数位相机的组成原理.doc

數位相機的組成原理與傳統的膠片相機相比,數位相機的圖像傳感器件(CCD或CMOS)、模/數轉換器件(ADC)、數字信號處理器件(DSP)以及輸出接口等,都是傳統相機所沒有的.此外,數位相機使用的LCD液晶取景器和電子存儲器(卡),也是傳統相機所不具備的.本文擬通過剖析與闡述數位相機的重要部件及其特性,以幫助各位同仁多層次地了解數位相機的組成原理,相信不無裨益.1、數位相機的透鏡系統CCD面積的大小差別對透鏡的設計與開發有重大的影響,因為必須真實清晰地記錄極小的圖像.度量這種極細致的描寫能力的特性指標,我們稱之為透鏡的解析度,例如我們常用的35mm傳統相機透鏡中心的解析度,目測測定為100線/mm左右,這就是說在1mm見方的面積上可讀取100條線.200萬圖元級的數位相機中使用的攝像透鏡,其解析度一般都可超過200線/mm,拍攝非常細微物體的能力是數位相機追求的目標.透鏡的物理尺寸越小,研制越困難.光學物理特性決定小的透鏡難以通暢地通過光線.小透鏡不僅設計難度大,而且組裝精度也要求高.CCD和透鏡的組裝調整困難,一度是數位相機遲遲不能上市的原因之一.數位相機透鏡的開發和設計需要非常高超的最新技術,這也是造成其昂貴的原因之一.在數位相機透鏡結構中要特別說明的是透鏡結構的最終端,即CCD前的低通濾波器.它是光學濾波器中的一種,其作用是濾除空間頻率中的高頻成分,使圖像發暈,這可以預防圖像細部出現擬色效應(即圖像最亮部出現原來沒有的顏色).2、CCD-數位相機的關鍵部位 CCD是與普通相機中的膠片相當的電子器件.在數位相機中起著十分重要的作用.它接受從攝影透鏡來的光信號,並把它轉換為電信號.由CCD產生的電信號被輸出並變為圖像.傳輸各圖元的通路稱為傳輸通路. CCD結構可分為幀傳送方式(Frame Transfer, FT)和掃描方式(簡稱IF)兩大類.FT方式多用在高圖元的高端數位相機中,如Canon的EOSD2000(用柯達制的CCD)數位相機.現在的普及型數位相機主要采用逐行掃描IL方式.這兩種方式的差別在于有無傳輸通路.FT的每個受光元件兼起傳輸通路的作用.而IL則有專用的傳輸通路.兩種相機的優缺點就由這種差別引起的. 從CCD的開口率看,FT方式要有利得多.IL方式為防止靈敏度下降,每個圖元都有以聚光為目的的微透鏡.而FT方式沒有傳輸通路,沒有微透鏡.因此每一個象素面積增大、生產成本降低.靈敏度特性的高低順序是FT方式IL方式.IL方式又分為隔行掃描方式(Interlace Scanning)和逐行掃描方式(Progressive Scanning).兩種方式靈敏度相比較,隔行方式逐行方式.受光元件的尺寸,如以FT方式為1,則隔行掃描方式為2/3,逐行方式為1/2,靈敏度與受控元件的尺寸成正比. 由此可見,FT是面向高動態范圍的數位相機的方式,但迄今為止使用的CCD幾乎都用IL方式,因而具有良好的生產業績,這是它的優點,缺點方面,由于FT方式中象素傳輸通路是合用的,只要有一個圖元有缺陷,那麼縱向一列的資訊就接收不到.因此,生產過程中成品率低,制造成本高.此外,如果要使顯示器再生,則需要配存儲器.因此,CCD整體的封裝尺寸變大.在IL方式中受光部分和傳輸通路都要占用面積,因而開口率難以提高. 舉例來說,200萬象素級的1/2英寸CCD的生產采用4m的工藝.現在的工藝極限為3m.假定要維持目前的開口率的條件下生產1/2英寸級的CCD,那麼其靈敏度會很低.即使是IL方式,隨著象素的增加,生產的成品率會很低. 3、原色和補色濾光器普及型數位相機幾乎都是使用一個CCD的曝光型(One Shot)數位相機.與其它類型的數位相機相比較,其優點是拍攝時間短,處理容易.但為獲得彩色圖像,必須將有效象素中的各種顏色分散.原色系和補色系濾光器就是用來分散各種顏色的.原色濾光器通過RGB濾光器接受光線,補色系通過CMYG濾光器接受光線,並產生彩色圖像.原色濾光器是以液晶顯示器和個人電腦顯示器等顯示元件顯示RGB色,因此顏色的再現性優良,顏色鮮艷.補色濾光器靈敏度較高,但必須由C-Y=B、M-Y=R和G=G的補色還原成原色,因而未必能獲得與原色完全相同的色再現,但圖像處理技術在進步,這個問題實用上不成問題.最近有一種,CCD尺寸減小,解析度提高和有效靈敏度降低.采用補色的數位相機將會越來越多.4、DSP-數位相機的心臟數位相機除了光學透鏡系統外幾乎全由電子電路控制.基本的信號處理過程非常簡單.由CCD送來的電信號通過A/D轉換為數字信號,然后送入具有信號處理能力的DSP(Digital Signal Processor,數字信號處理器).DSP是數位相機的心臟部分,其處理電路通過參數調整最終決定圖像質量.DSP中隱藏了各公司獨有的圖像處理技術和知識.DSP處理工作量很大,一般都設計成專用的硬體.信號進一步送給離散余弦轉換器件DCT進行JPEG壓縮,然后通過介面電路記錄到位于最后一級的存儲器.除了這些處理電路外,硬體控制還使用CPU,在富士公司的Fineoix2700數位相機中用了兩個CPU(RISC型)對硬體進行控制.最新的200萬象素級的數位相機, 幾乎都采用了某種ASIC(Application Special Integrated Circuit,專用集成電路).盡管做成ASIC的部分因公司而異,但基本上都把處理負荷的部分做成一塊晶片以實現高速化.同時需要驅動電壓的部分集成化,可使耗電減小.耗電量與晶片數的平方成正比,因而單片化使耗電量急劇降低,是目前解決數位相機耗電過大的一個有效因素.5、存儲媒體數位相機的常用存儲媒體有三種.它們是SM(Smart Media)、存儲盤(MD, Memory Disc)、緊湊快閃存儲器(Compact Flash Card, CF卡).CF卡的缺點是寫入時間與讀出時間之比為3:1,在同樣的情形里,讀寫速度相同,寫入速度高達每秒5-10個片斷,是面向高速記錄的媒體.驅動馬達需用的電源,CF為3.3V,約70-100mA,而MD為3.3mA.單單三節鹼電池已不夠用,廠家正在探討在相機中安裝鋰離子電池.已有工作模型和樣機上市.6.圖像文件的相容性數位相機記錄的圖像文件的相容性至今常受到種種指摘.圖像文件本身都已在JPEG基礎上統一了,但在文件結構的處理方面各公司都往往自行其是,沒有統一.最近出台了DCF和DPOF規范,使數位相機業界有章可循.DCF是決定圖像文件和文件系統的規范,而DPOF是決定列印資訊處理的規范.兩者都保証對數位相機之間的文件相容性.200萬圖元級的最新機型全都支援DCF和DPOF.今后使用相同記錄媒體的不同機種,通過數據傳遞就可以在自己的機器上看到對方拍攝的圖像.此外,在實驗室或其它場合的列印服務,只通過傳遞就可以列印文件(不必寫入文件),十分方便. 7.液晶顯示器的結構拍攝的圖像用液晶顯示器是數位相機的一個優點.數位相機中用的液晶顯示器可以分為三種類型:背光型(通常型)、反射型和采光型,不管哪種類型,它們都采用各種各樣低耗電結構.液晶本身是不發光的器件,因此要用背光從其背后照明.即使在室內液晶顯示器也可以得到最好的顏色的對比度.外部光線很強時,靠背光很難得到清晰顯示.與之相反,反射型和采光型顯示器主動采入外部光線並把它用于液晶顯示.反射型顯示器在液晶的背后有一個反射外光的反射鏡.東芝公司的PDR-5等數位相機采用了這種反射型液晶顯示器,而SONY的Cybershot F-55K中則采用了背光和反射相混合的混合型液晶顯示器.明亮時把背光切斷而只用反射型液晶顯示器,這樣可以削減電耗.反射型液晶顯示器的優點是外光越強,顯示的對比度越高,越易看見.采光型液晶顯示器與反射型相似,但它通過采光窗口采入外部光線.一般來說,采光型液晶顯示器比反射型顏色好,對比度高.8、數位相機詞語解釋:開口率: 象素與象素之間的間距(Ptch)與發光二極體(受光元件)本身大小的比例關系.開口率越大,說明受光元件的面積越大(無效面積越小),靈敏度越高.初期的35萬象素級的數位相機所以能不用閃光燈就可在暗處拍攝,是因為當時使用的CCD的開口率很高.現在開口率已相對減小,可用閃光燈的相型增多.DSP: Digital Signal Processor (數字信號處理器)的縮寫.將圖像和聲音等模擬信號轉換成數字信號並進行濾波等處理用的電路.DCT: Discrete Cosine Transform(離散余弦變換