主要性能参数及特点

12.3.3　数码照相机的原理、主要性能参数及特点

数码相机（Digital Camera）也被称为数字相机。它是一种能够进行拍摄，并通过内部处理把拍摄到的景物图像转换成以数字格式存放的特殊照相机。数码相机是集光学、机械、电子于一体，并集成了光电信息转换、数字信号采焦与处理、存储与传输等多种功能部件的高新技术产品，它具有实时拍摄显示、数字化存取模式、可与电脑交互处理等特点。从1981年8月日本索尼公司推出模拟式的电子静态视频相机（Mavica－Magnetic Video Camera），成为数码相机最早的雏形，到1995年卡西欧公司推出QV－10相机，数码相机才彻底告别模拟数字化方式，开始了真正的数码相机时代。之后短短的10多年，数码相机就已风靡整个世界，并快速更新换代，最大程度地进入了人们生活中，成为最热门的数字化产品之一，并大有取代传统相机的趋势。

本节将针对通用数码相机的光学系统部分，重点分析数码相机的基本工作原理、系统结构、参数和特点。

1）数码相机的摄像原理与基本结构

数码相机与传统相机的摄像原理基本一致，如图12.22所示。但区别是数码相机镜头将景物成像在作为感光介质的光电图像传感器上，与传统感光胶片感光后生成的是“银影潜像”不同，图像传感器感光后生成的是“电荷潜像”。银影潜像经过暗房冲洗形成底片，而电荷图像则是经过一系列的变换处理成以“0”、“1”表示的数字图像文件并存储在存储卡中，从而完成拍摄过程；随后为获取最终图像，需将存储卡中的图像文件输入到计算机中进行处理、加工，处理后的数码图像文件可以在显示器上观看，也可用各种彩色打印机打印成照片，或通过网络来传输。对于传统模拟摄影技术来说，这几乎是不可想象的事情。

图12.22　数码相机的成像过程

各种型号数码相机的结构虽有差异，但其共性结构基本相同。典型数码相机系统具有镜头、闪光灯、光学取景器、图像传感器、模/数转换器（ADC）、微处理器（MPU）、液晶显示器（LCD）、图像数据存储扩展设备接口、图像数据传输接口以及供电系统等主要部件。各主要特殊部件的功能和作用是：首先，图像传感器取代普通相机中胶卷，其功能是把光信号转变为电信号，即得到对应于拍摄景物的电子图像，然后，通过ADC完成从模拟信号到数字信号的转换；随后，MPU对数字信号进行压缩并转化为特定的图像格式，例如JPEG格式；最后，图像文件被存储到内置存储器中。至此，数码相机的拍照主要工作即已完成。此外，在拍照过程中可以随时通过LCD查看或删除拍摄的照片。一些数码相机为扩大存储容量而使用可移动存储器，如PC卡或者软盘。此外，还提供了连接到计算机和电视机的接口。在图12.23（a）中给出了数码相机的系统框图结构，图（b）则表示了数码相机外部使用的各功能键或按钮结构。

图12.23　数码相机系统框图与外部结构

下面对数码相机的主要功能部件作简要介绍。

（1）镜头

数码相机镜头也有定焦镜头与变焦镜头之分，目前使用一般均为变焦镜头。数码相机镜头的主要特点是：由于图像传感器光电成像靶面尺寸小，因而相对于传统35mm相机其镜头焦距值较短；适应于图像传感器靶面光谱响应曲线与传统感光胶片的不同，镜头镀膜具有特殊性；另外，数码相机镜头的电子控制电路与数码相机核心处理器紧密联系。其中，数码相机镜头焦距值一般均按传统35mm相机镜头焦距的相对值即等效焦距来标注。例如某数码相机的镜头焦距是7.6mm，对角线视角70°，相当于35mm相机镜头焦距35mm，是个小广角；另一数码相机的镜头焦距是4.6～17.3mm等效于35mm相机镜头焦距28～105mm（CCD传感器尺寸1/2.5英寸），即3倍广角变焦镜头。

（2）图像传感器

图像传感器技术是数码相机的关键技术之一，图像传感器的分辨率被作为评价数码相机档次的重要依据。目前广泛使用的图像传感器有CCD、Super CCD和CMOS等。大多数图像传感器感光区域为矩形，其长宽比为3∶2，规格有1/4in、1/3in、1/2in、1/1.8in等。图像传感器的分辨率是数码相机的一个重要指标。为了实现彩色摄影，在数码相机系统中通常采用给图像传感器器件表面加以CFA（Color Filter Array，彩色滤镜阵列），或使用分光系统将光线分为红、绿、蓝三色，用三片图像传感器接收的方法。

（3）A/D转换器

A/D转换器的两个重要指标是转换速度和量化精度，由于数码相机系统中高分辨率图像的像素数量庞大，因此对转换速度要求很高；量化精度对应于A/D转换器将每一个像素的亮度或色彩值量化为若干个等级，这个等级就是数码相机的色彩深度。

（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功能操作，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。MPU通过对CCD感光强弱程度的分析，调节光圈和快门，也可通过机械或电子控制调节曝光。一般而言，数码相机采用的微处理器模块的系统结构，包括图像传感器数据处理DSP、DRAM控制器、显示控制器、JPEG编码器、USB等接口控制器、运算处理单音频接口（非通用模块）和图像传感器时钟生成器等功能模块。

（5）存储设备

数码相机中存储器的作用是保存数字图像数据。存储器可以分为内置存储器和可移动存储器（或称为外置存储器）。内置存储器为半导体存储器（芯片），用于临时存储图像。早期数码相机多采用内置存储器，而新近开发的数码相机更多地使用了可移动存储器。

（6）LCD

LCD作用为取景、图片显示和功能菜单显示。从种类上讲，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）。目前，数码相机中多数采用TFT－LCD。

（7）输入输出接口

数码相机的输入输出接口主要有图像数据存储扩展设备接口、计算机通讯接口和连接电视机的视频接口。图像数据存储扩展设备接口，主要用于如前所述的存储设备的数据交互；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。

（8）其他

根据设计的目标不同，数码相机系统中还可能会包含有音频处理功能等其他功能，但这一部分的处理功能原则上并不是数码相机的主要功能。

2）数码相机的分类

从不同的角度，根据不同标准，数码相机有多种分类方法。例如，可以从数码相机所采用图像传感器类型区分为CCD数码相机和CMOS数码相机；从图像传感器的结构形式来分，可分为面阵CCD（CMOS）数码相机和线阵CCD（CMOS）数码相机；从图像传感器像素数的多少来分，可分为低分辨率、中分辨率和高分辨率数码相机；根据相机结构来分，可分为便捷型、单反型和后背型数码相机；按用途来分，可分为家用型、商用型、专业型。对于数码相机的选择一般是将用途与性能功能结合起来考虑。

3）数码照相机的主要性能指标

（1）分辨率和像素数

数码相机的分辨率表示其对图像信息的表现能力，也反映了对景物细节的分辨能力，因此，也成为评价数码相机品质与档次的重要依据。数码相机的分辨率取决于其图像传感器的成像分辨率，亦即取决于图像传感器的像素数。由于像素是构成图像信息的最小单位，显然像素数越高，形成图像的清晰度也越高。数码相机的像素数常用阵列乘积表示，即长×宽，如像素2272×1704；也可通俗地表示为600万像素或800万像素。

（2）图像传感器尺寸

图像传感器尺寸即CCD/CMOS成像芯片感光面积的大小。普及型数码相机常使用小尺寸的成像芯片，一是降低成像芯片制作成本，二是使数码相机小型化、轻量化。其尺寸通常以面积的对角线长度表示，主要有2/3in、1/1.8in、1/2.7in、1/3.2in等规格。若单从CCD芯片制作工艺的角度考察，其芯片面积越小，集成度越高越好；但若从摄影的角度，在镜头光学分辨率有限，CCD像素数一定时，CCD芯片面积越大，成像质量越好，这与中幅相机成像优于35mm相机类似。

（3）光学变焦/数字变焦

光学变焦即数码相机依靠光学变焦距物镜实现变焦，如3×、6×、10×、12×光学变焦。光学变焦倍数越大，能拍摄的景物距离就越远；而数字变焦也称为数码变焦，则是通过数码相机内的软件运算处理，将图片内局部区域的像素数据进行插值放大，从而获得放大图像的目的。

（4）色彩深度

色彩深度又称色彩位数，指的是A/D转换器将每一个像素的亮度或色彩值量化的等级，以二进制的位（bit）为单位。数码相机的色彩深度指标反映了数码相机能正确记录色调的多少。色彩位数的值越高，就越可能更真实地还原亮部及暗部的细节。常见的有24位、30位和36位。以24位为例，三基色（红、绿、蓝）各占8位二进制数，即红色可以分为2⁸= 256个不同的等级，绿色和蓝色也具有相同的等级，它们的组合有2²⁴=16777216，即1600万种颜色。而30位可表示10亿种，36位可表示680亿种颜色。

（5）相当感光度

为了方便数码相机使用者理解，一般将数码相机的图像传感器的感光度（或对光线的灵敏度）等效转换为传统胶卷的感光度值，因而数字照相机也就有了“相当感光度”的概念。从通常衡量胶片感光度高低的角度来看，目前数字照相机感光度分布在中高速的范围，最低的为ISO50，最高的为ISO6400。

从理论上来讲，数码相机的感光度越高，数码相机的拍摄效果就会越好。但当前由于感光芯片制造工艺所限，想提高等效感光度就会降低信噪比，使图像变得粗糙，丢失部分细节，极大地影响图像质量。目前商用级数码相机的感光度一般在ISO100左右。

（6）白平衡调整

所谓白平衡调整指的是通过图像调整，使在不同光线条件下数码相机拍摄出的照片色彩和人眼所看到的景物色彩相同。不同光源的辐射光谱分布不同，如果使用没有白平衡的数码相机，就会发现荧光灯的灯光和白炽灯的灯光人眼看起来都是白色，但用数码相机拍摄出来却有点偏绿或偏红。眼睛之所以把它们都看成白色，是因为人眼进行了修正。由于图像传感器本身没有这种功能，因此就有必要对它输出的信号进行一定的修正，这种修正就叫做白平衡调整或白平衡控制。

其它性能指标，诸如快门类型、闪光模式、闪光范围、自拍摄功能、防红眼功能、电池电源、曝光补偿等指标则相应参考、综合评价即可。