数字相机成像原理分析
对于数字相机，成像过程远远比胶片上复杂。但不管数字成像技术如何发展，成像原理和基本要素还是和胶片成像过程相类似的。数字相机也有镜头，但通过镜头的光线不再像胶片相机中那样投射到胶片上，而是直接射在感光器的光敏单元上，这些感光器由半导体元件构成，由数字相机的内置智能控制装置对入射光线进行分析处理，并自动调整合适的焦距、暴光时间、色度、白平衡等参数，然后将这些数据传送给模/数转换器ADC（Analog Digital Converter），ADC*后把这些电子模拟信号转换成数字信号。 数字相机的内部还具有若干智能处理器，包括一些特定用途的集成电路（ASIC）和主CPU。按照这些内部处理器预设的运算法则和标准处理程序，所有数据经处理*终生成一个图像文件，然后存储在相机内部的电子存储器中。当这些过程结束后，图像文件就能够传输到计算机中，经由打印机输出或者显示在电视屏幕上。同时图像文件也能够在相机内部显示，通过自带的LCD显示屏进行预览，并利用相机LCD显示屏的操作菜单进行处理，对于不满意的图像可以删除后重新拍摄。 摄像者能够通过相机控制面板上的众多开关、按钮来进行参数预设，数字相机的智能控制设备则经过如上步骤繁琐的过程不断调整操作系统设置，从而精准记录图像。这一切繁杂的数据处理的全部过程就发生在你手掌中那个轻灵而精致的相机中。 以上仅仅是对数字相机成像技术的简要梗概。根据具体细微设计的不同，数字相机也分成了许多种类。后面我们会分别详细介绍数字相机成像的具体步骤。 图像传感器 到目前为止，人们对数字相机性能的关注大部分集中在所摄图片的像素高低上。像素的高低直接取决于数字相机图像传感器的尺寸和密度。图像传感器是数字相机的核心结构，主要分为CCD (Charge-Coupled Device)光电荷耦合器件和CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) 互补金属氧化物半导体集成电路两种。图像传感器由具有光传感单元和光敏二极管列阵硅芯片制成。这些光传感单元与像素高低直接相关，它们能够与撞击到上面的光脉冲相作用，并将其转换成电荷信号。 图像传感器上的光敏单元数目（像素）有两种表示方法。一是用X/Y轴方向（即传感器的宽度和高度方向）数目乘积表示，如640×480；另一种是用光敏单元总数来表示，如一百万像素。 制造商通常对于给定的图像传感器会给出两个像素数目指标。**个数字是传感器上所有的像素数目，如三百三十四万像素或者写为3.34 Mega Pixels。**个数字是传感器上真正用于捕捉图像的光敏单元（激活像素）数目。**个数字一般比**个小5％左右。 在超净环境中生产数字相机 造成这5％差别的原因有很多。在目前的传感器制作工艺中，生产一个100％**毫无缺陷的产品几乎是不可能的，我们通常把图像传感器生产过程中出现的有缺陷光敏单元称为暗像素或者缺陷像素。还有部分像素被用于其它方面，例如用于从传感器读取数据时的校准过程，或者为了保证图像比例而故意不使用。很小的一部分处在传感器边缘区域的像素被人为遮蔽，避免接受外来光线，而是用于检测CCD背景所产生的噪声，以便在实际图像数据中将背景噪声加以扣除。 需要技术的像素数与CCD尺寸关系不是线性的，从三百万像素提高到四百万像素像素数增加了一百万，但CCD尺寸并不会增加25%，甚至有可能没什么变化。 目前大多数的数字相机都只使用一个单图像传感器（CCD或者CMOS），只有少数专业级数字相机使用多个图像传感器——入射光被光学棱镜分成相等的部分后再被多个图像传感器接收。使用多个图像传感器可以减少不同颜色之间的干扰，并且消除图像边缘的偏色问题。这些多图像传感器的数字相机由于结构复杂，制作工艺要求高，所以体积比较大，而且价格昂贵。 有趣的是，多图像传感器的设备也无线性变化规律可循。在多数情况下，它们必须有三个独立的图像传感器（CCD或者CMOS）分别对应红、绿、蓝三种颜色的处理工作，每一个传感器承担每个像素1/3的信息处理量。在一个3百万像素的三传感器的摄像机中，每一个传感器都必需是三百万像素的，但是用于静态拍摄的多传感器数字相机中就不存在这个问题。它们内部多传感器对信息的处理方式随着制造商、相机类型的不同而迥异。 一些三传感器数字相机采用图像插值运算技术，它们的三个传感器就是各负担*终画面1/3的信息处理。其他的多传感器数字相机则先将每个传感器初始入射光信息混合后，再用复杂的算法程序进行处理合成。例如现在已经停止生产的Minolta RD-175 数字相机，它具有三个CCD传感器，其中两个对应于绿色的处理，第三个传感器则兼顾红蓝两色。（这种两个传感器对应于绿色的处理方式与单传感器中Bayer彩色滤色阵列的工作原理类似，下面将详述）。在RD-175中，每个传感器都不到五十万像素，但是它们通过算法程序处理后的画质相当于一百七十万像素左右。 在许多数字相机中，传感器的每个像素只有一部分位置是感光性的，而且只能感受某一特定方向入射的光线。因此，如何尽可能的使光线直接投射到像素感光区域就显得非常重要。为达到这一目的，许多商品化的数字相机图像传感器中，每个像素前都有一个“微透镜”用来保证光子直接入射到像素的感光区域。 因为图像传感器本身只能完成光电转换而无法分辨颜色，数字相机通常采用彩色滤镜阵列CFA（color filter array ）来实现彩色输出。CFA的主要作用是让每个像素只感受单一颜色的光线，*终重新组合出彩色的图像。制造商根据不同的色彩需求来选择不同的CFA结构，不管何种CFA结构其目的都是使所需光线通过滤镜，使每个像素接受的光线具有单一波长。所有CFA的设计都尽量减少入射光线在相邻像素之间的干扰，努力使景物色彩准确显示。 CFA让每一个像素只感受一种颜色的光线 CFA结构中*流行的是被称为Bayer模式的彩色滤镜列阵。主要特征为在像素前面以间隔的方式放置红、绿、蓝色的滤镜，而且绿色滤镜的数量为红色（或蓝色）的两倍。这样做是因为人眼对绿色光波比红蓝两色要敏感的多，所以这样的数量分配就使得人眼所见的图像亮度适宜，更接近真实色彩。