数码相机原理1.doc

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。 Your browser does not support JavaScript or it is disabled. 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65000。 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1109000），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。遗憾的是，每个感光单元都是色盲。感光单元只能记录照射到其表面的光线总强度。为了获得全彩图像，多数传感器都使用滤镜，将光线转换为三种基本颜色。相机 记录下这三种颜色之后，再将它们组合形成完整的光谱。 Your browser does not support JavaScript or it is disabled. 这三种颜色如何混合形成多种颜色？ 数码相机记录这三种颜色的方式有多种。质量最好的相机使用三个独立的传感器，各自使用不同的滤镜。光束分束器将光导向不同的传感器。想象光进入 相机就和水流过水管一样，使用光束分束器就像是将相同数量的水分流到三条不同的水管中。每个传感器都以同样的方式捕获图像，但是因为使用的滤镜不同，每个 传感器只能对一种基本颜色做出响应。原始图像（左）在光束分束器中被分割这种方法的优点是相机在每个像素位置记录下这三种颜色。遗憾的是，使用采用这种方法的相机通常体积较大，价格昂贵。另一种方法是在唯一的传感器前面旋转一系列红、蓝、绿滤镜，该传感器快速连贯地记录这三种独立的图像。这种 方法能够提供每个像素位置的三色信息，但是，由于这三种图像不是在精确的同一时刻拍摄，相机和拍照对象必须为这三次记录保持静止状态。这种方法对于抓拍摄 影或手持相机来说不实用。Your browser does not support JavaScript or it is disabled. 旋转滤镜 这两种方法都非常适合专业的摄影棚相机使用，但它们不一定适用于随意抓拍。一个用来记录基本颜色的更加经济实用的方法是在每个独立的感光单元上 面永久放置一个称为“色彩滤镜矩阵”的滤镜。通过将传感器分割成红、蓝、绿各种像素，每个传感器周围都能够获取足够的信息，从而能够对该位置的真实颜色做 出非常准确的判断。参照同一传感器相邻位置的其他像素并做出有根据的判断过程称为“插补”。最常见的滤镜模式为贝尔滤镜模式。该模式交替使用一排红、绿滤镜和一排蓝、绿滤镜。像素并不是平均分布：绿色像素的数量是蓝色和红色像素数量的 总和。这是因为人眼对这三种颜色的敏感程度不同，因 此必须包含更多的绿色像素信息，以便在视觉上形成“真实颜色”的图像。这种方法的优点是仅使用一个传感器，而且所有颜色信息（红、蓝、绿）都是在同一时刻记录的。这就意味着相机外形可以做得更小、价格更便宜且适用 场合更加广泛。贝尔滤镜传感器的原始输出是由强度不等的红、绿、蓝像素组成的马赛克。数码相机使用专用的去马赛克算法将这个马赛克转换成具有真实颜色、大小相等的马赛克。关键是每个色彩像素都被多次使用。某个像素的真实颜色由其 周围最近的像素值的平均数确定。Your browser does not support JavaScript or it is disabled. 去马赛克算法的工作原理 某些单传感器相机使用不同于贝尔滤镜模式的其他方案。例如X3 技术就在硅中置入红、绿、蓝光探测器。某些更先进的相机不是组合红、绿、蓝，而是使用排版颜色（青、黄、绿、绛红）对数值进行减法运算。甚至还 有使用两个传感器的方法。然而，当今市场的多数消费相机都是使用单个传感器，交替使用绿、红和绿、蓝滤镜排。曝光与聚焦数码相机和使用胶卷的传统相机一样，也需要控制进入传感器的光线数量。数码相机使用两个要素来实现这一点：光圈和快门速度， 这两个要素也存在于传统相机。 光圈：相机的开孔大小。多数数码相机使用自动光圈，但是也有一些允许手动调节光圈，方便专业人士和业 余爱好者更好地控制最终图像。 快门速度：光线通过光圈的时间总和。数码相机使用的光传感器和胶卷相机不同，光传感器可以用电子方式 进行重置，因此数码相机使用的是数字快门，而不是机械快门。以上两个要素相互配合，共同捕捉形成高质量图像所需的光线数量。用摄影术语来说就是，两者共同调节传感器的曝光。你可以阅读相机工作原理，了解有关相机光 圈和快门速度的知识。相机除了要控制光线数量以外，还必须调节镜头，以控制光线在传感器上的聚焦方式。数码相机的镜头通常和传统相机镜头非常相似，甚至有些数码相机 也使用传统镜头。大部分数码相机采用自动聚焦技术，你可以阅读自动聚焦相机工作原理一 文以了解更多相关信息。然而，焦距是数码相机镜头和35mm相机镜头之间的一项重大差异。焦距是指镜头到传感器表面的距离。不同制 造商生产的传感器规格差别很大，但它们通常都比一张35mm胶卷短。为了将图像映射到更小的传感器上，焦距也按照相同的比例缩短。（要了解更多有关传感器 规格的知识及其与35mm胶卷有何不同，请访问 P 网站。） 此外，当你在相机中浏览时，焦距可以用来确定图像的缩放比例。在35mm相机中，使用50mm镜头可以获得拍摄对象的正常比例图像。扩大焦距可 以使拍摄对象放大，看起来距离更近；缩小焦距则效果相反。变焦镜头是指可调节焦距的镜头，数码相机可以使用光学变焦或数字变焦，有些两者都可使用。此外， 有些相机还具备微距调焦功能，即相机可以靠近对象做近距离拍摄。数码相机使用以下四种镜头： 定焦镜头：这是廉价的一次性胶卷相机所使用的镜头，价格便宜且非常适合抓拍，但是很受局限。 可自动调焦的光学变焦镜头：类似于摄像机的镜头，具备“广角”与“远摄”选项和自动聚焦功能。相机支持或不支持手动调焦。这种镜头不只是 将撞击到传感器上的信息放大，而是真正改变了镜头的焦距。 数字变焦镜头：有了数字变焦，相机就能够在图像传感器中央获取像素并进行插补，以形成完整大小的图像。这种方法形成的图像可能有颗粒感或 较模糊，具体取决于图像的分辨率和传感器。可以用图像处理软件手动演示这种效果：随便拿出一张照片，将照片中央部分剪切掉再放大。 可更换镜头：这和35mm 相机使用的可更换镜头类似。某些数码相机可以使用35mm相机所使用的镜头。接着，让我们一起来了解相机如何存储照片并将照片发送到计算机。HSW Shopper供图 CF闪存卡 多数数码相机都有一个LCD屏，因此，你可以立即浏览拍摄 的照片。这是数码相机的一个主要优点：你可以立即看到自己所拍照片的效果。当然，如果你只满足于通过相机浏览图像，就不免有点小看了数码相机的魅力。其 实，你还可以将照片加载到计算机或直接发送到打印机。实现这些功能的方法很多。 早期数码相机在相机中包含固定存储器，使用者需要借助线缆将相机直接连接到计算机，实现图像传输。如今多数相机都 能够通过串口、并口、SCSI口、USB口或FireWire口实现连接，但 它们通常还需要使用某种移动存储设备。 数码相机使用多种存储系统。这些存储设备就像可重复使用的数字胶卷，可借助盒式阅读器或读卡器将数据传输到计算机。许多相机包含固定或可移动的闪存。数码相机 制造商通常都是开发自己专用的闪存设备，包括 SmartMedia卡、CompactFlash卡 和记忆棒。其他一些移动存储设备包括： 软盘 硬盘或 微盘 可写入CD和DVD不论数码相机使用何种存储设备，都需要大量空间来存储照片。数码相机通常将图像存储为以下两种格式的一种：非压缩格式TIFF和压缩格式 JPEG。多数相机使用JPEG文件格式存储照片，而且有时提供质量等级设置（例如中或高）。以下图表显示的是不同规格的照片产生的文件大小。图像规格 TIFF （未压缩） JPEG （高质量） JPEG （中等质量） 640x480 1.0 MB 300 KB 90 KB 800x600 1.5 MB 500 KB 130 KB 1024x768 2.5 MB 800 KB 200 KB 1600x1200 6.0 MB 1.7 MB 420 KB 为了充分利用存储空间，几乎所有数码相机都使用某种数据压缩格 式，让文件变得更小。数字图像的两个特性使压缩成为可能，一个是重复性，另一个是不相关性。可以想象，整张照片中的颜色会呈现出一些有规律的模式。例如，如果蓝天占据照片的30%，你就可以断定，某些深浅不同的蓝色会反复出现。压缩程 序使用重复出现的模式不会导致信息丢失，图像还可以重建，效果和记录的完全一样。遗憾的是，这种方法无法使文件压缩超过50%，有时甚至无法接近这个水 平。不相关性更加复杂一些。数码相机记录的信息比人眼自然观察到的信息要多。 某些压缩程序利用这一点，剔除一些更加没有多大意义的数据。现在让我们来总结一下数码相机拍摄照片的原理。总结数码相机拍摄照片需要经过几个步骤。以下将从头到至尾回顾CCD相机的工作原理： 将相机对准拍摄对象，调节光学变焦，使距离更近或更远。 轻轻按下快门。 相机自动聚焦拍摄对象并读取可用的光。 相机设置光圈和快门速度，获得最佳曝光。 一直按住快门。 相机重置CCD并将其暴露在光中，同时积累电荷，直到快门关闭为止。 ADC负责测量电荷并生成数字信号，用信号表示每个像素的电荷值。 处理器从其他像素插补数据，生成正常颜色。多数相机在这个阶段都可以通过LCD浏览输出结果。 处理器可能按照预设的比例对数据进行压缩。 信息被存储在某种形式的存储设备中（通常是闪存卡）。HSW Shopper供图 记忆棒 有关数码相机及相关主题的更多信息，请查看下一页的链接博闻网相关文章 摄录一体 机工作原理 单反相机工作原理 自动聚焦 相机工作原理 照 相机闪光灯工作原理 闯红灯照相机工作 原理 摄影胶卷的基础知识 网络摄像机 工作原理 扫描仪工作原 理 光的原理 为什 么网上有那么多种不同的图像格式？ 为什么我的数码照片文件如此庞大，而其他网站上却那么小？ 更多精彩链接 CCD vs. CMOS Image Resolution, Size and Compression Understanding Resolution P 毫无疑问，摄影术是史上最重要的发明之一，它真正改变了人们认知世界的方式。现在，我们可以“看到”各种各样在空间和时间上距离我们很遥远的事 物。有了摄影术，我们就能捕捉美好瞬间，留待未来慢慢追忆。 全手动单镜头反光照相机单反相机工作原理摄影的基本技术非常简单。胶片照相机包括三个基本元件：光学元件（镜头）、化学元件（胶片）和机械元件（照相机机身）。在后文中我们将看到，摄 影的唯一诀窍就是校准并组合这些元件，令其记录清晰图像。 摄影有很多种不同方法。本文将介绍手动单镜头反光 (single-lens-reflex, SLR) 照相机。使用这种照相机时，摄影者看到的图像与曝光至胶片的图像完全一样，并只需转动刻盘和按下按钮就能调节一切。由于拍照时不需要通电，因此手动单反照 相机充分展示了摄影的基本过程。 这种照相机的光学元件是镜头。简单地说，镜头就是一块有弧度的玻璃或塑料。 其作用是吸收物体反射的光束并改变光束方向，让它们会聚形成实像与镜头前的景象完全一样的图像。 但玻璃如何能做到这一点呢？过程其实非常简单。光从一种媒介传播至另一种媒介 时，速度会改变。而光在空气中的传播速度比在玻璃中快，因此镜头会减慢光速。 当光波从某个角度射入玻璃时，一部分光波比另一部分提前抵达玻璃，因此会先开始减速。就像以某个角度把购物车从人行道推入草地。购物车的右轮先 碰到草地并减速，而此时左轮还在人行道上。由于左轮的移动速度暂时快于右轮，因此购物车进入草地时会右拐。 光的原理也一样光从某个角度射入玻璃时，会向一个方向偏转。当光射出玻璃时，部分光波会先于其他部分进入空气并加速，于是再次发生偏转。标 准会聚透镜（或凸透镜）玻璃有一面或两面向外弯曲。这表示穿过透镜的光线在射入时会向透镜中心偏转。而对于双凸透镜（如放大镜）来说，光线在射入和射出时 都会偏转。 这实际上颠倒了物体发出光线的路径。光源（如蜡烛）会向各个方向发光。所有光线都始于同一点蜡烛的火焰，然后不断发散。会聚透镜吸收这些光 线并改变其方向，让它们重新会聚到一点，在光线会聚的地方，就能看到蜡烛的实像。后面几节将介绍影响实像形成的一些可变因素。 我们已经知道实像是由穿过凸透镜的光线形成的。而实像的性质会根据光穿过透镜的方式（即光线路径） 发生改变。光线路径又取决于两大因素： 光束射入透镜的角度 透镜的结构 光的入射角随物体与透镜之间的距离变化而变化，如下图所示。铅笔离透镜越近，铅笔尖反射的光束射入透镜的角度就越小；铅笔离透镜越远，入射 角就越大。但总的来说，不管光束怎样射入，透镜都只会将其偏转到某个总角度。结果就是，以越小角度射入的光线会以越大角度射出，反之亦然。透镜上任一点的 总“偏转角”都保持不变。 正如您所见，与远处发出的光束相比，近处发出的光束射出透镜后的会聚点更远。换句话说，近处物体形成的实像比远处物体的实像离透镜更远。 您可以通过简单实验来观察这一现象。在黑暗中点一支蜡烛，在蜡烛和墙之间放一面放大镜。墙上就会出现蜡烛倒立的图像。如果蜡烛的实像不是直接落 在墙上，就会显得有些模糊，因为某个特定点发出的光束未能恰好会聚于此。让放大镜靠近或远离蜡烛，就可以让图像聚焦。 当您转动相机镜头聚焦时，做的正是同一件事让镜头靠近或远离胶片表面。通过转动镜头，就能调准 物体的聚焦实像，令其直接落在胶片表面。 现在您已经知道，无论光束的入射角如何，透镜的任一点都会将其偏转至某个总角度。这个总“偏转角”是由透镜 结构决定的。 镜头中的透镜照相机镜头其实是由多个透镜组合而成的。单个会聚 透镜也能在胶片上形成实像，但大量像差会导致实像变形。 变形的主要原因之一就是，不同颜色的光穿过镜头时偏转程度不同。事实上，这种色像差会导致图像的颜色排列错误。 为此，照相机要用多个不同材料的透镜进行弥补。其中每个透镜对颜色的处理都不同，当它们以特定方式组合到一起时， 就会重新排列各种颜色。 在变焦镜头中，不同的镜头元件可以前后移动。通过改变特定透镜之间的距离，就能调节整个镜头的放大率焦距。形状更圆（中心更凸出）的镜头，其偏转角就更大。基本说来，镜头向外凸出，就会增加镜头上各点之间的距离。这会延长快速光波与慢速光波的传播时 间差，从而增大光的偏转角。 偏转角度增加会产生一个明显效果：某一点发出的光束会在离镜头更近的地方会聚。而在形状更扁平的镜头中，光束的偏转角度较小，因此会在离镜头较 远的地方会聚。换言之，扁平镜头形成的聚焦实像离镜头更远。 增加镜头和实像之间的距离实际上就是增大实像的整体尺寸。想一想，就会发现这非常合理。以放映机为例：放映机离屏幕越远，图像就越大。简单地 说，光束在传播至屏幕的途中会持续扩散。 照相机的基本原理与此相同。随着镜头和实像之间的距离增加，光束进一步扩散，形成更大的实像。但胶片尺寸是固定的。当您使用非常扁平的镜头时， 会产生很大的实像，但曝光至胶片的只有其中间部分。通常来说，镜头都会瞄准画面的中间，并放大您面前的一小部分景象。镜头越圆，形成的实像就越小，因此胶 片表面感应的景象区域就越大（放大率降低）。 专业照相机可供安装不同的镜头，因此能以不同的放大率观看景象。镜头的放大率用焦距表示。照相机的焦距定义为镜头和远距离物体（如月亮）的实像 之间的距离。焦距越长，图像的放大率就越高。 标 准的50毫米镜头缩放图像的程度都不明显。不同的镜头适用于不同的场景。若想拍摄山脉，就要用焦距特别长的长焦镜头。这种镜头可供您瞄准远处的特定元素，从而构建更紧凑的画面。如果要拍 特写镜头，可能就要用广角镜头。这种镜头焦距较短，因此会缩小您面前的景象。即便物体距离照相机仅30多厘米，其整个外观都会曝光至胶片。标准50毫米照 相机镜头缩放图像的效果并不明显，因此非常适合拍摄不近不远的物体。传统照相机的化学元件是胶片。当胶片向实像曝光时，其实就在对光的图案进行化学记录。 记录光线的是许多微小的感光粒子，这些粒子分布在塑料条上的化学悬浮液里。粒子曝光后，就会发生化学反应。 胶卷照完后，就要进行冲洗将胶片置于其他化学物中，这些化学物会与感光粒子起反应。在黑白胶片上，显影化学物会让曝了光的粒子变黑。于是亮 的区域变黑，黑的区域变亮，这样就形成了底片，然后在打印时将其转换成正像。 彩色胶片有三层不同的感光物质，依次对应红色、绿色和蓝色。冲洗胶片时，这三层都置于为胶片各层染色的化学 物中。叠加所有三层的颜色信息，便能得到全色底片。 有关整个过程的全面讲述，请参阅摄影胶卷的基础知识。 至此，我们已经介绍了摄影的基本原理用会聚透镜形成实像，并将这个实像的光图记录到感光材料层上。从概念上说，这就是拍照的全过程。但要捕 捉清晰的图像，还必须严格控制每一个环节。 如果把一张胶片放在地上，并用会聚透镜将实像聚焦至胶片，显然不可能获得有用的照片。一旦暴露在外，胶片上的每个粒子都会彻底曝光。由于没有任 何相对的非曝光区域，因此不可能形成照片。 为了捕捉图像，必须在拍照前让胶片一直处于完全黑暗的状态。当您想记录图像时，再让光进入。就最基本的层面而言，照相机机身就是一个密封盒，盒 子里的快门可以在镜头和胶片之间开闭。事实上，照相机 (camera) 一词是暗箱 (camera obscura) 的缩写，在拉丁语中意指“暗室”。要正确拍摄照片，就必须精确控制射入胶片的光线量。如果射入的光线太多，就会有过多粒子起反应，照片看上去仿佛褪色了。但如果碰触胶片的光线不 够，起反应的粒子又太少，照片就会很暗。 那该怎样调节曝光率呢？有两大因素必须考虑： 穿过镜头的光线数量 胶片曝光的时间 要增加或减少穿过镜头的光线量，必须改变光圈（镜头开口）的大小。为此，可以使用虹彩光圈，它是一系列可以 彼此覆盖着向内折叠或向外伸展的重叠金属板。其实这种机制的工作原理就和人眼的虹膜一样以圆形张开或闭合，从而缩小或扩大镜头的直径。镜头越小，捕捉 的光就越少；镜头越大，捕捉的光也越多。 当 虹彩光圈中的金属板彼此覆盖着向内折叠时，会缩小光圈；向外伸展时则扩大光圈。曝光时间的长短取决于快门速度。大多数单反照相机都使用焦平面快门。这种机制非常简单，主要包括镜头和胶片 之间的两块“帷幕”。在拍照之前，第一帷幕关闭，以防止胶片曝光。拍照时，这块帷幕滑开。一定时间之后，第二帷幕从另一侧滑入，结束曝光。 Your browser does not support JavaScript or it is disabled. 按下照相机的快门按钮时，第一帷幕将滑 开，胶片随即曝光。一定时间之后，第二个遮光器滑闭，结束曝光。这一时间延迟由照相机的快门速度旋钮控制。这个简单动作由许多复杂的齿轮、开关和弹簧控制，就如同手表机芯。当您按下快门按钮，就会松开一个杠杆，让几个齿轮开始运转。您可以转动快门速 度旋钮，旋紧或旋松一些弹簧。这样可以调节齿轮机制，延长或缩短第一帷幕打开和第二帷幕关闭的时间延迟。如果把旋钮设置到非常缓慢的快门速度，快门就会打 开很长时间。如果把旋钮设置到很快的速度，第二帷幕就会紧随第一帷幕闭合，因而每次都只有一小段胶片曝光。 曝光的理想程度还取决于胶片上感光粒子的大小。大粒子比小粒子更能吸收可见光子。粒子大小用胶片感光度表示，感光度就印在胶卷桶上。不同的胶片 感光度适合不同类型的摄影；例如，100 ISO胶片适合在明亮的阳光下进行摄影时使用，而1600胶片只适合在相对微弱的光线条件下进行摄影。 在 手动SLR照相机中，可以看到众多复杂的齿轮和弹簧。点击每张图片，查看高清晰度特写镜头。正如您所见，正确曝光涉及许多问题，您必须调和胶片感光度、光圈大小和快门速度，使其适合拍照时的光线强度。手动单反照相机有内置曝光表可协助 调整。曝光表的主要元件是一组能感应光能的半导体感光器。这些感光器把光能转换成电能，而曝光表系统则根据胶片感光度和快门速度来解析电能。 接下来，我们看看单反照相机如何在拍照前将实像投射到取景器，又如何在按下快门时将其投射至胶片。 SLR照相机与傻瓜照相机市面上有两种消费级胶片照相机单反照相机和傻瓜照相机。两种相机的主要区别在于摄影者看到景象的方式。傻瓜照相机的取景器是穿过机身的一个 简单窗口。摄影者看不到照相机镜头形成的实像，只能大致看到景象。 而在单反照相机中，摄影者可以看到即将呈现在胶片上的真正实像。取下单反照相机的镜头看看内部，就能理解其工作原理。相机的快门和镜头之间有一 面斜镜，斜镜上方有一块半透明玻璃和棱镜。这种布局的工作原理与潜望镜类似实像从下面的镜子反射到半透明玻璃上，而半透明玻璃则充当银幕。棱镜的作用 是翻转屏幕上的图像，让其重新正立，并将它重新投射至取景器窗口。 当您按下快门按钮时，照相机迅速移开镜子，图像就投射至曝光胶片。由于镜子与快门定时器系统相连，因此其开放时间与快门处于打开状态的时间相 同。这也是拍照时取景器突然变黑的原因。 SLR 照相机里的镜子把实像投射至取景器。按下快门按钮时，镜子向上翻转，从而让实像投射至胶片。这种照相机里安装了镜子和半透明屏幕，因此可以按胶片上显示的图像精确呈现实像。这种设计的优点是可以调节焦距和取景，从而拍出您真正想要的照 片。正因如此，专业摄影师通常都用单反照相机。 目前，大多数单反照相机都能选择手动控制和自动控制，而大多数傻瓜照相机都是全自动的。就工作原理而言，自动照相机与手动照相机非常相似，唯一 的差别就是所有控制操作均由中央微处理器代替人完成。中央微处理器从自动对焦系统和曝光表接 收信息，然后激活几个小发动机，让它们调节镜头并开闭光圈。现代照相机的中央微处理器已经变为相当先进的电脑系统。 自动傻瓜照相机用电路板和电机取代了齿轮和弹簧。下一节将介绍另一种截然不同的照相机没有复杂的机械、没有镜头，甚至很少有动件。 我们已通过前文了解到，即便最基本的全手动单反照相机，也是一台错综复杂的机器。但复杂并非照相机的固有属性实际上，照相机的基本元件非常简 单，只需一些廉价部件就能自制一台。 最简单的自制照相机不用镜头生成实像，而是通过小洞聚光。针孔照相机制作简单、使用有趣，唯一的困难是必须自己冲洗胶片。 针孔照相机其实就是个盒子，盒子一侧有一个小洞，对面是胶片或者照相纸。只要盒子其他地方都“不透光”，穿 过针孔的光线就会在胶片上形成实像。其中的科学原理非常简单。 如果在暗室里照亮电筒，光线穿过一块宽纸板上的小洞，就会在对面墙上形成光点。移动电筒，光点也会随之移动，因为电筒发出的光束是以直线穿过小 洞的。 在大的视觉景象中，每个特定的可视点都相当于一只电筒。光在物体的每一点发生反射，并朝各个方向传播。但针孔只让景象每一点发出的细小光束射 入。这些光束以直线传播，因此景象底部的光束会抵达胶片顶部，反之亦然。这样一来，就在与针孔相对的盒子一侧形成景象的倒像。由于洞非常小，所以需要相当 长的曝光时间，才能让足够的光进入。 制作这种照相机的方法很多，一些热衷于此的人甚至用旧冰箱和旧汽车做不透光的盒子。最流行的做法之一是用普通的圆柱形燕麦盒、咖啡罐或类似容 器。而带有可拆卸塑料盖的纸板容器用起来最简便。 您可以按下列几个简单步骤制作这种照相机： 1. 首先，将盖子里外涂黑，以确保盒子不透光。一定要用黑色平光涂料，不要用反光能力较强的反光涂料。 2. 在小罐底部（即盒子不可拆卸的一侧）的中心挖一个火柴盒大小的小洞 3. 剪一块厚实的铝箔或黑色重质纸，尺寸约为小罐底部小洞的两倍。 4. 取一根10号缝纫针，在铝箔中间轻轻钻一个洞。只能把针插进去一半，否则洞会太大。为了达到最佳效果，不妨把铝箔夹在两张硬纸卡中间，旋 转缝纫针穿过去。 5. 把铝箔粘在小罐底部的洞上，让针孔处于中心位置。用黑色胶带把铝箔粘牢，确保光只从针孔穿过。 6. 制作遮光器时，只需要一张基本覆盖小罐底部的黑色重质纸。将纸的一条边牢牢粘在小罐底部的一侧，用作中央针孔的封盖。将封盖的另一条边粘 合到针孔另一侧，在拍照前让封盖一直关闭。 7. 要给照相机装片，只需将任何一种胶片或照相纸放到胶卷桶盖内侧。当然，要让胶片生效，必须在完全黑暗的环境中装片和冲洗。使用这种照相 机，就不能随便将胶片交给照相馆，而必须亲自冲洗或找人帮忙。 想要选择正确的相机设计、胶片类型和曝光时间，通常需要反复试验和改错。但任何一位针孔照相机爱好者都会告诉您，这种实验过程正是自制照相 机最有趣的地方。要了解有关针孔摄影的更多信息并查看一些优秀的相机产品，请查看下一页列出的网站。 在整个摄影史中，出现了数百种不同的照相机系统。但令人惊奇的是，所有这些设计从最简单的自制盒式照相 机到最新的数码相机都包含相同的基本元件：生成实像的镜头系统、记录实像的感光器，以及控制实像向感光器曝光的机械系统。只需稍加研究，您就会发现这 些就是摄影所需的所有主要部件！ 有关更多信息，请查看下一页的链接。在数字化浪潮扑面而来的今天，新技术和新产品越来越多地影响着我们的生活，拥有一件数字化的产品也已成为了一种新时 尚，照相机无疑是最贴近我们日常生活的用品，而数码相机以其独特的性能和特征，大有取代传统相机之势，究竟什么是数码相机，它有那些特点，如何选购、使用 等。下面我们就来给大家介绍一下。 一什么是数码相机？ 所谓数码相机，是一种能够进行拍摄，并通过内部处理把拍摄到的景物转换成以数字格式存放的图像的特殊照相机。与普通 相机不同，数码相机并不使用胶片，而是使用固定的或者是可拆卸的半导体存储器来保存获取的图像。数码相机可以直接连接到计算机、电视机或者打印机上。在一 定条件下，数码相机还可以直接接到移动式电话机或者手持PC机上。由于图像是内部处理的，所以使用者可以马上检查图像是否正确，而且可以立刻打印出来或是 通过电子邮件传送出去。 二数码相机的特点： 与传统的相机相比，数码相机在拍摄质量上还是有一定的差距的。但是，它也有传统相机无法比拟的优势： 数码相机与传统相机相比存在以下五大区别：制作工艺不同、拍摄效果不同、拍摄速度不同、存储介质不同、输入输出方式 不同。其中最大分别在于记录影像的方式,请先看看以下的流程： 传统相机:镜头-底片 数码相机:镜头-感光芯片-数码处理电路-记忆卡 数码相机跟传统相机在影像摄取部份大致相同,主要有拍摄镜头,取景镜头,闪光灯,感光器和自拍指示灯等,所以只看相 机的前面外型,两者可说是没多大分别,但在成像及记录方面,两者的分别就大了。传统相机是利用底片这东西,而数码相机主要靠感光芯片及记忆卡。 虽然单从价钱方面去考虑,数码相机的价钱比传统相机贵,但它有很多优点是传统相机没有的： 1. 即拍即见： 如果你旅游或参加一些重要的约会时用传统相机拍摄，回来后冲洗,赫然发现拍摄的品质不对劲,如太光,太暗,主题被挡 甚或完全没有影像,这时的心情真是难以形容。但用数码相机就不会发生这种情况,因为差不多所有的数码相机会有一个叫液晶显示器(LCD)的东西,它可以立 即显示刚拍下的影像,如果发现不对劲,可以把影像删除,再重新拍摄,直到您满意为止。 2.不必考虑拍摄成本： 用传统相机拍摄,您一般都会特别小心,在同一背景下通常都不会再拍,以免增加冲印费用。但用数码相机就不用担心,因 拍摄后可慢慢选择，将最好的影像拿去打印,其余可删除或储存到硬盘。 3.影像品质永远不变： 用底片或照片记录影像,时间久了,都会褪色及变坏,无法保持原有的质量。相反由数码相机拍下的影像只记录0 和1的资料,可以被正确的储存在计算机硬盘及其它储存媒体中,所以数码影像不论被复制多少次,都可以保持品质一致。 4.可以直接进行编辑使用： 用数码相机拍下的影像可直接下载到计算机内,然后可通过E-mail的方式把影像立即传送给别人或客户,不用花钱和 时间在冲印方面。另外也可以将数码影像应用在网页设计中,把公司的产品通过自身的网站推广到世界每一地方,实为电子商务的必备利器。 5.储存空间少： 数码相机所拍下来的影像只是一堆数据而已,只要用一些细小的储存装置,如硬盘,快闪记忆卡,MO等等,便可存放大量 的影像,比用传统相机要用大量的空间来放底片及照片节省得多。 三数码相机的原理与结构： 数码相机是由镜头、CCD、A/D（模/数转换器）、MPU（微处理器）、内置存储器、LCD（液晶显示器）、PC 卡（可移动存储器）和接口（计算机接口、电视机接口）等部分组成，通常它们都安装在数码相机的内部，当然也有一些数码相机的液晶显示器与相机机身分离。 数码相机中的工作原理如下：当按下快门时，镜头将光线会聚到感光器件CCD（电荷耦合器件）上, CCD是半导体器件，它代替了普通相机中胶卷的位置，它的功能是把光信号转变为电信号。这样，我们就得到了对应于拍摄景物的电子图像，但是它还不能马上被 送去计算机处理，还需要按照计算机的要求进行从模拟信号到数字信号的转换，ADC（模数转换器）器件用来执行这项工作。接下来MPU（微处理器）对数字信 号进行压缩并转化为特定的图像格式，例如JPEG格式。最后，图像文件被存储在内置存储器中。至此，数码相机的主要工作已经完成，剩下要做的是通过 LCD（液晶显示器）查看拍摄到的照片。有一些数码相机为扩大存储容量而使用可移动存储器，如PC卡或者软盘。此外，还提供了连接到计算机和电视机的接 口。下面，让我们来详细地谈一谈： 1镜头： 几乎所有的数码相机镜头的焦距都比较短，当你观察数码相机镜头上的标识时也许会发现类似f=6mm的字样，它的 焦距仅为6毫米！其实，这个焦距和传统相机还是有所区别的。f=6mm相当于普通相机的50mm镜头（因相机不同而不同）。这是怎么回事呢？原来我们印象 中的标准镜头、广角镜头、长焦镜头以及鱼眼镜头都是针对35mm普通相机而言的。它们分别用于一般摄影、风景摄影、人物摄影和特殊摄影。各种镜头的焦距不 同使得拍摄的视角不同，而视角不同产生的拍摄效果也不相同。但是焦距决定视角的一个条件是成像的尺寸，35mm普通相机成像尺寸是24mm36mm（胶 卷），而数码相机中CCD的成像尺寸小于这个值两倍甚至十倍，在成像尺寸变小焦距也变小的情况下，就有可能得到相同的视角。所以说上面提及的6mm镜头相 当普通相机50mm焦距镜头。因此在选购数码相机时，我们不用关心数码相机的实际焦距是多少，而只要参考换算到35毫米相机镜头的焦距就可以了。 2.CCD: 数码相机使用CCD代替传统相机的胶卷，因此CCD技术成为数码相机的关键技术，CCD的分辨率被作为评价数码相机 档次的重要依据。CCD是Charge Couple Device的缩写，被称为光电荷耦合器件，它是利用微电子技术制成的表面光电器件，可以实现光电转换功能。在摄像机、数码相机和扫描仪中被广泛使用。摄 像机中使用的是点阵CCD，扫描仪中使用的是线阵CCD，而数码相机中既有使用点阵CCD的又有使用线阵CCD的，而一般数码相机都使用点阵CCD，专门 拍摄静态物体的扫描式数码相机使用线阵CCD，它牺牲了时间换取可与传统胶卷相媲美的极高分辨率（可高达84006000）。CCD器件上有许多光敏单 元，它们可以将光线转换成电荷，从而形成对应于景物的电子图像，每一个光敏单元对应图像中的一个像素，像素越多图像越清晰，如果我们想增加图像的清晰度， 就必须增加CCD的光敏单元的数量。数码相机的指标中常常同时给出多个分辨率，例如640480和1024768。其中，最高分辨率的乘积为 786432（1024768），它是CCD光敏单元85万像素的近似数。因此当我们看到85万像素CCD的字样，就可以估算该数码相机的最大分辨 率。 许多早期的数码相机都采用上述的分辨率，它们可为计算机显示的图片提供足够多的像素，因为大多数计算机显卡的分辨率 是640480、800600、1024768、1152864等。CCD本身不能分辨色彩，它仅仅是光电转换器。实现彩色摄影的方法有多种，包 括给CCD器件表面加以CFA（Color Filter Array，彩色滤镜阵列），或者使用分光系统将光线分为红、绿、蓝三色，分别用3片CCD接收。 3 A/D转换器: A/D转换器又叫做ADC（Analog Digital Converter），即模拟数字转换器。它是将模拟电信号转换为数字电信号的器件。A/D转换器的主要指标是转换速度和量化精度。转换速度是指将模拟信 号转换为数字信号所用的时间，由于高分辨率图像的像素数量庞大，因此对转换速度要求很高，当然高速芯片的价格也相应较高。量化精度是指可以将模拟信号分成 多少个等级。如果说CCD是将实际景物在X和Y的方向上量化为若干像素，那么A/D转换器则是将每一个像素的亮度或色彩值量化为若干个等级。这个等级在数 码相机中叫做色彩深度。数码相机的技术指标中无一例外地给出了色彩深度值，那么色彩深度对拍摄的效果有多大的影响呢？其实色彩深度就是色彩位数，它以二进 制的位（bit）为单位，用位的多少表示色彩数的多少。常见的有24位、30位和36位。具体来说，一般中低档数码相机中每种基色采用8位或10位表示， 高档相机采用12位。三种基色红、绿、蓝总的色彩深度为基色位数乘以3，即83=24位、103=30位或123=36位。数码相机色彩深度反映了 数码相机能正确表示色彩的多少，以24位为例，三基色（红、绿、蓝）各占8位二进制数，也就是说红色可以分为28=256个不同的等级，绿色和蓝色也是 一样，那么它们的组合为256256256=16777216，即1600万种颜色，而30位可以表示10亿种，36位可以表示680亿种颜色。色彩 深度值越高，就越能真实地还原色彩。 4MPU（微处理器）: 数码相机要实现测光、运算、曝光、闪光控制、拍摄逻辑控制以及图像的压缩处理等操作必须有一套完整的控制体系。数码 相机通过MPU（Microprocessor Unit）实现对各个操作的统一协调和控制。和传统相机一样，数码相机的曝光控制可以分为手动和自动，手动曝光就是由摄影者调节光圈大小、快门速度。自动 曝光方式又可以分为程序式自动曝光、光圈优先式曝光和快门优先式曝光。MPU通过对CCD感光强弱程度