数码相机成像原理图，数码相机成像原理

很多朋友对数码相机成像原理图，数码相机成像原理不是很了解，六月小编刚好整理了这方面的知识，今天就来带大家一探究竟。

数码相机的成像原理传统相机使用碘化银感光材料(即胶片)作为载体来保存图像。人们通过镜头汇聚影像的光线，然后通过按下快门打开快门帘，将汇聚的光线投射到胶片上。胶片中的碘化银会根据光的颜色和波长的不同，凝聚成不同的影像，保存在胶片上。相机机身相当于一个黑匣子。

数码相机使用CCD或CMOS等感光电子元件作为感光介质。利用它们可以将镜头聚焦的光从光信号转换成电信号，再通过模数转换器转换成数字信号，以特定的图像格式压缩存储并存储在存储介质上(可以重复使用)。

对于数码相机来说，成像过程远比胶片上的复杂。然而，无论数字成像技术如何发展，成像原理和基本要素仍然与胶片成像过程相似。

数码相机也有镜头，但通过镜头的光线并不像胶片相机那样投射到胶片上，而是直接投射到感光器的感光单元上，感光器由半导体元件组成。数码相机内置的智能控制装置对入射光进行分析处理，自动调整焦距、曝光时间、色度、白平衡等合适的参数。然后将这些数据传输到模数转换器(ADC)，最后由ADC进行电子仿真。

数码相机中还有几个智能处理器，包括一些专用集成电路(ASIC)和主CPU。根据这些内部处理器的预设算法和标准处理程序，对所有数据进行处理，最终生成图像文件，然后存储在相机内部的电子存储器中。当这些过程完成后，图像文件可以传输到计算机，通过打印机输出或显示在电视屏幕上。

同时，图像文件也可以在相机内部显示，通过自带的LCD显示屏预览，使用相机LCD显示屏的操作菜单进行处理。不满意的图像可以删除并重新拍摄。

摄影师可以通过相机控制面板上的许多开关和按钮来预设参数，数码相机的智能控制设备通过上面提到的复杂过程不断调整操作系统设置，从而准确地记录图像。所有这些复杂的数据处理的整个过程都发生在你手中轻巧精致的相机里。以上只是数码相机成像技术的简要概述。根据不同的细节设计，数码相机也分为许多类别。数码相机成像的具体步骤

图像传感器

迄今为止，人们对数码相机性能的关注大多集中在所拍照片的像素级别。像素级别直接取决于数码相机图像传感器的大小和密度。图像传感器是数码相机的核心结构，主要分为CCD(电荷耦合器件)和CMOS(互补金属氧化物半导体)互补金属氧化物半导体集成电路。图像传感器由具有光感测单元和光电二极管阵列硅片制成。

这些光感单元与像素高度直接相关，它们可以与击中它们的光脉冲相互作用，并将其转换为电荷信号。

有两种方式来表示图像传感器上的感光单元(像素)的数量。一种是用X/Y轴方向(即传感器的宽度和高度方向)的数的乘积来表示，比如640480；另一种是用感光细胞总数来表示，比如一百万个像素。

制造商通常为给定的图像传感器提供两个像素数指示器。第一个数字是传感器上所有像素的数量，例如334万像素或334万像素。第二个数字是传感器上实际用于捕捉图像的光敏单元(有效像素)的数量。第二个数一般比第一个小5%左右。超净环境下数码相机的生产

这5%的差异有很多原因。在目前的传感器制造过程中，几乎不可能生产出100%完美无缺陷的产品。我们通常把图像传感器生产过程中出现缺陷的感光单元称为暗像素或缺陷像素。有些像素用于其他方面，比如从传感器读取数据时的校准过程，或者故意不使用，以确保图像比例。

传感器边缘区域的少量像素被人为遮挡，避免接收外界光线，而是用来检测CCD背景产生的噪声，从而从实际图像数据中扣除背景噪声。

需要技术的像素数量和CCD尺寸之间的关系不是线性的。像素数量从三百万像素增加到四百万像素，增加了一百万，但CCD尺寸不会增加25%，甚至可能保持不变。

目前大多数数码相机只使用单个图像传感器(CCD或CMOS)，只有少数专业数码相机使用多个图像传感器——。入射光被光学棱镜分成相等的部分，然后被多个图像传感器接收。使用多个图像传感器可以减少不同颜色之间的干扰，消除图像边缘的色偏问题。这些具有多图像传感器的数码相机由于其复杂的结构和对制造技术的高要求而体积大且昂贵。

有趣的是，具有多图像传感器的设备也遵循无线变化的规律。在大多数情况下，它们必须有三个独立的图像传感器(CCD或CMOS)分别处理红、绿、蓝三种颜色，每个传感器承担每个像素1/3的信息处理能力。在300万像素的三传感器相机中，每个传感器必须是300万像素，但在用于静态拍摄的多传感器数码相机中不存在这个问题。

它们内部多传感器的信息处理方式因厂商和相机类型不同而不同。

有些三传感器数码相机采用图像插值技术，其三个传感器各负责最终画面1/3的信息处理。其他多传感器数码相机是先将各个传感器的初始入射光信息混合，再用复杂的算法程序进行处理和合成。比如现在已经停产的美能达RD-175数码相机，有三个CCD传感器，其中两个对应绿色处理，第三个传感器兼顾红色和蓝色。

(这种两个传感器对应绿色的处理方式类似于单个传感器中拜耳彩色滤光片阵列的工作原理，下面会详细介绍)。在RD-175中，每个传感器的像素不到50万，但它们经过算法程序处理后的图像质量相当于170万像素左右。

在很多数码相机中，传感器的每个像素只有一部分是感光的，只能感受到某个方向入射的光线。所以尽量让光线直接投射到像素的感光区域是非常重要的。为了达到这个目的，在很多商用数码相机图像传感器中，每个像素前面都有一个“微透镜”，以保证光子直接进入像素的感光区域。

因为图像传感器本身只能完成光电转换而无法分辨颜色，数字相机通常采用彩色滤镜阵列CFA(color filter array )来实现彩色输出。CFA的主要作用是让每个像素只感受单一颜色的光线，最终重新组合出彩色的图像。制造商根据不同的色彩需求来选择不同的CFA结构，不管何种CFA结构其目的都是使所需光线通过滤镜，使每个像素接受的光线具有单一波长。

所有CFA的设计都尽量减少入射光线在相邻像素之间的干扰，努力使景物色彩准确显示。

CFA让每一个像素只感受一种颜色的光线

CFA结构中最流行的是被称为Bayer模式的彩色滤镜列阵。主要特征为在像素前面以间隔的方式放置红、绿、蓝色的滤镜，而且绿色滤镜的数量为红色(或蓝色)的两倍。这样做是因为人眼对绿色光波比红蓝两色要敏感的多，所以这样的数量分配就使得人眼所见的图像亮度适宜，更接近真实色彩。

究竟什么是真正的不失真的优质画色呢？由于从科学的角度上来定义并科学测定人眼对色彩的感知是一个极其复杂的课题，所以产生了许许多多的标准，莫衷一是。不同的制造商则选择采用不同的模式和运算程序来定义它们认为的数字相机的最佳色彩。

所有的数字相机在图像传感器上都装有一个电子快门(和传统胶片相机的机械快门不同)，电子快门的作用是精确调节入射光线投射到传感器的时间。电子快门的开关控制传感器是否接收外来光线。有些高级数字相机甚至还加入一个昂贵的机械快门，这并不是画蛇添足，在电子快门关闭完成后，它能够有效地防止可能产生的极少量光线入射在传感器上的现象。

这就大大降低了合成图像上产生阴影、条纹和模糊的可能。

当你面对要拍摄的景物按下一半快门的时候，数字相机会锁定焦点和曝光值——这个步骤和传统胶片相机是一样的。但当你按下全部快门后，发生的事情就和胶片相机完全两样了。

1. 第一个步骤是机械快门关闭(如有机械快门的话)，同时传感器立即进行电荷清洗。这样做的原因是因为图像传感器一直充盈着电荷而保持于激活状态(在一些高级的数字相机中，图像传感器能够在捕捉图像前处于休眠状态，这样有助于散热和改善信噪比)。

在没有接到指令前，图像传感器一直以大约1/60秒的速度为周期进行电荷更替，所以，在准备捕捉图像前的瞬间，所有的剩余电荷必须被清洗干净。

有趣的是，一些数字相机(例如Olympus Camedia E-100RS)能够将最近的清洗数据存入缓存，这样你就能拍下在真正按下快门前的景象了。众所周知，小孩和一些宠物在照相机前会不安分地动来动去，在这类拍摄情况下这样的功能是有意义的。

2. 当在摄影者选择将照相机拍摄前的电荷分布数据存入缓存或清除后，数字相机的所有程序处理器开始正式工作。其中一个处理器是将存入缓存的数据进行调整和设置，为拍摄做好准备。例如，控制白平衡的处理器开始设置在当前图像条件下具体那些像素为白色，并且会调整所有色相中不为白的像素。其他比如焦距、闪光和其他参数的预设过程也与此相近。

这些参数也会被存入缓存，以备后用。如果在拍摄过程中LCD显示器也在工作的话，这些数据也将被显示出来。

3. 当以上两个步骤完成后，拍摄前的图像传感器设置就告结束，一切就绪后当你按动按钮时，相机的机械快门打开并同时激活电子快门，在预设的曝光时间内接受光线，曝光结束后，机械快门也自动同时关闭。

4. 在数据处理过程中电子快门会再次打开，直到摄像者按动按钮开始为下一张相片的拍摄进行数据清洗为止。当处理器(摄影者)启动电子闪光设置后，数字相机会自动照射所摄景物，一个单独的光线感应器会检测闪光强度，检测结果达到曝光要求后闪光灯就自动关闭。

由于图像传感器的电荷清洗过程和拍摄参数设置过程都需要一定的时间，在摄像者按下快门后到图像拍摄完毕之间就不可避免的产生了延时效应。在市面上的普通数字相机，其延时从60毫秒到1.5毫秒不等。

应用大容量的缓存设备和高速处理器能够缩短延时效应。这就是为什么能够进行高速拍摄的数字相机昂贵的原因。在这些价格不菲的专业数字相机中，Nikon DH1具有128MB缓存。其他一些相机，例如Kodak誷DCS 520, 620, 和Fuji S1具有64MB缓存。少数数字相机具有16MB或者32MB缓存。

一些带有智能多功能芯片的图像传感器(多数为CMOS)的数字相机的数据传递速率通常比较高，这是因为和所有的数字处理系统相类似，处理器内部的带宽和处理能力决定了数据的处理速度。

图像传感器通过将入射的光子转换成电子形成模拟信号，下一个步骤就是未被光敏单元束缚的电荷开始定向移动，通过输出放大器形成电压信号，这些电压信号继续传递至模数转换器ADC。

CMOS和CCD图像传感器的主要区别就是CMOS本身就有ADC，而CCD只能使用外部的ADC。CMOS图像传感器的缺点是有噪声的影响，但是其最大的优势是集成有ADC。ADC能够直接将模拟的电压信号直接转换成二进制的数字信号。这些数字信号将被进一步处理后最终根据不同的色度要求形成红、绿、蓝三种色彩信道，通过相应的像素来显示出具体的颜色和深度。

ADC将数字信息流传递给数字信号处理器DSP(Digital Signal Processor)——处理器的构造每种数字相机各不相同。在DSP中，大量的数字信息经一系列预设的程序指令后整合成完整的图像。这些指令包括绘制图像传感器数据、分配每个像素的颜色和灰度。在单一传感器数字相机中，如果只有一个彩色滤镜阵列，算法程序将主要进行每个像素的颜色数据处理。

算法程序通过分解临近的像素颜色来决定某一特定像素的具体色值。如果使用RGB颜色的话，那么组成最终图像的每个像素的颜色都可以看成是三原色的合成。通过如上步骤，最终的图稀奥厶逞辖？钊耍？胱饽愕挠镅裕　蓖能够显示出自然的颜色。

大多数数字相机能够记录下图像传感器所传递的全部图像数据，在此基础上，DSP就成为图像分辨率的控制因素。例如，用一个3M像素数字相机以VGA模式进行拍摄，而不是仅仅限定为640480分辨率，相机将得到全部的204861548色彩位度。接着，通过摄像者在拍摄前在LCD面板上进行的设置，DSP就会按照设定的分辨率生成图像。

每个厂商设计的处理程序各不相同，他们通过各不相同的色彩平衡与色饱和度设置来生成彩色图像。数字相机还运用一个或者多个DSP以及其他设备来共同处理所得数据，以期达到完美画质。并且充分考虑消费者对画质偏好的选择权利。如果想要摄下本不需要的噪声，或者通过电子快门来实现雾化效果，这些需求制造商都是通过对算法处理程序进行相应的修正来满足的。

类似的程序修正还有很多，例如图像锐化的应用，白平衡的预设等等。所以我们可以得出如下的结论，各个制造商所产数字相机的最大不同就在于图像处理过程的种种差异。

以上知识分享希望能够帮助到大家！