数码照相课程(一)实验讲义解答

1、实验二十四数码照相技术基础9照相不仅在生活中不可缺少，而且也是科学实验的基本手段之一。在核物理、天体物理、航天、生物、力学、微电子学等现代科学领域中，照相都是一种不可或缺的重要研究方法。它的作 用不仅在于保存信息， 而且也是人类延伸自己的感观，以获取非直观信息的重要手段，比如记录物体内部的应力分布、内部缺陷、气流和温度分布等。也可对物体的运动或物体状态的变化过程 进行记录。因而照相技术不仅在日常生活中，而且在科技领域中的应用也是分广泛。照相分为传统和数码两类。前者通过光学系统（相机）将被摄景物成像于底片之类的记录介 质上，并通过化学作用把影像记录下来；后者则是把光学成像系统与光电转换技术和计算

2、机技术结合的产物。由于数码照相符合现代数字技术和计算机网络技术的需要，近年来发展十分迅速。两类照相的基本原理在许多方面都是相同的。本实验中将着重介绍这些基本的原理并通过 较全面的训练，为熟练掌握数码照相技术打下基础。1 .2.3.了解数码照相的基本原理和一些重要概念； 学习数码相机在科技照相中常用的一些高级功能； 练习数码照相基本操作和某些特定环境下的摄影技巧。验原理数码相机的工作方式是：拍照时，来自被摄物体的光线通过镜头成像于光电转换器CMOS ）的感光面上。CCD直接输出的是模拟 信号，由A/D转换器转换为数字信号后，经 数字信号处理器（DSP）的处理，保存到存储 器中。最后，通过数字接口

3、转给计算机、打印 机等设备以及网络中。镜头CCD(CMOS)CCD (或i LCDI液晶显示器存储器输出接口1.数码相机的光学成像系统图24 -1数码相机原理结梅镜头的焦距相机的成像是由镜头完成的。成像指把射入镜头的光线聚焦于感光面上，如图23-2所示。镜头焦距（focal length ）是衡量镜头的一个重要参数，不同焦距的镜头适应于不同的拍摄需要。固定焦距的镜头一般分为标准镜头、广角镜头 和远摄镜头。被摄物体数码相机 镜头II光圈/镜头图24-2数码照相原理光路标准镜头是指焦距大约等于感光面（CCD 或CMOS对角线长度的镜头。其“看”（拍摄） 对象的视角和人眼的视角非常相近，视场角为 4

4、0°60°,相对孔径（下文介绍）F2.8F3.5。对于传统的135相机而言，其感光面尺寸为 36 mnX 24mm对角线长度为 43mm习惯上焦距 50mn左右的镜头就称为标准镜头。焦距小于标准镜头的称广角镜头，而大于标准镜头的称远摄 镜头。按50mm考虑，标准镜头的视角（感光面对角线两端点到镜头中心的连线所成的角度）为 47°。广角镜头的视场角比标准镜头的大，为60 °80 °,用于拍摄场面较大的场景。缺点是操作不当时易产生透视畸变和边缘畸变。远摄镜头的视角比标准镜头的小，视场角为10°30°，拍摄的范围也小，适于拍摄远处

5、景物的细部或拍摄不易接近的物体。其缺点是景深（见下 文）较短、透视效果差，有明显压缩空间纵深距离和夸大后景的特点。一个简单的规则就是，焦 距越大视角越小，焦距越小视角越大。数码相机由于其感光面 （CCD或CMOS的尺寸是随相机不同而不同的 （不像135相机那样感光面固定不变） 。仅以数码相机镜头的真实焦距是难以比较不同相机的拍摄范围的，所以都换算3：2，也就是与 135 相机的感光 基本上都是专业相 和计算机显示器屏幕长宽比相同的数码相到等价的 135相机的镜头焦距， 然后才进行比较。 到目前为止， 除了个别几款相机和 135相机有 相同的感光面积外，其余的都比 135相机的小。换算焦距分为两

6、类，一类是针对感光面尺寸的长宽比例为面的长宽比例相同的数码相机。 这一类相机都是一些单反可交换镜头的相机 机） 。另一类是针对感光面尺寸的长宽比例为4：3，机。家用相机大部份都是这类相机。变焦镜头是利用镜头光学系统中两个或两同时保持像面位置不变。 对于家用相机来10 X。如果需要超过镜头变焦范围去拍摄，多数数码相机的镜头是可以变焦 （焦距可调） 的。 个以上透镜组相对位置的变化， 来改变系统组合焦距， 说，通常知道其镜头的变焦倍数即可。一般为 3X也可通过在镜头前附加广角镜、近摄镜等镜片的方法去解决。广角镜头是一种焦距短于标准镜头、 视角大于标准镜头的摄影镜头， 视场角为 60° 8

7、0 广泛用于拍摄较大的场景。其缺点是使用不当时易产生影像的透视畸变和边缘畸变。镜头的光圈要想获得层次丰富的影像，就得控制投射到 CCD 上的光量。过多的光线照射，导致曝光过 度，影像明显偏亮， 照片上的细节不鲜明； 反过来， 则会曝光不足， 照片灰暗， 图像的细节缺失。 可见在拍照时，得到合适的曝光量是个非常重要的环节。 CCD 接收通过镜头的光通量，需要由 镜头的所谓“孔径光阑” （ Diaphragm ）来控制。孔径光阑，通称光圈（ Aperture ），都是设于镜头 内部，通常由多片可活动的叶片组成，开孔可变大或者缩小，以达到控制光通量的目的。调节光圈的作用是：1）控制进光量由于光圈控制

8、镜头进光量的作用，在暗弱的光线下拍摄，需要使用大光圈，以获得更多的 进光量；而在明亮的场合，则使用小光圈，避免曝光过度。总之，可以通过光圈的调节，达到准 确曝光的目的。（2）控制景深 光圈的作用除了控制进光量外，另外一个很重要的作用是控制拍摄画面的景深（见下文）。（3）控制像质由于光学原理和制造成本的限制，摄影镜头在全开光圈时的像质并不是最佳的，通常在收 缩光圈后，像质有明显的改善。为获得优质的拍摄效果， 感光器件（CCD）接收的光能必须适当， 这取决于选取适当的曝光量。 曝光量H的大小由照度E和曝光时间t决定，且定义(24-1)H = E "tCCD上的照度E正比于相机镜头进光孔的

9、面积 A1，反比于像的面积 A2,故(24-2)eAA进光孔径大小由光阑直径d决定，如图24-3所示。设透镜焦距为f,照相时物距相对来说都X d2，故()2tf(24-3)式中d称为“相对孔径”。其倒数称为“光圈指 f图24-3镜头光圈数”（f-Stops），用F表示，贝U1 2 H十口可见，t 一定时，光圈数越小，的长短。通常说的光圈多少，指的就是这个光圈指数的多少。一般来说，镜头的光圈排列顺序是：-1.4、2.0、2.8、3.5、4.0、5.6、8.0、11、16、22、32等等。随着数值的增大，其实际光孔大小也就随之减小，而其在相同曝光时间内的光通量也就随之减小。可以看出：每一个数值都与

10、相(24-4)CCD获得的曝光量越大；光圈固定时，曝光量则取决于曝光时间1、是足够大的。这时像成在透镜的焦平面上，像的面积正比于邻数值有一个72的关系，表明后一个数值的通光量为前一个的一半，前一个数值的通光量是后F数的平方成反比。并使二者的组合结果决定适度的曝光量。面一个的两倍。因为根据计算，镜头通过的通光量与 照相时，应根据条件选取适当的光圈数和曝光时间,快门速度手工设置快门， 有1s、1/2 S、1/4 S、1/1000曝光时间是由相机“快门”（Shutter）控制的。S等一系列曝光时间可以选择。对于一定的曝光量，曝光时间（快门速度）与光圈大小（光圈指数）可以有多种组合，应根 据拍摄的具体

11、要求去决定选取哪种组合。景深不能不考虑到摄影中的另一个重要概念一CCD上能清晰成像的范围。从理论在决定选取怎样的快门速度与光圈指数的组合时，“景深” （depth of field）。景深是指拍摄有前后纵深的景物时，远近不同的景物在上讲，当镜头对某一位置的景物聚焦时， 只有这一位置上的物点能在成像面上成清晰的像点，此位置前后的物点都将在成像面上呈大小不同的弥散圆斑状，但人眼的分辨能力有限， 在聚焦位置前后一定范围内的景物所成的像仍可被看作清晰的，这个范围就称为“景深”。景深的大小主要与光阑的孔径以及物距有关。一般说来，物距一定时，光阑孔径越大（数小），景深越小；光阑孔径一定，则物距越大，景深越

12、大。所以，拍摄时可根据对景深的要求（如是否要求背景清晰）先确定光圈指数的大小；也可根据对曝光速度的要求（景物运动的速度） 先决定快门速度，然后再根据需要的曝光量，选取适当的光圈指数。景深的大小，还与镜头焦距有关，焦距长的镜头，景深小，焦距短的镜头景深大。这对于 数码相机与传统相机的这些道理是一样的。2.图像的光电转换系统数码相机的重要核心之一是进行光电图像转换的器件。目前多数数码相机采用的是电荷耦合器件CCD （Charge Coupled Device）。它的作用相当于传统照相中的卤化银胶片。CCD是按一定规律紧密排列的“金属绝缘体半导体”（MIS ）电容阵列（线阵或面阵）。MIS电容结构是

13、CCD的基本组成部分，图像转换就是依靠在MIS电容器上存储荷电载流子和转移荷电载流子而实现的。MIS电容器受到光照时，产生的电荷数与光照强度有关，当这些电荷转移时，就会产 生强度不同的模拟信号，再经模数转换（Analog to Digital Converter ）,输出数字信号。CCD直接输出的只是灰度信号，并不能表现出图像的颜色。有两种方案可以实现彩色照相：一种是在CCD芯片上覆盖三基色滤色片阵列（如图 24-4）;另一种是采用分光光路（如棱镜）将入射光线 分成三种颜色（RGB）的三束光，然后用三块CCD分 别接收和转换。后者性能优于前者，但成本较高。除了 CCD外，还有一类图像光电转换器

14、件，就是互补金属氧化物半导体集成电路CMOS（CompI eme ntary Metal-Oxide Semic on ductor ）。它把光 电转换和放大电路集成到一起，甚至可以做到每个光 电转换单元都集成上一个预放电路。目前使用CMOS的相机还比较少，但随着一些技术难题的解决，可预 见到也许不久的将来 CMOS在相机中的应用就会超过聚光透铳阵列分色慷饋阵列感光豁件阵列24-4彩色CCD的三层结构DSP (Digital Signal Processor)。 DSP 要CCD，原因是它的集成度高、成本低。数码相机的另一个核心部分是它的数字信号处理器对图像信号进行大量、快速地计算和优化处理。

15、本质上它就是一个运算速度极高的单片微型计算 机。数码相机的图像信号是存储在内存或可移动存储器上的。后者多用各种闪存卡，如CF卡（Com pact Flash Card ）、SM 卡（Smart Media Card）、SD 卡（Secure Digital Card ）等，随着卡的 容量不断提高（由若干Mbit，到若干Gbit），一次可以拍照的高分辨率照片数量也越来越大。数码相机还有图像数据压缩、输出接口、总体控制等单元。3.数码相机的几个重要概念分辨率分辨率是与图像相关的一个重要概念，是衡量图像细节表现力的技术参数。而数码相机的 分辨率作为数码相机的一个很重要的性能指标， 它是用来衡量数码相

16、机拍摄记录景物细节能力的 大小的。具体地说，分辨率是用于度量位图图像内数据量多少的一个参数。通常表示成 ppi （每英寸 像素数 Pixel per inch ）和 dpi（ 每英寸点数 Dot per inch） 。包含的数据越多，图形文件的长 度就越大，也能表现更丰富的细节。但更大的文件也需要耗用更多的计算机资源，更多的内存， 更大的硬盘空间等等。在另一方面，假如图像包含的数据不够充分（图形分辨率较低），当需要 把图像放大为一个较大尺寸观看或打印的时候，就会显得相当粗糙。通常，“分辨率”被表示成每一个方向上的像素数量，比如640 X 480 （30万象素）等。而在某些情况下，它也可以同时表

17、示成“每英寸像素数”（ppi ）以及图形的长度和宽度。比如72ppi ， 8X 6 英寸。数码相机标称的像素数， 一般指它的最高像素数。 实际使用时可选择低于它的不同像素数进 行拍摄。感光灵敏度（等效感光速度）传统照相所用的胶卷性能指标中有一个重要的参数感光速度。 这是一个与感光材料的光化 学反应速度有关的性能。感光快的胶卷，对于同样的曝光量，感光效果就强烈。或者说，要获得 同样的照相效果，用感光快的胶卷，所需的曝光量可以小一些。在光照暗的条件下，适于用感光 速度快的胶卷。CCD 本没有胶卷那样的“感光速度”问题，但同样存在感光灵敏度问题。数码相机通常仍 具有感光灵敏度选择功能。 其所依据的原

18、理与传统相机相同。 只不过它是通过调整输出增益实现 相当于使用不同感光速度胶卷的功能的。AUTO 、ASA100感光速度在国际上多以 ASA 制标度。 数码相机设置的感光灵敏度通常分为 ASA400 等几挡。指数越大感光灵敏度越高，每差100，灵敏度相差一倍。即是说，在相同拍摄条件下， 所用的曝光量可以相差一倍。 当在光线较弱条件下照相时， 可将感光灵敏度设置得高 一些。但是要知道，这样做的代价是照片的“噪声”会加大。白平衡由于不同光源的光谱特性（色温）不同1，在这些光源照明下拍出的照片常常会偏色。例如，尽管日光灯和白炽灯在我们看来都是白色的， 可在日光灯下拍得的照片会偏蓝、 在白炽灯下 拍得

19、的照片会偏黄。这是因为在看东西时，人的视觉系统会对色彩进行修正处理，而CCD本身却不具备这种功能。为了消除或减轻这种颜色偏差， 数码相机和摄像机可根据不同的光线条件调节色彩设置，针对不同光源，对CCD俞出的信号进行不同的修正，使照片的色彩尽量不失真，就象人眼看到景物的色彩一样。其做法就是以人眼认为的“白”为基准，调整输出信号中三基色的亮度分布，使照 片的色彩分布与人眼观察的一致。因为这种调节以白色为基准，故称白平衡（White Balance） 。现在的数码相机都具有自动白平衡功能，设置了一些白平衡的模式供你选择，如天空晴朗、 阴天、傍晚、白炽灯、 荧光灯等。 一般情况下设置后就可以把白平衡工

20、作交给相机去自动处理了。 但这自动白平衡在许多场合下效果并不理想。 必要时可进行手工调节， 较好的相机都具有这一功 能。做法是在拍摄现场让相机对准白色物体（白墙、白纸等）进行白平衡设置。这就对“白色” 给予了定义，使对其他颜色进行的修正有个基准。注意所设定的白平衡，对闪光灯照明是不一定起作用的。实验设备1数码相机2计算机3模拟摄影棚实验内容1认识数码相机（ 1）了解数码相机的基本结构 熟练掌握基本操作：镜头盖、电源开关、功能选择（静态拍摄、程序拍摄、镜头变焦、照片 浏览）、闪光灯开关、聚焦拍摄按键、菜单调出、屏幕显示图表、数字的意义等。（ 2）学习数码相机的基本操作了解数码相机的以下主要功能：

21、 像素选择、 聚焦模式选择、 手动设置（光圈优先快门优先） 感光灵敏选择、白平衡设置、连拍选择、自拍、近拍、照片浏览等。练习基本操作（全自动） ，拍照（静物照相） 。（ 3）了解数码相机的高级功能（选做）白平衡手动调整、 照片清晰度调节、 曝光补偿、 色彩深度增减、 对比度增减、 连拍模式选择、 闪光模式选择、图像存储质量选择等。（ 4）数码相机的保护措施（含省电操作）2高级拍照练习（1）利用高级功能设置的拍照 根据指导教师指定的拍摄任务，在以下几项中选择： 不同光源环境拍照 不同环境亮度拍照 不同速度移动物体拍照 逆光拍照 近拍 连拍滤光镜、偏光镜的使用 自由拍照abcdefg2）拍照内容及

22、手法由学生自行设计和完成。注意： 在所有的拍照过程中，都要对拍摄场景、条件、相机设置等参数进行完整的记录。3数码相机输出及图像处理基础练习 学生在预习时自学。图像的简单处理 （使用 Photo Express、 ACDSee 、Photoshop 等，或相机厂家随机带来的任一图像处理软件） 。讨论题1你在本实验中使用到了那些数码相机的高级功能；报告中2对实验中拍摄的照片（每个项目一张或一组）的拍摄条件和效果进行分析讨论。 所用照片可自行打印，也可通过网络传给指导教师） 注意事项12o，或通过网络及时转移和保护好相机等器材（请在预习时着重了解对数码相机的保护措施） 学生自备数据转移器材，如移动硬

23、盘、优盘等（非必备条件） 保存自己的实验数据。附录对数码相机的保护措施千万不要用纸巾 一不小心会严 以避免灰尘颗粒磨镜头的保护 相机在使用中， 必须十分注意对镜头的保护。 需杜绝用手触碰镜头透镜表面， 防止风沙灰尘 落入镜头，防止雨水或其他液体溅入镜头。相机使用后，镜头多多少少也会沾上灰尘，最好的方 法是用吹气球吹掉， 或者是用软毛刷轻轻刷掉。 如果吹不去也刷不掉， 那就要使用专用的镜头布 或者镜头纸轻轻擦拭， 但要记住一个原则， 那就是不到万不得已不要擦拭镜头。 等看似柔软的纸张来清洁镜头， 这些纸张都包含有比较容易刮伤涂层的木质纸浆， 重损害相机镜头上的易损涂层。 在擦拭之前， 要确保表面

24、无可见的灰尘颗粒， 花镜头。擦拭时轻轻地沿着同一个方向擦拭，不要来回反复擦，以避免磨伤镜片。如果这样还是 不行，市面上也有相机专用清洗液，但要注意，使用清洗液时，应该将清洗液沾在镜头纸上擦拭 镜头，而不能够将清洗液直接滴在镜头上。另外， 绝对不能随便使用其他化学物质擦拭镜头， 而且只有在非常必要时才使用清洗液， 平 时注意盖上镜头盖和使用相机包， 以减少清洗的次数， 清洗液多少还是会对镜头有害而且有可能 带来一些潮湿问题。液晶屏的保护 彩色液晶显示屏是数码相机重要的特色部件， 不但价格很贵， 而且容易受到损伤， 因此在使 用过程中需要特别注意保护。 首先要注意避免彩色液晶显示屏被硬物刮伤， 彩

25、色液晶显示屏的表 面有的有保护膜， 有的没有， 没有保护膜的彩色液晶显示屏非常脆弱， 任何刮伤， 都会留下痕迹。 可以考虑使用掌液晶屏保护膜，这对保护彩色液晶显示屏有一定的作用。另外， 要注意不要让彩色液晶显示屏表面受重物挤压，同时还要特别注意避免高温对彩色液晶显示屏的伤害，随着温度的升高，彩色液晶显示屏会变黑，达到一定的温度后，即使温度降到 正常的状态， 彩色液晶显示屏也无法恢复。 而有些彩色液晶显示屏显示的亮度会随着温度的下降 而降低，温度相当低时，液晶显示屏显示的亮度将会很低，一旦温度回升，亮度又将自动恢复正 常，这属于正常现象。此外， 彩色液晶显示屏的背后有一个无法从表面看到的灯，如果

26、彩色液晶显示屏显示的影像变暗，或显示的影像上有斑斑点点，或根本就不能显示影像，多半是灯泡老化所致，遇到这种情 况，一般只要更换相应的灯泡即可。 如果彩色液晶显示屏表面脏了， 清洁的方法可以参考清洁镜 头的方法，清洁完后，应该用干燥的棉布擦干。存储卡的维护和保养使用者 但有些相机的储存速度较慢， 但事实上， 储存动作仍在继 必须在关闭相机后等对于数码摄影而言， 存储卡在摄影过程中扮演着相当重要的角色。 但是， 由于存储卡的使用 比较简单，经常会由于用户漫不经心地使用、处理而导致存储卡损坏。注意相机是否有足够的电Win dows XP之类的操作系统, FAT格式。保护存储卡的首要原则是， 永远只在数码相机已经关闭的情况下安装和取出存储卡。 常犯的错误是， 急着要将储存卡从相机中取出， 虽然电源已经关闭， 或是图档较大要花较长的时间， 相机也许看起来已经处于停止状态， 续，这时存到一半的档案毁了不说，还可能造成储存卡的永久毁损