数码相机成像原理（数码相机工作原理完整解析）

在过去的二十年中，消费电子领域的大多数重要技术突破实际上都可以归功于一场更大的科技革命。仔细观察就会发现，CD、DVD、HDTV、MP3、DVR都是基于同一个原理，就是把传统的模拟信息转换成数字信息。这种根本性的技术变革，彻底颠覆了我们处理图像和声音信息的方式，让很多事情成为可能。

数码相机的出现是这种变化最明显的例子——它与传统相机有着本质的不同。随着数码相机的出现，非专业摄影师拍出漂亮照片的机会大大增加。数码相机拍摄的照片也具有色彩鲜艳、画面清晰的特点，照片的后期处理更加方便快捷。但是没有多少人知道数码相机是怎么工作的，这些工作原理和传统胶片相机有什么相似之处。今天我们就按照数码照片的形成过程，从镜头、感光元件、处理器到存储系统，一步步学习数码相机的工作原理。

照相机的数字化进程

数码相机的历史可以追溯到电视出现的20世纪40年代和50年代。随着电视的普及，人们需要一种能够记录正在播放的电视节目的设备。1951年，宾·克罗斯比实验室发明了录像机(VTR)，一种能将电视广播中的电流脉冲记录在磁带上的新机器。到1956年，录像机开始大规模生产。同时被视为电子成像技术的诞生。

第二个里程碑事件发生在20世纪60年代的美国国家航空航天局。在宇航员被送上月球之前，美国宇航局必须勘测月球表面。然而，工程师发现探测器传输的模拟信号与宇宙中的其他射线混合在一起，而且非常微弱，地面上的接收器无法将信号变成清晰的图像。所以工程师们不得不寻找另一种方法。

1970年是图像处理行业具有里程碑意义的一年，贝尔实验室发明了CCD。当工程师用计算机对CCD获得的图像信息进行数字化处理时，所有的干扰信息都被消除了。后来的“阿波罗”登月飞船上安装了CCD器件，这就是数码相机的雏形。得益于这项技术，在阿波罗登月的过程中，NASA接收到的数字图像非常清晰。

阿波罗传回的数字图像

之后数字图像技术发展更快，主要得益于冷战时期的技术竞争。这些技术主要用于军事领域，大部分间谍卫星都采用数字图像技术。

在数码相机发展史上，不得不提索尼。1981年8月，索尼首次在电视摄像机中采用CCD，作为传感器将光线直接转换成数字信号。目前索尼每年生产的感光元件也占据了全球市场的很大一部分，这也是索尼能够在今天的感光元件市场上脱颖而出的一个原因，因为核心的命脉掌握在自己手中。

冷战结束后，军备科技竞争迅速转变为市场科技霸权。1995年，生产传统相机并拥有强大胶片生产能力的柯达公司向市场发布了其成熟的消费级数码相机DC40。这被很多人视为数码相机市场形成的开始。DC40使用4MB的内置内存，不能使用其他可移动存储介质。其38万像素CCD支持生成756×504的图像，兼容Windows 3.1和DOS。苹果的QuickTake 100也在市场上推出。当时，两台摄像机都提供了与计算机的串行连接。

柯达DC40

从那时起，数码相机如雨后春笋般涌现，并由各种相机制造商推出。感光元件像素不断增加，创意功能不断翻新，拍出的影像效果越来越接近并超越传统相机。

镜头

人类的眼睛感知五彩缤纷的世界，而相机用镜头捕捉美丽的风景。人们眼中的客观场景，其实是光学信息的一种表达。景物反射不同亮度和光谱的光来表现不同的颜色。相机是为了永久保存某一时刻的光线。传统的相机是把这些光线转换成胶片上化学物质的变化，而这些胶片只是半成品，还需要进一步的化学反应才能冲洗出来。可以看出，传统胶片相机的拍摄过程完全是光信号和化学信号的转换过程。

但无论其最终的存储介质是什么，数码相机的本质都是将一组具有一定亮度和光谱的光转换成一串二进制数，然后存储在某种记录介质上，属于光信号和电信号之间的转换。但无论是数码相机还是传统相机，首先接收的都是场景的光学信息，所以光学镜头是必不可少的第一个部件，拍摄场景的信息必须经过光学镜头才能到达成像设备。

镜头的作用是将外界目标物体反射的光线通过其特定的形状汇聚折射到光敏器件上。类似的工作状态有点像我们小时候在科学课上学到的。凸透镜用来聚集光线以产生更多的光。

通过镜头确认要拍摄的物体后，我们将相机的镜头对准目标物体。此时，物镜或物镜组会根据自动对焦系统的控制信号，调整其与光敏器件之间的距离，使物体的图像正好落在光敏器件上，从而形成清晰的图像。镜头自动对焦系统的工作原理是我们要讨论的重点之一。

现在数码相机的自动对焦镜头大多是通过间接测量物距来对焦的。它利用一些可用于获取物距的间接测距方法，通过计算，由伺服电路驱动调节焦距的微型电机带动聚焦透镜组轴向移动，从而达到自动调节焦距的目的。间接测距常用的方法有被动光学基线测距、主动超声波测距、主动红外测距以及现代激光技术在测量领域的应用。

被动光学基线测距:熟悉摄影的朋友都知道，这是一种利用取景器中的光学基线原理来调整焦距的方法，得到磨砂、龟裂的图像，菱形等手段。磨砂颗粒最细腻的时候，被摄物体的物距调整到场景物体在两个半圆形的分割像环中完全匹配时清晰，菱形的晶体不再明显。

主动式超声波测距:通过发射特征频率的超声波来探测物体，利用发射特征频率的超声波和反射特征频率的超声波所用的时间来换算距离，即物距，利用伺服电路驱动微型电机来调节焦距，达到自动对焦的目的。

主动红外测距和现代激光测距原理基本相似。这种方法在应用中具有极高的目标精度，由此产生的高昂成本可想而知。而且体积一般都比较大，维护起来相当困难。然而，一些使用这种技术的简化版本的产品已经出现在高档摄影器材中。

对焦过程结束后，就是摄影师按下快门永久保存感动瞬间的时候了。那么具体的图像是如何变成一系列光电信号的呢？接下来说一下感光元件。

该传感器

与传统胶片相机相比，数码相机最大的变化是将感光元件由胶片改为CCD/CMOS。传统胶片相机使用银盐作为感光材料，即胶片作为感光元件，拍摄后需要显影才能得到最终胶片。不仅不能第一时间知道最终效果，也不方便保存。数码相机的“胶片”就是它的成像感光元件，与相机融为一体，是数码相机的心脏。感光元件是数码相机的核心和关键技术。数码相机的发展可以说是感光元件的发展。目前数码相机的核心成像元件有两种:一种是CCD，一种是CMOS。

CCD的全称是电荷耦合器件，翻译过来就是“光电荷耦合器件”，CMOS的全称是互补金属氧化物半导体，意思是“互补金属氧化物半导体”。CCD和CMOS的工作原理有一个共同点，就是都使用光电二极管作为光电信号转换元件。

每个光敏元件的像素对应于图像传感器中的图像点。由于感光元件只能感知光的强度，而不能捕捉颜色信息，因此彩色CCD/CMOS图像传感器必须覆盖感光元件上方的彩色滤光片。在这方面，不同的传感器制造商有不同的解决方案。最常见的方法是覆盖RGB红、绿、蓝滤镜，由四个像素按1: 2: 1的比例组成一个彩色像素(即红、蓝滤镜分别覆盖一个像素，剩下两个像素覆盖绿滤镜)。这个解决方案就是著名的拜尔过滤器。

拜耳滤波图

光敏元件接收到光线后会产生相应的电流，电流的大小与光强相对应，所以光敏元件直接输出的电信号是模拟的。在CCD传感器中，每个光敏元件对此不做进一步处理，而是直接输出到下一个光敏元件的存储单元，将该元件产生的模拟信号合并后输出到第三个光敏元件，以此类推，直到最后一个光敏元件的信号合并形成统一输出。

因为光敏元件产生的电信号太弱，不能直接转换成模拟，所以输出数据必须均匀放大。这项任务由CCD传感器中的放大器专门负责。经过放大器处理后，每个像点的电信号强度增加了相同的幅度。但由于CCD本身不能直接将模拟信号转换成数字信号，需要专门的模数转换芯片进行处理，最终以二进制数字图像矩阵的形式输出到专门的中央控制器处理芯片。

而CMOS传感器中的每个光敏元件直接与放大器和模数转换逻辑(ADC)集成。当光敏二极管接收到光线并产生模拟电信号时，电信号首先被光敏元件中的放大器放大，然后直接转换成相应的数字信号。

CCD和CMOS操作示意图

CMOS图像传感器和CCD图像传感器的主要区别在于CMOS本身有ADC，而CCD只能使用外部ADC。集成CMOS图像传感器的ADC可以直接将模拟电压信号转换为二进制数字信号。这些数字信号会被进一步处理，最终按照不同的色度要求形成红、绿、蓝三色通道，由相应的像素显示出具体的颜色和深度。此外，用于读出信号的方法还有另一个主要区别。除了光电二极管之外，CCD光敏元件还包括用于控制相邻电荷的存储单元。CCD光敏元件的有效感光面积大，在相同条件下可以接收到较强的光信号，相应的输出电信号更清晰。

然而，CMOS光敏元件的组成更加复杂。除了核心位置的光敏二极管外，还包括一个放大器和一个模数转换电路。每个像素由一个光敏二极管和三个晶体管组成，光敏二极管占据的面积只是整个元件的一小部分，导致CMOS传感器的孔径比远低于CCD(孔径比:有效感光面积占整个感光元件的面积比)；这样，在接收相同照度、相同元件尺寸的条件下，CMOS光敏元件捕获的光信号明显小于CCD元件，灵敏度较低。

反映在输出结果上，CMOS传感器拍摄的图像没有CCD传感器拍摄的图像丰富，噪点明显，这是早期CMOS传感器只能用于低端场合的一大原因。CMOS的低开口率带来的另一个麻烦是，它的像素密度比不上CCD。所以在传感器尺寸相同的前提下，CCD的像素尺寸总是高于同期的CMOS传感器。

但是随着科技的进步，CMOS的制造工艺有了很大的提高，已经取代CCD成为数码相机的主流感光元件。一个生动的画面通过以上复杂的机内处理转化为一系列二进制数字信号，感光元件的任务就结束了。接下来要忙碌的是相机的大脑——处理器。

处理器

数码相机中有两种主要类型的处理器，中央处理器和图像处理器。前者是数码相机的大脑，数码相机的上电自检、错误处理等所有动作都由中央控制器发出。中央控制器是可编程DSP(数字信号处理)。在外围或者内部，有一个小容量的FLASH，负责存储一些程序语句。根据这些程序语句，中央控制器响应各种相机操作，比如判断环境的光线强度，调整光电二极管放大器的放大倍数，是否使用闪光灯，使用什么快门速度和光圈等。

另外，在图像处理器中，除了计算每个像素的颜色外，还需要按照一定的时钟周期对它们进行排列，形成完整的图像。在某些情况下，需要对图像进行一定格式的压缩，使图像的容量更小。图像处理器本质上是可编程DSP处理器。其实图像处理器算法对处理后的图像质量影响很大。

光敏元件将实际场景转换成一系列二进制数字信号后，ADC会将数字信息流传输到数字信号处理器DSP。在DSP中，大量的数字信息经过一系列预设的程序指令后，整合成一幅完整的图像。这些指令包括绘制图像传感器数据和分配每个像素的颜色和灰度。在单传感器数码相机中，如果只有一个滤色器阵列，算法程序将主要处理每个像素的颜色数据，通过分解相邻像素颜色来确定特定像素的具体颜色值。

如果使用RGB颜色，那么组成最终图像的每个像素的颜色都可以看作是三原色的组合。量化电压/电流信号后，图像处理器计算像素的颜色。例如，在R单位中获得的值是255，在G单位中获得的值是153，在B单位中获得的值是51。然后图像处理器根据自己定义的算法代入上述三个值，得到R值为255，G值为153，B值为51的颜色。通过以上步骤，最终的图像可以呈现自然的颜色。

每个制造商设计不同的处理程序，他们通过不同的色彩平衡和色彩饱和度设置来生成彩色图像。数码相机还使用一个或多个DSP和其他设备共同处理获得的数据，以达到完美的画质，并充分考虑消费者选择画质偏好的权利。如果想拍出不必要的噪点，或者使用电子快门达到雾化效果，这些要求都是厂商通过相应修改算法处理程序来满足的。类似的程序修正还有很多，比如图像锐化的应用，白平衡的预置等等。所以我们可以得出以下结论——各厂商生产的数码相机最大的区别在于图像处理过程中的算法差异，这也是各厂商图像风格不同的主要原因。

看到这里，你应该知道所谓“尼康夏普和佳能魅力”的原因了。摄影师拿到华丽的照片后，要思考如何保存，而这是照片制作过程中的最后一步——储存。

仓库

一般来说，内存是数码相机的外围部分，因为数码相机内部只安装了小容量的FLASH芯片，对于拍摄高分辨率照片来说远远不够。一般的外设存储器有CF(Compact Flash)、SM(Smart Media)、MMC(Multi Media Card)、SDC(Secure Digital Card)、MSD(Memory Stick Duo)、IBM的微型硬盘等。但总的来说，除了IBM的产品，这些存储器都是用闪存做的。从FLASH的内部微观结构可以看出它是如何存储数据的。

FLASH中绝缘栅MOS晶体管的底层是晶体管的NP结，其上有一个多晶硅浮栅空栅，被场氧化层包围。这个浮动空栅极的“浮动空”构成MOS管的源极和漏极之间的导电沟槽。如果在不依赖电源的情况下，浮栅空上有足够的电荷，那么MOS管的源极和漏极就可以导通，即使断电也可以达到数据存储的目的。

在MOS管的源极和栅极之间施加正电压，使浮置空栅极上的电荷扩散到源极，使源极和漏极不导通；如果在源极和栅极之间施加正电压U-1，但是在源极和漏极之间也施加正电压U-2，并且U-2总是小于U-1，那么源极上的电荷将扩散到栅极，对浮栅充电，从而使源极和漏极导电。因为浮栅是“浮置”空，没有放电回路，所以在断电的情况下，浮栅上的电荷不能长时间扩散到其他地方，使源漏保持“通/断”。

Mos管

这样，控制器通过一定的接口与图形处理器相连。接收到写命令后，可以控制某个MOS管的源极与栅极、源极与漏极的电源导通或关断，从而达到数据存储的目的。

看到这里，相信很多朋友已经大致了解了数码相机各部分的基本工作原理，达到了知彼知彼的新境界。数码相机的普及让更多的人享受到了摄影的乐趣，科技的不断创新也在不断改变着人们的生活。可见，科学技术不仅仅是空中的城堡，还造就了帮助我们留下永恒瞬间的同伴。