數(shù)碼相機(jī)成像技術(shù)

吳騰奇

數(shù)碼相機(jī)作為一種時(shí)尚數(shù)碼產(chǎn)品，以其強(qiáng)大的功能、操作便捷性和出色的拍攝效果，受到廣大消費(fèi)者的喜愛(ài)。數(shù)碼相機(jī)和傳統(tǒng)相機(jī)在光學(xué)原理上相類似，都是將被攝物體發(fā)射或反射的光線通過(guò)鏡頭在焦平面上形成物像。但在具體成像中則因光敏介質(zhì)的不同而有所區(qū)別。

數(shù)碼相機(jī)成像原理

數(shù)碼相機(jī)使用CCD電荷藕合器件記錄影像，然后把CCD器件的電子信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。由于CCD器件本身并不分辨色、光，為了獲得彩色的濾色片配合使用，具體結(jié)構(gòu)有采用紅綠藍(lán)濾色片三次分別掃描的，也有采用三組器件配合濾色片，一次同時(shí)對(duì)紅綠藍(lán)三色曝光。而視采用CCD陳列的結(jié)構(gòu)不同，又可以分為線性陳列CCD和平面陳列CC口。顯然平面陳列的捕捉影像的速度要快于采用線性陳列的方式。

1.三片CCD數(shù)碼相機(jī)

利用透鏡和分光鏡將光圖像信息分成R、G、B(紅、綠、藍(lán))三束單色光，并將它們分別作用在三片CCD影像傳感器上，三種顏色信息經(jīng)CCD轉(zhuǎn)換為模擬電信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)A／O轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)過(guò)DSY數(shù)字信號(hào)處理后存到存儲(chǔ)器中。最后，經(jīng)數(shù)字接口或視頻接口輸出給計(jì)算機(jī)、打印機(jī)或電視機(jī)等。目前大多數(shù)普通數(shù)碼相機(jī)都是單片CCD，采用3CCD結(jié)構(gòu)的都是高檔專業(yè)數(shù)碼相機(jī)。

2．單片COD數(shù)碼相機(jī)

CCD影像傳感器每個(gè)像素點(diǎn)的位置上分別加上RGB三種顏色濾色片，通過(guò)透鏡后的光圖像信息，被分別作用在傳感器不同的像素點(diǎn)上，并將它們轉(zhuǎn)換為模擬電信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)A／O轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)過(guò)DSP數(shù)字信號(hào)處理后存到存儲(chǔ)器中。

信號(hào)捕捉方式

1．與傳統(tǒng)相機(jī)的區(qū)別

數(shù)碼相機(jī)與傳統(tǒng)膠片相機(jī)在捕捉信號(hào)的前端設(shè)備上是相同的。數(shù)碼相機(jī)也是使用鏡頭光圈和快門來(lái)聚焦圖像，這與傳統(tǒng)膠片相機(jī)并無(wú)區(qū)別。但是，傳統(tǒng)相機(jī)將通過(guò)鏡頭透鏡的成像聚焦到感光銀鹽膠片上，膠片感光將影像以光學(xué)模擬信號(hào)的方式記錄下來(lái)。而數(shù)碼相機(jī)則聚焦到CCD或CMOS圖像傳感器半導(dǎo)體芯片上，通過(guò)掃描產(chǎn)生電子模擬信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)A／O模數(shù)轉(zhuǎn)換形成電子數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)過(guò)壓縮，最后以數(shù)字文件形成保存在內(nèi)置的存儲(chǔ)器芯片、可拔插的PC卡或軟磁盤上。此外，數(shù)碼相機(jī)與掃描儀、數(shù)碼攝像機(jī)雖然同為數(shù)碼影像輸入設(shè)備，但在信號(hào)捕捉方面也有不相同。

2．與掃描儀的區(qū)別

在數(shù)碼相機(jī)普及以前，掃描儀是數(shù)字圖像處理的必備工具，但是，隨著數(shù)字圖像技術(shù)的發(fā)展和數(shù)碼相機(jī)分辨率的提高，數(shù)碼相機(jī)應(yīng)用越來(lái)越廣，成為獲取數(shù)字圖像最主要的工具之一。掃描儀只是一種把照片轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能夠處理的圖像的工具。掃描儀獲取圖像的方式是先將光線照射到待掃描的材料上，光線反射回來(lái)后再在CCD電荷藕合器件的光敏元件上實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，由于紙張上黑的區(qū)域反射較少的光，亮的區(qū)域反射較多的光，而CCD器件可以檢測(cè)圖像上不同區(qū)域反射回來(lái)的不同強(qiáng)度的光，于是CCD器件將反射光波轉(zhuǎn)換成為電波電流，即把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)A／O數(shù)模轉(zhuǎn)換器再把模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息，用L和O的組合來(lái)表示，最后，控制掃描儀操作的掃描軟件讀入這些數(shù)據(jù)，并重組為計(jì)算機(jī)圖像文件。

以上描述的是用掃描儀掃描照片及打印文本或紙張等不透明材料的過(guò)程。當(dāng)掃描透明材料時(shí)，原理相同，所不同的是此時(shí)并非利用光線的反射，而是透射過(guò)材料，再由CCD器件來(lái)接收。掃描透明膠片需要特別的光源補(bǔ)償，借助透射片配器TMA裝置完成這一功能，除了表面極為平滑的物體外，其他東西都不能直接放到掃描儀上進(jìn)行掃描。而數(shù)碼相機(jī)能夠拍攝任何景物，它對(duì)物體的表面沒(méi)有任何要求。掃描儀只能處理靜止的照片，處理速度也比較慢，而數(shù)碼相機(jī)可以捕捉運(yùn)動(dòng)物體。

3．與數(shù)碼攝像機(jī)的區(qū)別

在數(shù)碼影像系統(tǒng)中，數(shù)碼相機(jī)和數(shù)碼攝像機(jī)同為數(shù)碼影像的輸入設(shè)備，其作用都是生成數(shù)碼影像，不同的是數(shù)碼相機(jī)主要用于捕捉景物的瞬間活動(dòng)，生成的主要是數(shù)碼圖片影像，而數(shù)碼攝像機(jī)主要用于捕捉景物的連續(xù)活動(dòng)，生成的主要是數(shù)碼視頻影像。數(shù)碼相機(jī)技術(shù)借鑒數(shù)碼攝像機(jī)的CCD固體攝像機(jī)器件技術(shù)是關(guān)鍵的一步。CCD攝像器件和攝像管的工作原理一樣是利用某種光電效應(yīng)，首先將入射光轉(zhuǎn)變成對(duì)應(yīng)的光電荷，并把光電荷暫時(shí)存儲(chǔ)在像素的微小靜電容上，然后通過(guò)固體掃描方式將信號(hào)讀出。CCD攝像器件具備光電轉(zhuǎn)換、光電存儲(chǔ)和固體掃描三個(gè)不同方式，是利用電子的轉(zhuǎn)換、移位來(lái)完成掃描過(guò)程的。在CCD攝像器件的硅基片上鑲嵌排列著許多各自獨(dú)立的像素，通過(guò)在電路上的施加掃描脈沖將存儲(chǔ)在像素上的光電荷按順序讀出。隨著數(shù)碼影像技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)碼攝影與數(shù)碼攝像技術(shù)相互交叉融合的趨勢(shì)更加明顯，近年來(lái)更有攝像、照相兩用機(jī)問(wèn)世，不但能夠攝像，而且還能夠當(dāng)作拍攝靜止圖像的數(shù)碼攝像機(jī)，同時(shí)也有兼其攝像功能的數(shù)碼相機(jī)上市，不僅能夠拍攝靜止圖像，而且還能夠記錄短時(shí)間活動(dòng)的圖像與聲音。

信號(hào)存儲(chǔ)載體

傳統(tǒng)光學(xué)相機(jī)信號(hào)存儲(chǔ)媒體以膠卷為主，立拍立現(xiàn)相機(jī)或一次咸像相機(jī)，采用的是一種特殊的相紙代替化學(xué)膠片和印相紙，這種相紙能直接感受光線并立即生成實(shí)物照片。APS相機(jī)采用的是帶有磁性及光學(xué)記錄帶的專用APS膠卷。數(shù)碼相機(jī)中所存儲(chǔ)的照片不再是實(shí)際影像，而是一個(gè)個(gè)數(shù)字文件，其信號(hào)存儲(chǔ)體也不是底片而是數(shù)字化存儲(chǔ)器件。數(shù)碼相機(jī)所用的存儲(chǔ)媒體有內(nèi)置式存儲(chǔ)器和可移動(dòng)式存儲(chǔ)卡或軟磁盤之分。內(nèi)置式存儲(chǔ)器是與數(shù)碼相機(jī)固化在一起，而不需要另配存儲(chǔ)媒體。存儲(chǔ)卡或軟磁盤可隨時(shí)裝入數(shù)碼相機(jī)或從相機(jī)中取出，存滿后可隨時(shí)更換，就像使用計(jì)算機(jī)軟盤一樣方便，只要備足需用的存儲(chǔ)卡或磁盤，就可以連續(xù)進(jìn)行大量的拍攝。

圖像處理

在數(shù)碼相機(jī)問(wèn)世這前，傳統(tǒng)攝影技術(shù)的數(shù)字化進(jìn)程比較緩慢，對(duì)大多數(shù)人來(lái)說(shuō)，數(shù)碼圖片處理曾經(jīng)是一件令人頭痛的工作，首先要拍攝、沖洗，檢查洗出來(lái)的照片的效果，而且常常需要多次處理才能得到令人滿意的照片；然后掃描照片生成計(jì)算機(jī)能夠使用的數(shù)字圖像；最后對(duì)圖像進(jìn)行編輯處理，直至得到滿意的圖片為止。有了數(shù)碼相機(jī)，一切都變得簡(jiǎn)單多了。你可以根據(jù)自己的要求。隨意拍攝，然后直接把圖像下載到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行編輯處理，數(shù)碼暗房技術(shù)利用豐富強(qiáng)大的數(shù)碼圖像處理工具，不但可以輕松地對(duì)數(shù)碼照片進(jìn)行常規(guī)的編輯，而且還可以進(jìn)行特殊效果處理，對(duì)數(shù)碼照片進(jìn)行再創(chuàng)作。

信號(hào)輸出形式

傳統(tǒng)相機(jī)記錄的信號(hào)是固定在膠片上的光學(xué)信號(hào)，其信號(hào)輸出方式非常簡(jiǎn)單：通過(guò)彩擴(kuò)機(jī)將底片圖像負(fù)像轉(zhuǎn)換為相紙圖像照片，傳統(tǒng)攝影的數(shù)字化拓寬了膠片圖像的輸出路徑，但是必須經(jīng)過(guò)掃描儀將膠片圖像或照片轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像文件，然后才能夠輸入到計(jì)算機(jī)或打印機(jī)。而數(shù)碼相機(jī)記錄的是數(shù)字信號(hào)，能夠通過(guò)數(shù)字接口或視頻接口直接連接到計(jì)算機(jī)、

電視、攝錄機(jī)或打印機(jī)上，在一定條件下，數(shù)碼相機(jī)還可以直接接到筆記本電腦上，使用者可以立即檢查圖像是否正確，而且還可以立刻打印出來(lái)或是通過(guò)電子郵件傳送出去。數(shù)碼相機(jī)生成的數(shù)字圖像能夠存入計(jì)算機(jī)中，并且利用圖像處理軟件進(jìn)行后期編輯處理、重現(xiàn)再創(chuàng)作。數(shù)碼相機(jī)的輸出方式可分為接口傳送方式、存儲(chǔ)器傳遞方式以及視頻傳送方式。在接口傳送方面，現(xiàn)在數(shù)碼相機(jī)與計(jì)算機(jī)的主要連接途徑以RS-232和IrDAl．0接口為主，這些接口的傳輸速度較快，而USB高速接口方便快捷，將成為普及型數(shù)碼相機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)接口。IEEEt394接口可以達(dá)到400Mbps的傳輸速率，可能代替SCSI成為專業(yè)數(shù)字圖像設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)接口。

數(shù)碼相機(jī)電路

目前數(shù)碼相機(jī)的電路結(jié)構(gòu)分為多芯片電路與單芯片電路兩種。

1．多芯片數(shù)碼相機(jī)電路

數(shù)碼相機(jī)除了光學(xué)透鏡系統(tǒng)外其余幾乎全由電子電路控制，基本的信號(hào)處理過(guò)程非常簡(jiǎn)單，由CCD送來(lái)的電信號(hào)通過(guò)A／O轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后送入具有信號(hào)處理能力的DSP，即數(shù)字信號(hào)處理器，然后進(jìn)行JPGE壓縮，接著通過(guò)接口電路記錄到位于最后一級(jí)的存儲(chǔ)器。除了這些處理電路外，硬件控制還使用CPU，如富士公司Fine Pix2700型數(shù)碼相機(jī)就使用了兩個(gè)CPU對(duì)硬件進(jìn)行控制。

2．單芯片數(shù)碼相機(jī)電路

200萬(wàn)像素級(jí)以上的數(shù)碼相機(jī)幾乎都采用了某種ASIC芯片。盡管ASIC部分因公司而異，但基本上都把處理電荷的部分做成一塊芯片以實(shí)現(xiàn)高速化。同時(shí)，需要驅(qū)動(dòng)電壓部分集成化，減少耗電。耗電量與芯片數(shù)的平方成正比，因而降低單片耗電量，是目前解決數(shù)碼相機(jī)耗電過(guò)大的一個(gè)有效手段。單芯片數(shù)碼相機(jī)電路結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是將數(shù)碼相機(jī)的整個(gè)電路板集成在一塊硅片上，這塊高度集成化的芯片包含了數(shù)碼相機(jī)所需的主要功能，如取景、攝錄、壓縮、過(guò)濾存儲(chǔ)、傳送以及顯示數(shù)碼影像，可實(shí)現(xiàn)每秒攝錄、壓縮，支持高達(dá)2048 x2048像素的圖像分辨率。這一水平相當(dāng)于每秒以VGA形式攝錄11幅圖像，經(jīng)JPEG方式壓縮、存儲(chǔ)，并以30幅／秒的速度傳送，顯示于數(shù)碼相機(jī)的LCD顯示屏上。由于單芯片采用獨(dú)特的設(shè)計(jì)方案，所以其性能高但價(jià)格較低，如美國(guó)LSLlogic公司推出的數(shù)碼相機(jī)芯片DCAM—101，將使數(shù)碼相機(jī)的成本降低25％左右。