数乘以3，即8x3=24位、10x3=30位或12x3=36位。数码相机色彩深度反映了数码相机能正确表示色彩的多少，以24位为例，三基色(红、绿、蓝)各占8位二进制数，也就是说红色可以分为256个不同的等级，绿色和蓝色也是一样，那么它们的组合为256x256x256 =16777216，即1600万种颜色，而30位可以表示10亿种，36位可以表示680亿种颜色。色彩深度值越高，就越能真实地还原色彩。
2.4 MPU微处理器):数码相机要实现测光、运算、曝光、闪光控制、拍摄逻辑控制以及图像的压缩处理等操作必须有一套完整的控制体系。数码相机通过MPU ( Microprocessor Unit)实现对各个操作的统一协调和控制。和传统相机一样，数码相机的曝光控制可以分为手动和自动，手动曝光就是由摄影者调节光圈大小、快门速度。自动曝光方式又可以分为程序式自动曝光、光圈优先式曝光和快门优先式曝光。MPU通过对CCD感光强弱程度的分析，调节光圈和快门，又通过机械或电子控制调节曝光。
2.5存储介质:数码相机给我们带来了方便快捷的数字影像，这些数字影像是以文件形式存储在特定的介质上的。常见的有CompactFlash, SmartMedia,MemoryStick甚至软盘，新的型号相机可以使用MocroDrive硬盘，Click磁盘甚至有的数码相机可以通过PCMCIA插槽获得更广泛的扩充能力。不仅如此，CompactFlash插槽可以有I型和II型，SmartMedia可能使用3V或者SV电压，各种介质还有不同的存储容量，但它们全都不兼容。它们的作用都是相同的:保存数据和转移数据。为了在离开宿主设备时仍然能够保存数据，它们都使用非易失性存储技术，不依靠电源仍然能够保证数据不会被丢失。大多数体积较小的储存介质使用FLASHMEMORY ,利用电子技术保存数据，目前它们可以在相当小的体积内实现多达128 MB的存储容量，但是成本较高。体积比较不受限制的存储介质往往利用成熟的磁介质，这样能够以相对较低的成本保存大量数据，IBM的MocroDriv。硬盘在CompactFlash II插槽内可以达到数百兆的存储容量，而早己出现的PCMCIA硬盘更是己经应用在许多专业数字相机上，一般来说，使用闪存的存储介质容量和速度都难以和微型硬盘相比。
2.6 LCD ; LCD (Liquid Crystal Display)为液晶显示屏，数码相机使用的LCD与笔记本电脑的液晶显示屏工作原理相同，只是尺寸较小。从种类上讲，LCD大致可以分为两类，即DSTN-LCD(双扫扭曲向列液晶显示器)和TFT-LCD(薄膜晶体管液晶显示器)。与DSTN相比，TFT的特点是亮度高，从各个角度观看都可以得到清晰的画面，因此数码相机中大都采用TFT-LCDoLCD的作用有三个，一为取景、二为显示、三为显示功能菜单。
2.7输出接口数码相机的输出接口主要有计算机通讯接口、连接电视机的视频接口和连接打印机的接口。常用的计算机通讯接口有串行接口、并行接口、USB接口和SCSI接口。若使用红外线接口，则要为计算机安装相应的红外接收器及其驱动程序。如果你的数码相机带有PCMCIA存储卡，那么可以将存储卡直接插入笔记本电脑的PC卡插槽中。软盘是最常见和最经济的存储介质，有些数码相机就使用软盘作为存储介质。直接把软盘从数码相机中取出，插入计算机软盘驱动器即可把图像文件传送到计算机中。
当启动数码相机后，其内部的核心控制芯片MPU就开始检查相机的各个部分是否处于可工作状态，由于它有自动聚焦和测光功能，因此，当对准物体按下快门时，图像传感器((CCD或CMOS对被测景物上反射的光照作出反应，并以红、绿、蓝三像素值存储起来形成“电荷影像”;接着转换成图像信号;图像信号又经过A/D转换器转换成数字图像信号;数字图像信号再经过MPU转换成相机内部存储格式(一般是压缩图像格式，如JPEG格式)，最后，图像文件被存储在内部存储器中。
3如何挑选数码相机
现时数码相机的品种和规格非常丰富，如何进行选购，要把握以下几个基本原则，即:够用、适应面广、有良好的扩展性等。在挑选的时候，尤其要注意像“像素数”、"CCD尺寸”、“变焦倍率”和“镜头亮度”等几个关键参数。
3.1“像素数”和“CCD尺寸”:在数码相机规格和广告中最先映入眼帘的描述一般就是“多少多少百万像素”。所谓像素数，可以理解为在摄影元件上设置的像栅格一样的东西。而光线的颜色和强度则能够以这种栅格为单位接收到相机中。所以，栅格越细(也就是说像素越多)，照片的颗粒就越细。相应地拍摄对像的细节部分就表现得越好。规格中经常标明有“总像素数”和“有效像素数”两个数字。总像素数顾名思义是指数码相机所具有的像素总数。但实际上，摄像元件外围的像素生成图像数据时并未使用。因此，除去不被使用的像素以外的可用于照片的像素数就是“有效像素数”。由于现有的规格肯定会标明“有效像素数”，因此最好以此加以比较。另外，摄影元件(CCD)尺寸也很重要。如果像素数相同，摄影元件越大，每个像素的尺寸就越大。像素尺寸越大，所能处理的数据量就会增加，从而就能够区别微细光线的颜色和强度。也就是说就能够生成层次感丰富的照片。中档数码相机一般使用1/2.7英寸一1/1.5英寸之间的CCD，但是高级单反相机有的会超过1英寸。
3.2“变焦倍率”和“F值”:对于数码相机来说，变焦倍率越大，远景拍摄就越方便。但相应地镜头就越大，价格也就越高。如果只是把数码相机用作记录用途，而采用尽可能轻便的产品的话，可以选择无变焦功能的产品。而稍微需要一点变焦功能的话，有3倍左右的变焦功能也就足够用了。"F值”表示镜头亮度。不用闪光灯在中午进行拍摄时，达到F4.5左右就足够了。但是当经常在傍晚时分或光线昏暗的室内拍摄时，最好达到F3.5或F2.8左右。
3.3其他需要注意的地方:对相机的易用性影响较大的规格包括从打开电源到可以拍摄之间的启动时间、可连续拍摄的最短时间，以及从按下快门到快门关闭之间的时滞。为了不放过任何拍摄时机，显然这些指标的数值越小越好。
4数码相机的发展趋势
数码相机的发展虽然只有几十年的时间，但它的出现使图像信息的转换、存储、处理等都发生了巨大的变革，数码相机这种新型的计算机外部输入设备正在迅速地变成一种主流技术，其发展趋势为:
4.1数码相机像素发展趋缓早在2000年时，普通用户的数码相机的像素就冲刺到400万像素，但时至今日，尽管500万像素级的数码相机己经有好几款在市场中捉对厮杀，但产品型号最多、竞争最为激烈的仍是400万像素机型。事实上，对于普通家庭用户而言，数码相机目前的400万像素己经够用，以数码冲印为例，普遍可以冲印出近12英寸大的照片，这对于家用来说己经非常合适了。
4.2虽然近几年各款数码相机的CCD传感器变化不大，但数码相机己实现从追求更高的像素到提高内部整体性能目的的转变，这主要表现在数码相机的操作越来越人性化、功能越来越实用化以及成像质量越来越出色等，而这将给使用数码相机的用户带来越来越多的好处和实惠。
摘自：中国计量测控网
