数码相机的组成及原理解析

1、数码相机的组成及原理解析与传统的胶片相机相比,数码相机的图像传感器件(CCD或CMOS)、模/数转换器件(ADC)、数码信号处理器件(DSP)以及输出接口等,都是传统相机所没有的.此外,数码相机使用的LCD液晶取景器和电子存储器(卡),也是传统相机所不具备的.本文拟通过剖析与阐述数码相机的重要部件及其特性,以帮助各位同仁多层次地了解数码相机的组成原理,相信不无裨益.1、数码相机的透镜系统CCD面积的大小差别对透镜的设计与开发有重大的影响,因为必须真实清晰地记录极小的图像.度量这种极细致的描写能力的特性指标,我们称之为透镜的分辨率,例如我们常用的35mm传统相机透镜中心的分辨率,目测测定为100

2、线/mm左右,这就是说在1mm见方的面积上可读取100条线.200万像素级的数码相机中使用的摄像透镜,其分辨率一般都可超过200线/mm,拍摄非常细微物体的能力是数码相机追求的目标.透镜的物理尺寸越小,研制越困难.光学物理特性决定小的透镜难以通畅地通过光线.小透镜不仅设计难度大,而且组装精度也要求高.CCD和透镜的组装调整困难,一度是数码相机迟迟不能上市的原因之一.数码相机透镜的开发和设计需要非常高超的最新技术,这也是造成其昂贵的原因之一.在数码相机透镜结构中要特别说明的是透镜结构的最终端,即CCD前的低通滤波器.它是光学滤波器中的一种,其作用是滤除空间频率中的高频成分,使图像发晕,这可以预防

3、图像细部出现拟色效应(即图像最亮部出现原来没有的颜色).2、CCD-数码相机的关键部位 CCD是与普通相机中的胶片相当的电子器件.在数码相机中起着十分重要的作用.它接受从摄影透镜来的光信号,并把它转换为电信号.由CCD产生的电信号被输出并变为图像.传输各像素的通路称为传输通路. CCD结构可分为帧传送方式(Frame Transfer, FT)和扫描方式(简称IF)两大类.FT方式多用在高像素的高端数码相机中,如Canon的EOSD2000(用柯达制的CCD)数码相机.现在的普及型数码相机主要采用逐行扫描IL方式.这两种方式的差别在于有无传输通路.FT的每个受光组件兼起传输通路的作用.而IL则

4、有专用的传输通路.两种相机的优缺点就由这种差别引起的. 从CCD的开口率看,FT方式要有利得多.IL方式为防止灵敏度下降,每个像素都有以聚光为目的的微透镜.而FT方式没有传输通路,没有微透镜.因此每一个象素面积增大、生产成本降低.灵敏度特性的高低顺序是FT方式IL方式.IL方式又分为隔行扫描方式(Interlace Scanning)和逐行扫描方式(Progressive Scanning).两种方式灵敏度相比较,隔行方式逐行方式.受光组件的尺寸,如以FT方式为1,则隔行扫描方式为2/3,逐行方式为1/2,灵敏度与受控组件的尺寸成正比. 由此可见,FT是面向高动态范围的数码相机的方式,但迄今为

5、止使用的CCD几乎都用IL方式,因而具有良好的生产业绩,这是它的优点,缺点方面,由于FT方式中象素传输通路是合用的,只要有一个像素有缺陷,那么纵向一列的信息就接收不到.因此,生产过程中成品率低,制造成本高.此外,如果要使显示器再生,则需要配存储器.因此,CCD整体的封装尺寸变大.在IL方式中受光部分和传输通路都要占用面积,因而开口率难以提高. 举例来说,200万象素级的1/2英寸CCD的生产采用4m的工艺.现在的工艺极限为3m.假定要维持目前的开口率的条件下生产1/2英寸级的CCD,那么其灵敏度会很低.即使是IL方式,随着象素的增加,生产的成品率会很低. 3、原色和补色滤光器普及型数码相机几乎

6、都是使用一个CCD的曝光型(One Shot)数码相机.与其它类型的数码相机相比较,其优点是拍摄时间短,处理容易.但为获得彩色图像,必须将有效象素中的各种颜色分散.原色系和补色系滤光器就是用来分散各种颜色的.原色滤光器通过RGB滤光器接受光线,补色系通过CMYG滤光器接受光线,并产生彩色图像.原色滤光器是以液晶显示器和个人计算机显示器等显示组件显示RGB色,因此颜色的再现性优良,颜色鲜艳.补色滤光器灵敏度较高,但必须由C-Y=B、M-Y=R和G=G的补色还原成原色,因而未必能获得与原色完全相同的色再现,但图像处理技术在进步,这个问题实用上不成问题.最近有一种,CCD尺寸减小,分辨率提高和有效灵

7、敏度降低.采用补色的数码相机将会越来越多.4、DSP-数码相机的心脏数码相机除了光学透镜系统外几乎全由电子电路控制.基本的信号处理过程非常简单.由CCD送来的电信号通过A/D转换为数码信号,然后送入具有信号处理能力的DSP(Digital Signal Processor,数码信号处理器).DSP是数码相机的心脏部分,其处理电路通过参数调整最终决定图像质量.DSP中隐藏了各公司独有的图像处理技术和知识.DSP处理工作量很大,一般都设计成专用的硬件.信号进一步送给离散余弦转换器件DCT进行JPEG压缩,然后通过接口电路记录到位于最后一级的存储器.除了这些处理电路外,硬件控制还使用CPU,在富士公

8、司的Fineoix2700数码相机中用了两个CPU(RISC型)对硬件进行控制.最新的200万象素级的数码相机, 几乎都采用了某种ASIC(Application Special Integrated Circuit,专用集成电路).尽管做成ASIC的部分因公司而异,但基本上都把处理负荷的部分做成一块芯片以实现高速化.同时需要驱动电压的部分集成化,可使耗电减小.耗电量与芯片数的平方成正比,因而单片化使耗电量急剧降低,是目前解决数码相机耗电过大的一个有效因素.5、存储媒体数码相机的常用存储媒体有三种.它们是SM(Smart Media)、存储盘(MD, Memory Disc)、紧凑快闪存储器(

9、Compact Flash Card, CF卡).CF卡的缺点是写入时间与读出时间之比为3:1,在同样的情形里,读写速度相同,写入速度高达每秒5-10个片断,是面向高速记录的媒体.驱动马达需用的电源,CF为3.3V,约70-100mA,而MD为3.3mA.单单三节碱电池已不够用,厂家正在探讨在相机中安装锂离子电池.已有工作模型和样机上市.6.图像文件的兼容性数码相机记录的图像文件的兼容性至今常受到种种指摘.图像文件本身都已在JPEG基础上统一了,但在文件结构的处理方面各公司都往往自行其是,没有统一.最近出台了DCF和DPOF规范,使数码相机业界有章可循.DCF是决定图像文件和文件系统的规范,而

10、DPOF是决定打印信息处理的规范.两者都保证对数码相机之间的文件兼容性.200万像素级的最新机型全都支持DCF和DPOF.今后使用相同记录媒体的不同机种,通过数据传递就可以在自己的机器上看到对方拍摄的图像.此外,在实验室或其它场合的打印服务,只通过传递就可以打印文件(不必写入文件),十分方便. 7.液晶显示器的结构拍摄的图像用液晶显示器是数码相机的一个优点.数码相机中用的液晶显示器可以分为三种类型:背光型(通常型)、反射型和采光型,不管哪种类型,它们都采用各种各样低耗电结构.液晶本身是不发光的器件,因此要用背光从其背后照明.即使在室内液晶显示器也可以得到最好的颜色的对比度.外部光线很强时,靠背

11、光很难得到清晰显示.与之相反,反射型和采光型显示器主动采入外部光线并把它用于液晶显示.反射型显示器在液晶的背后有一个反射外光的反射镜.东芝公司的PDR-5等数码相机采用了这种反射型液晶显示器,而SONY的Cybershot F-55K中则采用了背光和反射相混合的混合型液晶显示器.明亮时把背光切断而只用反射型液晶显示器,这样可以削减电耗.反射型液晶显示器的优点是外光越强,显示的对比度越高,越易看见.采光型液晶显示器与反射型相似,但它通过采光窗口采入外部光线.一般来说,采光型液晶显示器比反射型颜色好,对比度高.8、数码相机词语解释:开口率: 象素与象素之间的间距(Ptch)与发光二极管(受光组件)本身大小的比例关系.开口率越大,说明受光组件的面积越大(无效面积越小),灵敏度越高.初期的35万象素级的数码相机所以能不用闪光灯就可在暗处拍摄,是因为当时使用的CCD的开口率很高.现在开口率已相对减小,可用闪光灯的相型增多.DSP: Digital Signal Processor (数码信号处理器)的缩写.将图像和声音等仿真信号转换成数码信号并进行滤波等处理用的电路.DCT: Discrete Cosine Transform(离散余弦变换