引子

在过去的二十年内，越来越多的高科技被融入到我们日常的生活中来，各种各样的消费类电子产品逐渐走入我们的视野，成为我们日常生活中不可缺少的一部分。不过当静下心来仔细想想，我们就会发现诸如CD, DVD, HDTV, MP3 和DVR这样的产品都是基于一个相同的基本处理过 程：将传统的模拟信息（由渐变的波形表示）转化为数字信息（由我们熟悉的0/1代码表示即bit）进行处理。这种全新的数据处理技术现在无疑已经完全的改变了我们处理视觉和声音信息的方式。数码相机作为这场数字革命的诞生的新事物，无疑是最具有代表性的，我们今天就带大家来了解这个我们不再陌生的东西。

我们都知道传统相机是一种完全依赖机械和化学原理运行的机器，它的工作完全不依赖电。而数码相机和它的前辈最大的不同的地方在于它实际上是一部内建电脑的相机，采用电子格式纪录图像。这种新的相机工作机理被证明是相当成功和受欢迎的，也许再过十年，传统相机就会被完全被这个小兄弟取代，这完全不是没有根据的胡乱推测，要知道在去年如日本这样的发达国家的数码相机出货量就已经超过了传统相机。

对数码相机的基本认识

设想一下，如果你在远方的朋友想要一张你近来的相片，并且希望你通过e-mail发给他，你会怎么做呢。首先你需要将图像转变电脑可以识别的代码——即bit或者byte的形式。我们都知道从本质上来说，一张数字化的图片是一长串代表图片上每一个色彩小点（即像素）的零一代码组成的，所有这一长串代码共同组成一幅完整的图片。如果你希望得到这样一张数字化的图片，现在基本上有两种方式：

1． 你可以先使用传统相机拍照，然后通过化学方式冲洗胶片，使用相纸打印，这些都和图像的数字化是没有关系的，但是却又是必需的。然后你再使用一部数字扫描仪来采样你打印好的照片（用一系列的像素值纪录照片图案的反光信息）

2． 你可以直接采样拍摄物体的反光信息，并且立即将这些光信息转化为一系列的像素值——用直接一点的说法就是使用一台数码相机。

这两种方式不用多做比较也能看得出来，后者更加方便，所需的步骤更少，操作也更简单。那究竟数码相机是怎么实现这个简单易行的步骤呢，和传统相机相同，数码相机同样是靠一组透镜来聚焦光线进行成像的，和传统相机依靠聚焦光线到化学底片不同，数码相机是依靠聚焦光线到半导体器件上来通过电子方式来记录光线强弱信息的。然后数码相机内部的计算机将这些电子信息转化为数字数据。因为省略了传统相机光学成像，冲洗，扫描这一系列繁琐的工作，数码相机无疑是得到数字化图像的最直接、最有效的工具。在下面的部分，我们将给大家详细讲述数码相机是如何完成上面说的些工作的。

无需胶片的相机

这就是数码相机和传统相机的最大区别，它是一部不需要胶片的相机，它采用了完全不同的工作原理：使用传感器件将光信号转变为不同数量的电荷。

现在市场上实现数码相机将光信号转化为不同电量的工作基本上借助两种技术实现，一种是电荷耦合器材（CCD），另一种就是金属氧化物互补半导体（CMOS）。在CMOS技术出现之初由于其技术还不相当完善，和CCD在成像素质方面还有较大的差距，不过CMOS技术的优势就是改进潜力大，现在已经有一些厂商开发出了能媲美CCD成像水平的高等级CMOS成像芯片，比如佳能的中端专业数码相机EOS10D就使用了coms传感器，同样满足了专业级的成像质量。但是就主流市场来说，还是使用CCD的产品占据着中高端市场，所以在本文中，我们集中介绍基于CCD的数码相机是怎样实现拍照的过程的，COMS只是兼顾谈及。

CCD其实是一些微小的感光二极管的集合体，别可小看这些体积微小的元器件，正是它们实现了从光（光线信息）到电（电荷）的转换。正因为它们是数码相机成像过程中最小的成像单位，在这里我们也可以把它们称作“成像点”。这些成像点的光敏二极管对光线的强弱相当敏感，到达该点的光线越强，这个点所集聚的电荷也就越多。

光子撞击成像点转换为电荷

感光器件：CCD vs CMOS

现在市场上也出现了相当多的底价数码相机和摄像头以及很多数码设备上附属的摄像功能，这些低价格数码成像产品的出现无疑要归功于COMS感光器件。它的最大的特点和优势就是制造成本比CCD器件要来的便宜得多。从这两种器件的设计目的来说，它们是一致的，都是通过某种技术在成像点完成光电转换的工作。数码相机的感光器件是由数百万的感光单元，即成像点构成的一个二维列阵，每一个这样的感光单元将来自图像很小一部分的光线转变为不同数量的电荷。如果大家对于太阳能电池板的工作机理比较熟悉的话，我们就能很好的理解数码相机工作过程中的这种转换工作。而在这个光电转化过程中所使用的不同技术就是CCD和CMOS最根本区别。

下一步的工作就是读取每一个成像点单元积累的电荷并把它转化为计算机可以识别的数据格式，毕竟在每一个单元的电荷的多少还是一种模拟量。在CCD器件中，电荷实际上都被依次传输到芯片上光敏二极管阵列的一角进行读取，然后一个模数转换器件将每一个像素的电荷值转化为数字信号。而在大多数的COMS器件上，在每一个成像点单元都会有几个三极管负责电量的放大，并且通过传统的连接线运输这些电荷。由于COMS的这种方法可以对每一个成像单元进行独立的读取操作，所以它的读取方式更具灵活性。

CCD器件在制造的过程中使用了特殊的制造工艺以保证电荷在芯片上传输的过程中不产生电量失真损耗。这种特殊的制作过程也决定了CCD器件在对光线的灵敏度和保真度方面都称得上是一种高质量的器件。CMOS芯片相对于CCD是后起之秀，它完全使用标准的芯片制造流程，也就是和现在绝大部分微处理器相同的制造流程，这样一般的芯片制造工厂都可以进行CMOS感光器件的生产。当然由于制造方法的不同，在CCD器件和CMOS器件之间我们就有了几点特别需要注意的：

一般情况下，使用CCD器件代表着高素质、低噪点的成像水平。CMOS器件容易产生更多的噪点。

因为在CMOS器件中每一个成像点周围一般都会有几个负责放大的三极管，由于有相当多光子击中了这些三极管而不是成像单元本身，CMOS器件所能接收并转化的光线强度的能力相应的就要小一些。

CMOS器件也不是一无是处，在能源消耗方面就要比CCD出色的多。基本上CMOS器件在一次成像过程中所消耗的功率只有相同规格的CCD器件的百分之一不到。这使得很多便携设备更趋向于使用节能的COMS器件延长设备的工作时间。当然，CMOS由于可以使用标准的硅芯片生产线直接生产，也造就了它远低于CCD器件的价格优势。

第一部数码相机就是从CCD器件开始的，它有着相对于CMOS更为久远的发展历史，这就决定了该技术已经相当的成熟，CCD技术发展的趋势是更高的像素质量和更多的像素集成度，使他们的成像效果更加接近于传统的溴化银胶片。

分辨率

相机所能捕捉到的图像的细节被称之为分辨率，一般是用像素为单位衡量的。相机感光器件拥有的像素越多，自然而然的能捕捉到更多细节。同时也能使得你的照片在数码冲印的时候能够被放大到更大的尺寸而不会出现明显的颗粒。

下面是一些时下数码相机的一些典型分辨率，我们依次来看看：

.640x480 pixels – 这是一般低端相机提供的分辨率格式，这一分辨率很适合你通过e-mail把图片发送给朋友或者在网页上使用，在这些应用当中，再高的分辨率反而会影响邮件传输和打开页面的速度。这个分辨率的总像素值是307,000 pixel。

.1216x912 pixels – 如果你希望打印出你的图片，这是一个相当合适的分辨率。这也是百万像素的门槛—总共有1,109,000 pixels。

.1600x1200 pixels – 这已经是相当高的分辨率设置了，使用该分辨率的图片能够打印出比较大的尺寸而不会失真，例如8x10寸的照片都能应付。当然在总的像素值方面有上了一个台阶总像素值超过了两百万。当然这个分辨率还远不是现在数码相机所能提供的最高值，现在在专业领域上千万像素的数码相机也已经能看得到了。

在分辨率需求方面，我们完全没有必要过分追求，这完全取决你图片应用。如果你只是需要把图片发布到网站上或者mail给你的朋友们， 640x480 的分辨率就能应付得很好:

.你的相机有限的储存器可以储存更多的低分辨率照片 。

.在图片从相机传输到计算机的过程中节省更多的传输时间。

.这些图片也会更加节省你计算机上的硬盘空间。

不过从另一方面来说，如果你是用来将这些图片打印出来，那么你就确实需要一部高像素级别的相机并且使用较高的分辨率设置。

喷墨打印机需要什么样的分辨率才能获得高质量的图片

说到喷墨打印机，我们不可避免的要谈及它自身所使用的特别的技术。一般，打印机生产厂家都会在自己的广告中提及自己产品的的分辨率，使用的单位是XXXdot每英寸（dpi）。其实这里面的每一个点（dot）生成过程并不是一样的，大多数点为了获得某种色彩要在同样位置喷洒上若干滴墨水（有可能是黑色、青色、洋红色或者是黄色）。

举例来说，HP现在的打印机基本上都使用了PhotoREtIII技术，该技术最多可以在一个点上重复喷洒29个墨水液滴，这29个墨水混合就有在该点产生大致3500种色彩的能力。这个数字可能听起来相当的多，但是要知道你的数码相机在一个像素上基本上都能捕捉到大约一千六百八十万种色彩。这种巨大的数字反差就决定了这些打印机使用一个单独的dot是不能准确反映出一个像素的色彩的。打印机厂商想到了一个取巧的方法，它们创建一组连续dot点，我们的眼睛在视距上把这些点混合在一起生成一个像素的准确色彩。

所以，一般我们将打印机的色彩分辨率除以四就得到了打印机的实际最佳图片质量。比如一台1200 dpi的打印机，300 pixels每英寸是这台打印机所能达到的最佳图像分辨率。这也就意味着一张1200x900 pixe分辨率的图像最多只能打印出4*3英寸的图像。实际应用上，把这一指标做一适当的降低也能获得可以接受的图像质量，这一底线基本上是150——200像素每英寸。

下面柯达公司给出的不同打印尺寸获得较好图像质量的最低分辨率要求，以供大家参考：

打印尺寸	像素要求	分辨率要求
4x5 英寸	0.4百万像素	768x512 像素
5x7英寸	0.8百万像素	1152x768像素
8x10英寸	1.6百万像素	1536x1024像素

捕捉色彩

添色原理生成各种不同的色彩

现在数码相机基本上有三种方式记录三原色彩信息。在一些高端数码相机上使用三个独立的感光器件，每一个器件上面都覆盖不同的虑光片。通过在相机镜头后面安置一个光线分流器将三路光线导引到不同的感光器件上。我们可以将相机镜头采集到的光线设想成一道通过水管的水流，使用光线分流器就相当于将总流量通过三条不同的管道平均分配同一流量的水流。每一个感光器件获得的是一致的场景和景物的反射光线，但是由于使用了不同的虑光片，每一个器件只对三原色中的一种起反应。

原始光线通过光线分流器分成三原色

这种方式的最大的好处就是能独立的记录每一个成像点的三原色数据而不相互干扰。但不幸的是，采用这种方式会增加成像系统的体积和复杂程度，并且直接导致造价飙升。

由于上述第一种方法对分光器光路要求设计要求很高，造价也过于昂贵，于是研发人员开发出来第二种方法。这种方式在光敏传感器前面放置了一个可以旋转的圆盘，上面依次排列着红、蓝、绿三色虑光片，光敏传感器快速记录通过这三个虑光片的光线信息。这种方式同样能够提供图像中每一个像素的独立三原色信息，但是光敏传感器所收集到的三原色信息并不是同一时刻记录下来的，这就要求相机和拍摄的目标要保持一定时间的相对固定状态直到完成三次的光线强度记录。抓拍和手持拍摄几乎是不可能满足这种工作方式的要求的。所以说这种方式的实用性争议很大，也不能进入主流。

旋转虑光片

在实用性和经济性要求兼顾的目标下，一种新的色彩信息采集记录方式诞生了。这种方式只需要采集一次光线强度信息，并且只需要固定一张虑光片在每一个独立的成像点上，这样就大大的减少了成本需求。传感器的成像点按照采集光线颜色的不同划分为红、蓝、绿三种，这当中的每一个光敏器件可以通过每一个临近器件所采集的信息最终推断出该点的真实色彩。这个通过读取临近的像素点感光器件光线强度信息，在经过一些算法确定该点最终色彩的过程被称之为插值。 (我们在后面还要详细的解说关于像素的知识，在这里我们先暂时把一个成像点当作一个单独的像素。)

由于经济性和实用性的优势，现在绝大多数的数码相机都在使用。同样，它们当中的绝大多数也在使用被称作Bayer的虑光片图案排列格式。这种图案是一种红绿虑光片间隔行和绿蓝虑光片间隔行循环交替的排列方式。读者朋友们是否留意到，这样的排列方式并不是按照三原色平均分配的，绿色虑光片的数量是其它两色的总和。当然这样的排列方式是有它的科学根据的，因为人类的视觉系统对三原色的敏感性并不是一样的，有必要包括更多的绿色像素信息以便在人类的眼睛里能够感知到符合自己视觉系统的真彩色。

这种方式的最大好处就是使用一个传感器也能同时记录三原色的信息。这就意味采用这个系统的相机能够更便宜，做得更小巧，并且能适用于更多的拍摄环境和状况。换句话说，这种设计使得我们消费得起的手持式数码相机得以出现。采用Bayer 虑光片覆盖的光敏传感器的原始输出就是成马赛克分布的三原色光线强度信息。

当你凑近观看我们上面这张Bayer虑光片示意图的时候，大概心里在疑惑：既然数码相机需要四个单独的像素决定一个像素的色彩，那么厂商宣传的相机分辨率值是不是有很大水分呢？其实不然，现在所有的数码相机都通过特别的插值算法将原始输出的马赛克排列的独立三原色转化为数量相等的真实彩色信息。这个算法的关键是每一个色彩的像素都能够在计算中重复使用，最终的单个像素的真实色彩决定于它邻近像素色彩的平均值。

采样和插值的过程

小熊西-安_朱泽晨 　北京转载 2003年08月15日15:27

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