數碼相機工作原理完整解析

　　在過去二十年裏，消費電子產品的大多數重要技術突破實際上可歸結於一項更大意義上的科技革命。仔細觀察就會發現，CD、DVD、高清電視、MP3和DVR其實都是基於相同的原理，即：將傳統的模擬信息轉變爲數字信息。這一技術上的根本轉變完全顛覆了我們處理圖像和聲音信息的方式，使許多事情成爲可能。

　　數碼相機的出現是這一轉變最顯著的例子——它與傳統相機存在本質上的差異。數碼相機的面世，使非專業攝影師也能拍出美麗照片的幾率大大提高。用數碼相機拍出來的照片也有着豔麗的色彩，清晰的畫面，而且照片的後期處理更加方便和快捷。但數碼相機是怎麼工作的，以及這些工作原理和傳統的膠片相機有何異同，瞭解的人就不是很多了。今天我們就按數碼照片的形成過程，從鏡頭、感光元件、處理器一直到存儲系統，一步一步地來了解數碼相機的工作原理。

　　相機的數碼化歷程

　　數碼相機的歷史可以追溯到上個世紀四五十年代，電視就是在那個時候出現的。伴隨着電視的推廣，人們需要一種能夠將正在轉播的電視節目記錄下來的設備。1951年賓·克羅司比實驗室發明了錄像機（VTR），這種新機器可以將電視轉播中的電流脈衝記錄到磁帶上。到了1956年，錄像機開始大量生產。同時，它被視爲電子成像技術的誕生。

　　第二個里程碑式的事件發生在二十世紀六十年代的美國宇航局。在宇航員被派往月球之前，宇航局必須對月球表面進行勘測。然而工程師們發現，由探測器傳送回來的模擬信號被夾雜在宇宙裏其它的射線之中，顯得十分微弱，地面上的接收器無法將信號轉變成清晰的圖像。於是工程師們不得不另想辦法。

　　1970年是影像處理行業具有里程碑意義的一年，美國貝爾實驗室發明了CCD。當工程師使用電腦將CCD得到的圖像信息進行數字處理後，所有的干擾信息都被剔除了。後來“阿波羅”登月飛船上就安裝有使用CCD的裝置，這就是數碼相機的原形。得益於這一技術，在“阿波羅”號登上月球的過程中，美國宇航局接收到的數字圖像如水晶般清晰。

　　“阿波羅”號回傳的數字圖像

　　在這之後，數碼圖像技術發展得更快，主要歸功於冷戰期間的科技競爭。而這些技術也主要應用於軍事領域，大多數的間諜衛星都使用了數碼圖像技術。

　　在數碼相機發展史上，不得不提的是索尼公司。索尼於1981年8月在一款電視攝像機中首次採用CCD，將其用作直接將光轉化爲數字信號的傳感器。目前索尼每年生產的感光元件也佔據了全球很大一部分的市場，這也正是現今索尼能夠在感光元件市場上傲視羣雄的一個原因，因爲核心命脈掌握在自己手中。

　　在冷戰結束之後，軍備科技競賽很快地轉變爲了市場科技爭霸。1995年，以生產傳統相機和擁有強大膠片生產能力的柯達公司向市場發佈了其研製成熟的民用消費型數碼相機DC40。這被很多人視爲數碼相機市場成型的開端。DC40使用了內置爲4MB的內存，不能使用其它移動存儲介質，其38萬像素的CCD支持生成756×504的圖像，兼容Windows 3.1和DOS。蘋果公司的QuickTake 100也同時在市場上推出。當時兩款相機都提供了對電腦的串口連接。

　　柯達DC40

　　從此之後，數碼相機就如雨後春筍般不斷由各相機廠商推出，感光元件的像素不斷增加，創意功能不斷翻新，拍攝的圖像效果也越來越接近並超越傳統相機。

　　鏡頭

　　人類用眼睛來感知色彩繽紛的世界，而照相機則是用鏡頭來攝取美麗的景物。人眼中客觀存在的場景實際上是一種光學信息的表達，景物反射出不同亮度和光譜的光線以顯示出不同的色彩。照相機就是要把某一瞬間的光線永久保存下來，傳統照相機是把這些光線轉化對應爲膠片上化學藥劑的變化，而這些膠片也只是半成品，還需進一步的化學反應才能顯影，可見傳統膠片照相機的拍攝過程完全是光信號與化學信號的轉換過程。

　　而數碼相機不管其最終的存儲介質是什麼，其本質是把一組一定亮度和光譜的光線轉化爲一堆二進制數，然後保存在某種記錄介質上，屬於光信號與電信號的轉換。然而不論是數碼相機還是傳統照相機，首先接收的都是景物的光學信息，所以，光學鏡頭是必不可少的第一組件，被攝景物信息必須經過光學鏡頭才能成像到達成像器件。

　　鏡頭的作用是將外部的目標物體反射回來的光線通過其特定的形狀，匯聚折射到感光器件上。類似的工作狀態有點像我們小時候在自然課上學過的用一片凸透鏡聚光來產生更多的光亮。

　　在通過鏡頭確認要拍攝的對象以後，我們把相機的鏡頭對準目標物體。這時，物鏡或物鏡組就會根據自動對焦系統的控制信號來調節它和感光器件的距離，使物體的像剛好落到感光元件上，這樣纔可以形成清晰的圖像。而鏡頭的自動對焦系統的工作原理，就是我們要討論的重點之一。

　　現今的數碼相機自動對焦鏡頭從工作原理上說大多都採用了間接實測物距方式進行對焦。它是利用一些可以被利用的間接距離測量方式來獲取物距，通過運算，伺服電路驅動調節焦距的微型馬達，帶動調焦鏡片組進行軸向移動，來達到自動調節焦距的目的。經常被利用來進行間接距離測量的方式有：無源光學基線測距、有源超聲波測距、有源主動紅外測距以及現代的激光技術在測量領域的應用等。

　　無源光學基線測距：熟悉攝影的朋友都知道，這是一種在取景器裏使用光學基線原理得到磨砂、裂像、菱錐等手段的焦距調節方式。磨砂顆粒最細膩時、景物目標在兩半圓裂像環中完全吻合上、菱錐的晶體不再明顯時就是被攝目標的物距調節到清晰了。

　　有源超聲波測距：通過發射具有特徵頻率的超聲波對被攝目標的探測，使用發射出特徵頻率的超聲波和反射回接受到特徵頻率的超聲波所用的時間，換算出距離，也就是物距，利用伺服電路驅動調節焦距的微型馬達，達到自動調焦的目的。

　　有源主動紅外測距以及現代激光技術測距：二者在原理上基本相似。這類方式在應用上目標精度極高，由此而來的高成本也是可想而知的。且體積一般都比較大，維護也相當困難，不過在高檔攝影器材中已經有了一些使用這類技術簡化版的產品出現。

　　對焦過程結束後，各位攝影師就該準備按下快門永久保存下令人感動的瞬間了。那麼具體的物象是如何變成一系列的光電信號的呢？讓我們接着說說感光元件那些事。

　　感光元件

　　相比傳統的膠片相機來說，數碼相機最大的改變就是將感光元件從膠片轉變爲了CCD/CMOS。傳統膠片相機使用銀鹽作爲感光材料，即膠捲作爲感光元件，拍攝後還需經過沖洗才能得到最終成片。不但無法第一時間得知最終效果而且在保存上也不太方便。而數碼相機的“膠捲”就是其成像感光元件，它與相機融爲一體，是數碼相機的心臟。感光元件是數碼相機的核心，也是最關鍵的技術。數碼相機的發展道路，可以說就是感光元件的發展道路。目前數碼相機的核心成像部件有兩種：一種是CCD，一種是CMOS。

　　CCD的全稱是Charge Couple Device，翻譯過來就是“光電荷耦合器件”，CMOS的全稱是Complementary Metal-Oxide Semiconductor，是“互補金屬氧化物半導體”的意思。CCD和CMOS的工作原理有一個共通點，那就是都是用光敏二極管來作爲光-電信號的轉化元件。

　　它們每個感光元件的像素點分別對應圖像傳感器中的一個像點，由於感光元件只能感應光的強度，無法捕獲色彩信息，因此彩色CCD/CMOS圖像傳感器必須在感光元件上方覆蓋彩色濾光片。在這方面，不同的傳感器廠商有不同的解決方案，最常用的做法是覆蓋RGB紅綠藍三色濾光片，以1：2：1的構成由四個像點構成一個彩色像素（即紅藍濾光片分別覆蓋一個像點，剩下的兩個像點都覆蓋綠色濾光片），這種解決方案就是大名鼎鼎的拜耳濾鏡。

　　拜耳濾鏡示意圖

　　在接受光照之後，感光元件產生對應的電流，電流大小與光強對應，因此感光元件直接輸出的電信號是模擬的。在CCD傳感器中，每一個感光元件都不對此作進一步的處理，而是將它直接輸出到下一個感光元件的存儲單元，結合該元件生成的模擬信號後再輸出給第三個感光元件，依次類推，直到結合最後一個感光元件的信號才能形成統一的輸出。

　　由於感光元件生成的電信號實在太微弱了，無法直接進行模數轉換工作，因此這些輸出數據必須做統一的放大處理。這項任務是由CCD傳感器中的放大器專門負責，經放大器處理之後，每個像點的電信號強度都獲得同樣幅度的增大。但由於CCD本身無法將模擬信號直接轉換爲數字信號，因此還需要一個專門的模數轉換芯片進行處理，最終以二進制數字圖像矩陣的形式輸出給專門的中央控制器處理芯片。

　　而CMOS傳感器中每一個感光元件都直接整合了放大器和模數轉換邏輯（ADC），當感光二極管接受光照、產生模擬的電信號之後，電信號首先被該感光元件中的放大器放大，然後直接轉換成對應的數字信號。

　　CCD與CMOS工作示意圖

　　CMOS和CCD圖像傳感器的主要區別就是CMOS本身就有ADC，而CCD只能使用外部的ADC。CMOS圖像傳感器集成的ADC能夠直接將模擬的電壓信號直接轉換成二進制的數字信號。這些數字信號將被進一步處理後最終根據不同的色度要求形成紅、綠、藍三種色彩信道，通過相應的像素來顯示出具體的顏色和深度。除此之外，還有一主要區別在於讀出信號所用的方法。CCD的感光元件除了感光二極管之外，還包括一個用於控制相鄰電荷的存儲單元，CCD感光元件中的有效感光面積較大，在同等條件下可接收到較強的光信號，對應的輸出電信號也更明晰。

　　而CMOS感光元件的構成就比較複雜，除處於核心地位的感光二極管之外，它還包括放大器與模數轉換電路，每個像點的構成爲一個感光二極管和三顆晶體管，而感光二極管佔據的面積只是整個元件的一小部分，造成CMOS傳感器的開口率遠低於CCD（開口率：有效感光區域與整個感光元件的面積比值）；這樣在接受同等光照及元件大小相同的情況下，CMOS感光元件所能捕捉到的光信號就明顯小於CCD元件，靈敏度較低。

　　體現在輸出結果上，就是CMOS傳感器捕捉到的圖像內容不如CCD傳感器來得豐富，噪點較明顯，這也是早期CMOS傳感器只能用於低端場合的一大原因。CMOS開口率低造成的另一個麻煩在於，它的像素點密度無法做到媲美CCD的地步，因此在傳感器尺寸相同的前提下，CCD的像素規模總是高於同時期的CMOS傳感器。

　　但隨着科技的日漸進步，CMOS的製作工藝有了大幅度的提高，已經取代了CCD成爲了現今數碼相機的主流感光元件。一個生動的畫面通過上述複雜的機內處理，變成了一系列二進制的數字信號，感光元件的任務就此結束。下面要開始忙活的，就是相機的大腦——處理器。

　　處理器

　　數碼相機中處理器主要分兩類，中央處理器和圖像處理器。前者是數碼相機的大腦，數碼相機的一切動作，例如開機自檢、錯誤處理等，都由中央控制器發出。中央控制器是一塊可編程的DSP（Digital Signal Processing 數字信號處理），在外圍或其內部，有一個小容量的FLASH，負責存放一些程序語句。中央控制器按照這些程序語句對相機的各種操作做出反應，例如對環境的光線強度做出判斷、調節感光二極管放大器的放大率、用不用閃光燈、採用何種快門速度和光圈等。

　　另外的圖像處理器中除了要把每一個像素點的顏色計算出來外，還要把它們按照一定的時鐘週期進行排列，組成完整的圖像。在某些場合還要對圖像進行一定格式的壓縮，使圖像的容量更小。圖象處理器實質上也是一塊可編程的DSP處理器。事實上，圖像處理器算法的好壞對處理出來的圖像質量影響很大。

　　在感光元件將實際景物轉換爲一系列二進制的數字信號後，ADC就會將數字信息流傳遞給數字信號處理器DSP。在DSP中，大量的數字信息經一系列預設的程序指令後整合成完整的圖像。這些指令包括繪製圖像傳感器數據、分配每個像素的顏色和灰度。在單一傳感器數字相機中，如果只有一個彩色濾鏡陣列，算法程序將主要進行每個像素的顏色數據處理，通過分解臨近的像素顏色來決定某一特定像素的具體色值。

　　如果使用RGB顏色的話，那麼組成最終圖像的每個像素的顏色都可以看成是三原色的合成。在對電壓/電流信號進行量化以後，圖象處理器要對像素的顏色進行計算。例如，在R單元得到的數值是255，在G單元得到的是153，在B單元得到的是51，那麼，圖象處理器按照本身定義的算法，將以上三個值代入，得到一個R值爲255、G值爲153、B值爲51的顏色。通過如上步驟，最終的圖像才能夠顯示出自然的顏色。

　　每個廠商設計的處理程序各不相同，他們通過各不相同的色彩平衡與色飽和度設置來生成彩色圖像。數碼相機還運用一個或者多個DSP以及其他設備來共同處理所得數據，以期達到完美畫質，並且充分考慮消費者對畫質偏好的選擇權利。如果想要拍下本不需要的噪點，或者通過電子快門來實現霧化效果，這些需求製造商都是通過對算法處理程序進行相應的修正來滿足的。類似的程序修正還有很多，例如圖像銳化的應用，白平衡的預設等等。所以我們可以得出如下的結論——各個製造商所產數碼相機的最大不同就在於圖像處理過程的種種算法差異，而這也是導致各廠家影像風格不同的最主要原因。

　　看到這裏，大家應該知道所謂的“尼康銳、佳能魅”的原因了吧，攝影師在得到豔麗的照片後就就該琢磨怎麼把它保存下來了，而這也就是照片生產過程中的最後一步——存儲工作了。

　　存儲器

　　存儲器一般是數碼相機的外設部分，因爲數碼相機的內部一般只會安裝很小容量的FLASH芯片，這對拍攝高分辨率的照片來說是遠遠不夠的。一般的外設存儲器有CF（Compact Flash）、SM（Smart Media）、MMC（Multi Media Card）、SDC（Secure Digital Card）、MSD（Memory Stick Duo）、IBM的微型硬盤等。但就一般而言，這些存儲器除了IBM的產品以外，其他的都是採用閃存FLASH來作爲存儲部件的。我們就從FLASH的內部微觀結構來看它是怎麼保存數據的。

　　FLASH中絕緣柵MOS管的底層是一個晶體管的NP結，在這個NP結的上面有一個被場氧化物所包圍的多晶硅浮空柵。這個浮空柵的“浮空”構成了MOS管的源極、漏極之間的導電溝。如果這個浮空柵上有足夠的電荷存在而不用依賴電源，那麼就可以使MOS管的源極、漏極導通，在斷電的情況下也可以達到保存數據的目的。

　　在MOS管的源極和柵極之間加一個正向的電壓，使浮空柵上的電荷向源極擴散，那麼源極、漏極不導通；如果在源極和柵極之間加一個正向的電壓U-1，但同時也在源極和漏極之間加一個正向的電壓U-2，而且U-2總是小於U-1，那麼源極上的電荷就向柵極上擴散，使浮柵帶上電荷，這樣就可以使源極、漏極導通。因爲浮柵是“浮”空的，沒有放電迴路，浮柵上的電荷可以在斷電的情況下很長時間不向其他地方擴散，使源極和漏極保持“開/關”。