尼康数码相机

在过去二十年里，消费电子产品的大多数重要技术突破实际上可归结于一项更大意义上的突破。仔细观察就会发现，CD、DVD、高清电视、MP3和DVR其实都是基于相同的原理，即：将传统的模拟信息（用起伏波表示）转变为数字信息（用1和0，或比特表示）。这一技术上的根本转变完全改变了我们处理图像和声音信息的方式，使许多事情成为可能。

数码相机的出现是这一转变最显著的例子——它与传统相机存在本质上的差异。传统相机完全依赖化学和机械工艺——你甚至不需要用电来操作相机。而所有数码相机都内置有计算机，并且都以电子形式记录图像。

这种新方法已经获得巨大成功。由于目前胶卷提供的照片质量仍然高于数码相机，因此数码相机还没有完全取代传统相机。但是，随着数字图像技术的进步，数码相机已经迅速超越传统相机，将变得更加普及。

在这篇文章中，我们将一起了解这类神奇数码装置的具体工作原理。

	数码相机工作原理

了解基本原理

假设你想拍一张照片并通过电子邮件发送给朋友。要实现这一点，你必须借助计算机能够识别的语言来表示这个图像，即比特和字节。数字图像本质上仅仅是由1和0组成的长字串，1和0可用来表示微小的色点（或像素），所有色点（或像素）共同组成图像。（有关数据的取样及数字化表示方面的信息，请参见对声波数字化进行的说明。光波数字化的原理与此类似。）

如果你希望将一张照片转变成数字形式，可以采用两种方法：

• 第一种方法是先使用传统胶卷相机拍摄一张照片，然后通过化学方式处理胶卷，并将其打印在相纸上，然后使用数字扫描仪对打印照片进行取样（将光图记录为一系列的像素值）。
• 第二种方法是可以直接对拍摄对象所反射的原始光进行采样，直接将光图分解为一系列像素值。换句话说，你可以使用数码相机。

从最根本来说，这正是数码相机要实现的功能。数码相机也和传统相机一样，包含一系列镜片，使光线聚焦、景物成像。但是，数码相机不是使光线聚焦在胶卷上，而是聚焦在能够借助电子形式记录光的半导体装置中，然后通过计算机将这种电子信息分解为数字数据。数码相机正是因为这一过程而变得好玩和有趣。

在以下几个部分，我们将一起了解数码相机是如何实现这些功能的。

精彩实录 你可以使用300万像素的数码相机拍摄比计算机显示器分辨率还要高的照片。 你可以通过网页浏览器查看JPEG格式的数码照片。 柯达(Kodak)和苹果(Apple)于1994年出售了各自第一部面向消费者的数码相机。 索尼(Sony)于1998年出乎意外地售出70多万部便携式摄像机，它们都具有一定的透视衣服的能力。

无胶卷相机

CMOS图像传感器

数码相机不用胶卷，而是使用传感器将光转化为电荷。

大多数数码相机所使用的图像传感器是电荷耦合装置（CCD）。而有些数码相机使用互补金属氧化物半导体（CMOS）技术。CCD和CMOS图像传感器都能够将光转化为电子。如果你已经阅读了太阳能电池工作原理，你就会了解完成这种转化的相关技术。理解这类传感器的一种简便方法就是想象存在由几千或几百万个微小太阳能电池组成的二维矩阵。

传感器将光转化为电子后，读取图像中每个“电池”的值（累积电荷）。两类主要传感器之间存在的差异就体现在这个环节：

• CCD将电荷传送到芯片上并在矩阵的某个角落读取电荷。接着由模数转换器（ADC）测量每个感光单元的电荷数量并将测量结果转换为二进制形式，从而将每一个像素的值转换为二进制数字形式的值。

• CMOS装置则在每一个像素中使用几个晶体管，并借助更多传统的电路将电荷放大并移动。由于CMOS信号是数字信号，因此无需使用ADC。

光子撞击感光单元并释放电子

两类传感器各有优缺点：

DALSA供图 CCD传感器

• CCD传感器形成的图像质量高、噪声低。CMOS传感器通常更容易受到噪声的影响。
• 由于CMOS传感器中的每一个像素旁边都存在多个晶体管，因此CMOS芯片的感光度更低。许多光子没有撞击到光敏二极管，而是撞击到这些晶体管上。
• CMOS通常消耗很少的能量。而CCD则不同，其使用的工序耗能很大。CCD消耗的能量是同等CMOS传感器的100倍。
• CCD传感器投入量产的时间更长，因此更加成熟。这类传感器具有更高的像素质量和数量。

虽然两类传感器存在许多差异，但它们在相机中的作用是相同的，都是将光转化为电。如果只是为了了解数码相机的工作原理，可以把它们看作是几乎相同的装置。

分辨率

相机能够捕捉到的细节度称为分辨率，用像素来衡量。相机的像素越多，能够拍摄的细节就越多，照片也就可以越大而不变得模糊或产生“颗粒”。

常见的几种分辨率包括：

• 256x256：在非常廉价的相机中可以找到，由于分辨率太低，画质几乎总会无法让人接受。总像素为65,000。
• 640x480：这是大多数真正意义上的相机所具有的起始分辨率，是通过电子邮件发送或在网站发布照片的理想选择。
• 1216x912：图像大小达到百万像素（总像素为1,109,000），可用来打印照片。
• 1600x1200：总像素接近200万，属于“高分辨率”。你可以用大约10 x 13厘米的相纸打印用该分辨率拍摄的照片，其质量和照相馆拍出来的不相上下。
• 2240x1680：在400万像素相机中可以找到这种分辨率，该分辨率允许打印更大的照片，能够获取高质量打印效果的最大图像尺寸大约是41 x 51厘米。
• 4064x2704：这是目前业界较高技术水平的1110万像素数码相机在拍照时使用的分辨率。如果使用这种分辨率，你可以打印的照片尺寸大约是34 x 23厘米，而画质不会出现任何失真。

Morguefile供图 使用不同分辨率拍摄的图像大小

高端相机能够捕捉超过1200万像素的图像。某些专业相机支持超过1600万像素，大幅相机甚至达到2000万像素。相比较而言，惠普公司 (Hewlett Packard) 估计，35mm胶卷的质量大约为2000万像素。

接着，让我们一起来了解相机是如何给这些图像上色的。

多少像素？你可能已经发现，像素数量和最大分辨率都无法精确计算。例如，一部210万像素的相机所形成的图像分辨率可能是1600x1200或192万像素。但“210万像素”按理说应该必须至少有210万个像素。 这种错误不是由四舍五入或二进制数学误差造成的。这些数字之间的差距是真实存在的，因为CCD必须包含能够让ADC测量电荷的电路。这类电路被染成黑色，无法吸收光能，导致图像失真。