数码相机常用技术白皮书

1、感光器件电荷藕合器件图像传感器ccd （charge coupled device）,它使用一种高感光度的半导体材料 制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号，数字信号经过乐缩以后由相 机内部的闪速存储器或内置碾盘卡保存，1人1而可以轻而易举地把数据传输给计算机，并借助于计 算机的处理手段，根据需要和想像来修改图像。ccdrtl许多感光单位纽成，通常以百万像素为单 位。当ccd表面受到光线照射时，每个感光单位会将电荷反映在组件上，所冇的感光单位所产牛 的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面。ccd和传统底片相比，ccd更接近于人眼对视觉的工作方式。只不过，人眼的视网膜是由负责

2、光 强度感应的杆细胞和色彩感应的锥细胞，分工合作组成视觉感应。ccd经过长达35年的发展， 大致的形状和运作方式都己经定型。ccd的组成主要是山一个类似马赛克的网格、聚光镜片以及 垫于最底下的电子线路矩阵所组成。冃前有能力牛产ccd的公司分別为：sony、ph订ps、kodak、 matsushita、fuji和sharp,大半是日本厂商。互补性氧化金属半导体 cmos （complementary metal-（）xide semiconductor）和 ccd 一样同为在 数码相机中可记录光线变化的半导体。cmos的制造技术和一般计算机芯片没什么差別，主要是 利用硅和错这两种元素所做成的半

3、导体，使其在cmos上共存着带n （带电）和p （带+电） 级的半导体，这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片纪录和解读成影像。然而，cmos的 缺点就是太容易出现杂点，这主要是因为早期的设计使cmos在处理快速变化的彩像时，由于电 流变化过丁频繁而会产生过热的现象。ccd尺寸说到ccd的尺寸，其实是说感光器件的而积大小，这里就包括了 ccd和cmos。感光器件的而 积大小，ccd/cmos jftl积越大，捕获的光子越多，感光性能越好，信噪比越低。ccd/cmos是数码 相机用來感光成像的部件，相当丁光学传统相机屮的胶卷。cci）上感光组件的表面具有储存电荷的能力，并以炬阵的方式排列。当其

4、表面感受到光线时,会将电荷反应在组件上，整个cci）上的所有感光组件所产生的信号，就构成了一个完整的画面。如果分解ccd,你会发现ccd的结构为三层，第一层是“微型镜头”，第二层是“分色滤色 片”以及第三层“感光层”。第一层“微型镜头”我们知道，数码相机成像的关键是在于其感光层，为了扩展ccd的采光率，必须扩展单一像 索的受光面积。但是提高采光率的办法也容易使画质下降。这一层“微烈镜头”就等于在感光层 前面加上一副眼镜。凶此感光面积不再因为传感器的开口面积而决定，而改rh微型镜片的表面积 来决定。第二层是“分色滤色片”ccd的第二层是“分色滤色片”，目前有两种分色方式，一是rgb原色分色法，另

5、一个则是 cmyk补色分色法这两种方法各有优缺点。首先，我们先了解一下两种分色法的概念，rgb即三原 色分色法，儿乎所有人类眼镜可以识别的颜色，都可以通过红、绿和蓝来组成，而rgb三个字母 分别就是red, green和blue,这说明rgb分色法是通过这三个通道的颜色调节而成。再说cmyk, 这是由四个通道的颜色配合而成,他们分别是青(c)、洋红(m)、黄(y)、黑(k)。在印刷业中, cmyk更为适用，但具调节出来的颜色不及rgb的多。原色ccd的优势在于画质锐利，色彩真实，但缺点则是噪声问题。冈此，大家可以注意，一 般采用原色ccd的数码相机，在tso感光度上多半不会超过400。相对的，

6、补色ccd多了一个y 黄色滤色器，在色彩的分辨上比较仔细，但却牺牲了部分影像的分辨率，而在iso值上，补色 ccd可以容忍较高的感光度，一般都可设定在800以上第三层：感光层ccd的第三层是“感光片”，这层主要是负责将穿过滤色层的光源转换成电子信号，并将信 号传送到影像处理芯片，将影像还原。传统的照相机胶卷尺寸为35mm, 35mm为对角长度,35mm胶卷的感光面积为36 x 24mm。换 算到数码相机，对角长度约接近35mm的，ccd/cmos尺寸越人。在单反数码相机中，很多都拥有 接近35mm的ccd/cmos尺寸,例如尼康德d100, ccd/cmos尺寸面积达到23.7 x 15.6,

7、比起消 费级数码相机要大很多,而佳能的eos-ids的cmos尺寸为36 x 24mm,达到t 35mm的面积,所 以成像也相对较好。现在市面上的消费级数码相机主要有2/3英寸、1/1.8英寸、1/2.7英寸、1/3.2英寸四种。 ccd/cmos尺寸越大，感光而积越大，成像效果越好。1/1.8英寸的300万像素和机效果通常好于 1/2. 7英寸的400力像素相机（后者的感光面积只有前者的55%）。而相同尺寸的ccd/cmos像索增 加固然是件好事，但这也会导致单个像素的感光面积缩小，有曝光不足的可能。但如果在增加 ccd/cmos像素的同时想维持现有的图像质量，就必须在至少维持单个像素面积不

8、减小的基础上 增大ccd/cmos的总面积。h前更大尺寸ccd/cmos加工制造比较困难，成本也非常高。因此， ccd/cmos尺寸较大的数码相机，价格也较高。感光器件的大小直接影响数码相机的体积重量。 超薄、超轻的数码相机一般ccd/cmos尺寸也小，而越专业的数码相机，ccd/cmos尺寸也越大。光学变焦光学变焦英文名称为optical zoom,数码相机依靠光学镜头结构来实现变焦。数码相机的 光学变焦方式与传统35mm相机差不多,就是通过镜片移动來放大与缩小需要拍摄的景物,光学 变焦倍数越大，能扌11摄的最物就越远。在买数码相机的时候，很多用八都会问，什么是数码变焦，什么是光学变焦，下面

9、，我们就 用图示来解释一下。光学变焦是通过镜头、物体和焦点三方的位置发牛变化而产牛的。当成像面在水平方向运动 的时候，如下图，视觉和焦距就会发生变化，更远的景物变得更淸晰，让人感觉像物体递进的感 觉。显而易见，耍改变视角必然有两种办法，一种是改变镜头的焦距。川摄影的话来说，这就是 光学变焦。通过改变变焦镜头屮的各镜片的相对位置來改变镜头的焦距。另-种就是改变成像ihi 的人小，即成像面的对角线长短在目前的数码摄影屮，这就叫做数码变焦。实际上数码变焦并没 有改变镜头的焦距，只是通过改变成像面对角线的角度来改变视角，从而产生了“相当于”镜头 焦距变化的效果。所以我们看到，一些镜头越长的数码相机，内

10、部的镜片和感光器移动空间更人，所以变焦倍 数也更大。我们看到市面上的一些超薄型数码相机，一般没冇光学变焦功能，因为其机身内根部 不允许感光器件的移动，而像索尼f828、富士 s7000这些“长镜头”的数码相机，光学变焦功 能达到5、6倍。如今的数码相机的光学变焦倍数大多在2倍一5倍z间，即可把10米以外的物体拉近至5-3 米近；也有一些数码相机拥冇10倍的光学变焦效果。家川摄录机的光学变焦倍数在1()倍22倍, 能比佼清楚的拍到70米外的东西。使用增倍镜能够增大摄录机的光学变焦倍数。如果光学变焦 倍数不够，我们可以在镜头前加一增倍镜，其计算方法是这样的，一个2倍的增距镜，套在一个 原来有4倍光

11、学变焦的数码相机上，那么这台数码相机的光学变焦倍数由原来的1倍、2倍、3 倍、4倍变为2倍、4倍、6倍和8倍，即以増距镜的倍数和光学变焦倍数和乘所得。数字变焦数字变焦也称为数码变焦，英文名称为digital zoom,数码变焦是通过数码相机内的处理器, 把图片内的每个彖素面积增大，从而达到放人目的。这种手法如同用图像处理软件把图片的面积 改大，不过程序在数码相机内进行，把原來ccd影像感应器上的一部份像素使用插值处理手段 做放人，将ccd影像感应器上的像索用插值算法将画面放人到整个画面。与光学变焦不同，数码变焦是在感光器件垂点方向向上的变化，而给人以变焦效果的。在感 光器件上的面积越小，那么视

12、觉上就会讣用户只看见景物的局部。但是山于焦距没有变化，所以, 图像质量是相对于-正常情况卜较差。ft t tir通过数码变焦，扌n摄的景物放大了，但它的淸晰度会有一定程度的下降,所以数码变焦并没 有太人的实际意义。不过索尼独创“智能数码变焦”,据说该先进技术，可以使图像在数码变 焦z后仍然保持一定的清晰度。一台数码相机的总变焦数计算如下：举例索尼的f717光学变焦为5倍，而数码变焦为2倍, 所以最人变焦数为10倍。数码相机内的数码变焦一般可以关掉。除此之外述有全新独有的sony 智能变焦功能，可放人变焦拍摄，不会将微粒放大，令放大的影像也能保持原有的细致质索。智 能变焦因应不同彩像尺寸的选择，

13、提供不同程度的强化变焦功能。右别于数码变焦，智能变焦能 保持画质与原本影像相同。it前数码相机的数码变焦一般在6倍左右，摄像机的数码变焦在44倍-600倍左右，实际使 用屮有40倍就足够了。因为太人的数码变焦会使图像严重受损，有时候甚至因为放人倍数太高, 而分不淸所扌“摄的画面。如果变焦倍数不够，我们町以在镜头前加一增倍镜，其计算方法是这样 的，一个2倍的増距镜，套在一个原來有4倍光学变焦的数码相机上，那么这台数码相机的光学 变焦倍数山原来的1倍、2倍、3倍、4倍变为2倍、4倍、6倍和8倍，即以增距镜的倍数和光 学变焦倍数相乘所得。相于当35mm尺寸冃前数码相机的成像器件面积都小丁普通的135

14、胶卷（即35伽胶卷相机）的面积，所以其镜 头焦距很短,说到其镜头焦距时常不会涉及到其实际的物理焦距,而说与其视介相当的35mm （国 内的135）相机的镜头焦距，也就是说，其“镜头的视角相当于xx”。35帧胶片的尺寸是36 x 24mm,也就是我们平时在照相机馆屮看到的垠为普遍的那种胶卷, 由于35mm焦长的广泛使用，因此它成为了一种标尺，就像我们用米或者公斤來度衡长度和重量 一样，35mm成为我们判断镜头视野度的一种标注。例如，28mm焦长可以实现广角拍摄，35mm 焦长就是标准视角，50mm镜头是最接近人眼自然视角的，而380mm镜头就属于超望远视角，可 捕捉远方的景物。根据相机的光学原理

15、，焦长越小，视角就越人，焦长越人，视角就越小，这对丁数码相机和 传统相机而言都是不变的道理。现在相机的焦长都是山mm （毫米）來标注的，而无论相机的类 型是什么：35mm传统相机,、aps或者数码相机。镜头的焦长代表的是镜头和对焦而z间的距离, 対焦血町以是胶片或者传感器。更准确地尬义应该是“焦长等于对焦点和镜头光学中心之间的距 离”。现在通常的数码相机的焦长都非常的短，这是因为绝人多数数码相机的传感器都很小，往往 对角线长度还不到一英时，为了在这么小的传感器上能够成像感光，因此镜头和对焦面z间的距 离就很小，这就是为什么数码相机镜头的焦长数值都很小的缘故。不过在数码相机上采用35mm等值来表

16、现焦长，并非是人们不习惯数码相机上的焦长过短，而 是因为每款数码相机上标注的实际焦长往往获得的视野不一样，比如都是6-18mm焦长范圉，但 是不同的数码相机上这个焦长所表现出来的效果往往是不一样的。这是由于数码相机采用的传感 器各有所别。我们来看看3种不同ccd的表现效果： 采用210力ccd的尺寸是1/2 采用330力像索的ccd尺寸是1/1. 8 采用400万像素ccd的尺寸是2/3这三款ccd不仅对角线尺寸不同而且所含有的像素值也不同。这里我们需要注意的一个问题 是，纽成画面的像素和焦长z间是没有必然联系的。很多具有不同像素值传感器的数码相机有很 多相同的地方，比如具有相同的镜头和机身设

17、计等等，如果这些传感器具有相同的物理尺寸，那 么它们的35mm等值焦长就肯定是相同的。反过来说，这些数码相机上为ccd配套的镜头都具有 相同的焦长，比如8mm,但是ccd的尺寸缺不一样，那么这些镜头换算成35伽等值的焦长就肯 定不同。它们中间肯定会出现人丁标准视野或者小于标准视野的情况。因此采用标准的35mm等值焦长来标准就是一个简单可行的方法，不管采用的ccd尺寸如何, 这样各款数码相机之间才有了可比性，这就是35mm等值焦长来历。对焦范围对焦范围即数码相机能清晰成像的范围，通常分为一般扌11摄距离与近扌“距离。相机的一般扌11 摄距离通常都标示为細cm无穷远”，而目-大部分数码相机则往往述

18、会提供近距离拍摄功能(macro),来弥补一般拍摄模式下无法对焦的问题。有些相机就非常强调具有支持1厘米近拍 的神奇能力，适合用来拍摄精细的物体。冃前低端的数码相机(300万像素以下)-般都能自动对焦，而且大部分对焦范围都比较广; 而屮高端的数码相机机除了口动对焦外，还提供有手动对焦，来满足拍摄者的需求。近拍距离微距摄影是数码相机的特长z，用微距拍摄可以把很普通的场景拍成戏剧性的场面，微距特 别擅长表现花鸟鱼虫等细小的东西，对细节m以充分展示，而口也可以随心所欲地表现口己在选 题、构图、用光方面的创意，不像拍摄风光、人物、民俗文化等题材，要受很多条件的制约。微 距上手比较快，虽然多为小品，但其

19、中也往往包禽很多作者的良苦用心，也能称得上是粘品。微距摄影的冃的是力求将主体的细节纤亳毕现的表现出來，把细微的部分巨细无遗的呈现在 眼前。在微距摄影中,有一个名词是必须要认识的,它就是放大率(magnification)。因为微 距摄影其实就即如放人摄影，故放大率玄接影响著微距拍摄的效果。由于放人率是由菲林表ifli所 得的影像和实物主体大小的比例来定义，故此放大率是以一个比例来表达。由于这缘故，放大率 又称为影像比例。口常经常听到镜头能拍到1： 1、1： 2的微距效果，这些比例便是指镜头的放大率。左边的 数值代表菲林平面上影像的大小，而右边的数值则代表实际丄体的人小，当镜头能做到1： 1的

20、放人率时，即镜头可将实物的真实大小完全投射在菲林平|fi|±o试举一个简单的例子：135菲林 的面积为24nimx36nuib若我们使用的镜头能把一个面积同样为24mmx36mm的主休完整地记录在135 菲林上，这支镜头便有1： 1的放人率，人家应记住左边的数字越人，放人的倍数便越髙，2： 1 的放人率便比1： 1髙。若右边的数值较左边人，放人率便越小。现在的消费级数码相机微距功能不等，有的为10cm20cni,有的可以达到lcm-2cm的微距。对于单反数码相机来说，微距的拍摄能力由镜头所决定。现在，差不多每一支镜头皆有微距 功能，但它们所指的微距功能其实是指镜头的近摄能力。一般来说

21、，镜头的放大率要达至1： 2 共至1： 1,才称得上是微距镜头。微距镜头是最易使用的微距扌11摄器材，用家毋须外加任何配 件便町立即使用。一般镜头的最高解像度和最高反差度是焦点在无限远时表现出來的，但微距镜 头刚好相反，它的最高解像度和最高反差度是焦点在近距离时表现出來的，故要拍摄高质素的微 距照片，必须选择微距镜头。为配合不同的需要，市面上有不同焦距的微距镜头可供选择，由20伽至135伽不等。较广 角的微距镜头多会连同伸缩腔一同使川。若使用20伽微距广角镜连同伸缩接腔使用，它便能做 出髙达5： 1-12： 1的放人率。光圈范围光圈英文名称为aperture,光圈是一个用来控制光线透过镜头，进

22、入机身内感光面的光量 的装置，它通常是在镜头内。我们平时所说的光圈值f2.8、f8、f16等是光圈“系数”，是相对 光圈，并非光圈的物理孔径，与光圈的物理孔径及镜头到感光器件（胶片或ccd或cmos）的距 离有关。表达光圈大小我们是用f值。光圈f值=镜头的焦距/镜头口径的直径从以上的公式可知 耍达到相同的光圈f值，长焦距镜头的口径耍比短焦距镜头的口径大。当光圈物理孔径不变时，镜头中心与感光器件距离愈远，f数愈小，反z,镜头屮心与感光 器件距离愈近，通过光孔到达感光器件的光密度愈高，f数就愈人。完整的光圈值系列如下：f1, f1.4,f2,f2.8,f4,f5.6,f8, fll, f16,f2

23、2,f32,f44,f64。这里值得一题的是光圈f值愈小，在同一单位时间内的进光量便愈多，而上一级的进光量 刚是下一级的一倍，例如光圈从f8调整到f5.6,进光量便多一倍，我们也说光圈幵大了一级。 多数非专业数码相机镜头的焦距短、物理口径很小，f8时光圈的物理孔径已经很小了，继续缩 小就会发生衍射之类的光学现象，彩响成像。所以一般非专业数码相机的最小光圈都在f8至fl 1, 而专业型数码相机感光器件面积大，镜头距感光器件距离远，光圈值可以很小。对于消费型数码 相机而言,光圈f值常常介于f2.8 - f16o此外许多数码相机在调整光圈时,可以做1/3级的 调整。快门类型快门英文名称为shutte

24、r,快门是相机上控制感光片有效曝光时间的-种装置。目前的数码相机快门包括了电子快门、机械快门和b门。首先说说电子快门和机械快门的 区别。两者不同z处在于它们控制快门的原理不同，如电子快门，是用电路控制快门线圈磁铁的 原理來控制快门时间的，齿轮与连动零件大多为塑料材质；机械快门控制快门的原理是，齿轮带 动控制时间，连动与齿轮为铜与铁的材质居多。前者受到风沙的侵袭容易损坏，后者虽也怕风沙 的侵蚀，但是淸洁方便。再说说13门，当需要超过1秒曝光时间时，就耍用到bfjto使用b门的时候，快门释放按 钮按下，快门便长时间开丿玄至松开释放钮，快门才关闭。这是专门为长曝光设定的快门。快门的工作原理是这样的，

25、为了保护相机内的感光器件，不至于曝光，快门总是关闭的；拍 摄时,调整好快门速度后，只要按住照相机的快门释放钮（也就是拍照的按钮），在快门开启与闭 合的间隙间，让通过摄影镜头的光线，使照相机内的感光片获得止确的曝光，光穿过快门进入感光 器件，写入记忆卡。至于单反相机常见的b快门功能，虽然可由你自由决定曝光时间的长短，扑|摄弹性更高，不 过冃前大多数的消费性数码相机都还不能支持，最多提供如2秒、8秒、16秒等较慢速度的默认 值。完善的快门通常必须具备以下几个方面的作用：一是必须具备有能够准饰调控曝光时间的作川，这一点是照相机快门的最基本的作丿u;二是必须具备冇足够高的快门速度，以利于拍摄高速动动全

26、或冇效控制景深；三是必须具有长时间曝光的作用,即应设有* “t”门或b门;四是貝有闪光同步拍摄的功能;五是具有口拍的功能，以便于口拍或在无快门线的情况下进行长时间曝光时，使快门开启0快门速度快门速度是数码相机快门的重耍考察参数，各个不同型号的数码相机的快门速度是完全不一 样的，因此在使用某个型号的数码相机來拍摄景物时，一定要先了解其快门的速度，因为按快门 时只有考虑了快门的启动时间，并且常握好快门的释放时机，才能捕捉到生动的画面。通常普通数码相机的快门大多在1/1000秒之内，基本上可以应付人多数的日常拍摄。快门 不单要看“快”还要看“慢”，就是快门的延迟，比如有的数码相机最长具有16秒的快门

27、，用 来扌|'|夜景足够了，然而快门太长也会增加数码照片的“噪点”，就是照片屮会出现杂条纹。另外, 主流的数码相机除了具有口动扌|'|摄模式外，还必须具有光圈优先模式、快门优先模式。光圈优先 模式就是由用八决沱光圈的大小，然后相机根据环境光线和曝光设置等情况计算出光进入的多 少,这种模式比较适合照静止物体。而快门优先模式，就是由用户决泄快门的速度,然后数码和 机根据环境计算出合适的光圈人小來。所以，快门优先模式就比较适合拍摄移动的物体，特别是 数码相机对震动是很敏感的，在曝光过程中即使轻微地晃动相机都会产生模糊的照片，在实用长 焦距时这种情况更明显。在选购数码相机时，你最好选购

28、具冇这儿种模式的机型以保证拍摄的效 果。至于单反相机常见的b快门功能，虽然町由你口由决定曝光时间的长短，拍摄弹性更高，不 过冃前人多数的消费性数码相机都还不能支持，瑕多提供如2秒、8秒、16秒等较慢速度的默认 值。短片拍摄功能短片拍摄功能即数码相机具备拍摄视频文件的功能。有别于dv （数码摄像机），数码相机 只可以把视频文件存放在记忆k里面，由于记忆体的空间冇限，所以视频文件的质量跟大小都比 较差。集屮用于数码相机拍摄短片的文件多为avi,有少数的照相机可以mpeg4來储存视频文件。 以avi格式记录的视频文件分辨率为320 x 240,每秒16帧的速度记录图片，这样的视频文件 非常大，10分

29、钟就可以消耗2g的空间。另一种是mpeg4格式的视频文件,以分辨率为320x 240, 每秒16帧的速度记录，以这种格式记录视频，体积佼小。因为画质高，占容量少，mpeg4的记 录模式已经在多款数码相机上使用。索尼推出的数码相机，可以分辨率为640 x 480,每秒16帧的速度记录短片，在分辨率上 已经接近dv短片的720 x 576 （pal制），但在记录速度上，还是有所不及dv的25帧每秒。而 另一种记录格式是以160 x 112的分辨率，每秒30帧的速度记录短片，在记录速度上超过了 dv 带，而分辨率上有所差距。一些数码相机在拍摄短片的时候，可以通过自带的麦克风进行现场录音。大部分的其它

30、功能, 例如变焦、白平衡调节筹，在扪摄短片的时候都不可以使用。存储介质数码相机将图像信号转换为数据文件保存在磁介质设备或者光记录介质上。如果说数码相机 是电脑的主机，那么存储卡相当于电脑的硬盘。存储记忆体除了可以记载图像文件意外，还可以 记载其他类型的文件，通过usb和电脑相连，就成了一个移动硬盘。市面上常见的存储介质有 cf卡、sd卡、sm、记忆棒和小硬盘。电池类型数码相机需要电池以维持正常运作。一般情况下，数码相机可以采用干电池、碱性锌镒电池、 镉银电池、氢供电池、锂离子电池以及锂电池等作为其电源。碱性锌猛电池这种电池是我们在市场上很容易买得到的5号电池，他们的没有经过特殊的材料和技术改 造，使用这种电池的数码照相机多为底端产品。因为市场销售面广，所以用户不需担心这种电池 的价格，但是，也因为技术普通，其供电量和持久力远远比比不上其他几种的电池。有的时候, 他的电不