数码相机成像原理

电子学问

相机成像⑴数码相机（269）

数码相机成像原理

传统相机使用硬化银感光材料（即胶片）作为保存影像的载体.人们通过镜头将影

像的光线汇聚，再通过按动快门打开快门帘将汇聚的光线投射到胶片上，胶片中的碘化银

会依据光线中不同的颜色波长凝聚成不同的图像保存在胶片上。相机机身的作用是一个暗

箱。

数码相机使用的是CCD或者CMOS等感光电子元件作为感光介质。使用它们可以使

镜头聚焦的光线由光信号转变为电信号，再经过模拟数字转换器转换成数字信号，压缩和

存储为特定图像格式保存在存储介质上（可以反复使用）.

对于数字相机，成像过程远远比胶片上简单。但不管数字成像技术如何进展，成像原

理和基本要素还是和胶片成像过程相类似的。数字相机也有镜头，但通过镜头的光线不再

像胶片相机中那样投射到胶片上，而是直接射在感光器的光敏单元上，这些感光器由半导

体元件构成，由数字相机的内置智能掌握装置对入射光线进行分析处理，并自动调整合适

的焦距、暴光时间、色度、白平衡等参数，然后将这些数据传送给模/数转换器ADC（Analog

DigitalConverter）,ADC最终把这些电子模拟信号转换成数字信号。

数字相机的内部还具有若干智能处理器，包括一些特定用途的集成电路（ASI。和主

CPU。依据这些内部处理器预设的运算法则和标准处理程序，全部数据经处理最终生成一

个图像文件，然后存储在相机内部的电子存储器中。当这些过程结束后，图像文件就能够

传输到计算机中，经由打印机输出或者显示在电视屏幕上。同时图像文件也能够在相机内

部显示，通过自带的LCD显示屏进行预览,并采用相机LCD显示屏的操作菜单进行处理,

对于不满足的图像可以删除后重新拍摄。

摄像者能够通过相机掌握面板上的众多开关、按钮来进行参数预设，数字相机的智能

掌握设施则经过如，步骤繁琐的过程不断调整操作系统设置，从而精准纪录图像。这一切

繁杂的数据处理的全部过程就发生在你手掌中那个轻灵而精致的相机中。

以上仅仅是对数字相机成像技术的简要梗概。依据详细微小设计的不同，数字相机也

分成了很多种类。

数字相机成像的详细步骤

图像传感器

到目前为止，人们对数字相机性能的关注大部分集中在所摄图片的像素凹凸上。像素

的凹凸直接取决于数字相机图像传感器的尺寸和密度。图像传感器是数字相机的核心结构，

主要分为CCD(Chargp-CouplAdDevice)光电荷耦合器件和CMOS(ComplAmentary

MetalOxideSemiconductor)互补金属氧化物半导体集成电路两种。图像传感器由具有

光传感单元和光敏二极管列阵硅芯片制成。这些光传感单元与像素凹凸直接相关，它们能

够与撞击到上面的光脉冲相作用，并将其转换成电荷信号。

图像传感器上的光敏单元数目(像素)有两种表示方法。一是用X/Y轴方向(即传感器的

宽度和高度方向）数目乘积表示，如640x480;另一种是用光敏单元总数来表示，如一百万

像素。

制造商通常对于给定的图像传感器会给出两个像素数目指标。第一个数字是传感器上

全部的像素数目，如三百三十四万像素或者写为3.34MegaPixels,其次个数字是传感器

上真正用于捕获图像的光敏单元（激活像素）数目。其次个数字一般比第一个小5%左右。

在超净环境中生产数字相机

造成这5%差别的缘庄有很多。在目前的传感器制作工艺中，生产一个100%完善毫无

缺陷的产品几乎是不行能的，我们通常把图像传感器生产过程中消失的有缺陷光敏单元称

为暗像素或者缺陷像素。还有部分像素被用于其它方面，例如用于从传感器读取数据时的

校准过程，或者为了保证图像比例而有意不使用。很小的一部分处在传感器边缘区域的像

素被人为遮挡，避开接受外来光线，而是用于检测CCD背景所产生的噪声,以便在实

际图像数据中将背景噪声加以扣除。

需要技术的像素数与CCD尺寸关系不是线性的，从三百万像素提高到四百万像素像素

数增加了一百万，但CCD尺寸并不会增加25%,甚至有可能没什么变化。

目前大多数的数字相机都只使用一个单图像传感器（CCD或者CMOS）,只有少数专业

级数字相机使用多个图像传感器一入射光被光学棱镜分成相等的部分后再被多个图像传

感器接收。使用多个图像传感器可以削减不同颜色之间的干扰，并且消退图像边缘的偏色

问题。这些多图像传感器的数字相机由于结构简单，制作工艺要求高，所以体积匕缴大，

而且价格昂贵。

好玩的是，多图像传感器的设施也无线性变化规律可循。在多数状况下，它们必需有

三个独立的图像传感器（CCD或者CMOS）分别对应红、绿、蓝三种颜色的处理工作，每一

个传感器担当每个像素1/3的信息处理量。在一个3百万像素的三传感器的摄像机中，每

一个传感器都必需是三百万像素的，但是用于静态拍摄的多传感器数字相机中就不存在这

个问题。它们内部多传感器对信息的处理方式随着制造商、相机类型的不同而迥异。

一些三传感器数字相机采纳图像插值运算技术，它们的三个传感器就是各负担最终画

面1/3的信息处理。其他的多传感器数字相机则先将每个传感器初始入射光信息混合后，

再用简单的算法程序进行处理合成。例如现在已经停止生产的MinoltaRD-175数字相

机，它具有三个CCD传感器，其中两个对应于绿色的处理，第三个传感器则兼顾红蓝两色。

（这种两个传感器对应于绿色的处理方式与单传感器中Bayer彩色滤色阵列的工作原理类

似，下面将详述）。在RD-175中，每个传感器都不到五十万像素，但是它们通过算法程序

处理后的画质相当于一百七十万像素左右。

在很多数字相机中，传感器的每个像素只有一部分位置是感光性的，而且只能感受某

一特定方向入射的光线。因此，如何尽可能的使光线直接投射到像素感光区域就显得特别

重要。为达到这一目的，很多商品化的数字相机图像传感器中，每个像素前都有一个“微

透镜"用来保证光子直接入射到像素的感光区域。

由于图像传感器本身只能完成光电转换而无法辨别颜色，数字相机通常采纳彩色滤镜

阵列CFA（colorfilterarray）来实现彩色输出。CFA的主要作用是让每个像素只感受单一

颜色的光线，最终重新组合出彩色的图像。制造商依据不同的颜色需求来选择不同的CFA

结构，不管何种CFA结构其目的都是使所需光线通过滤镜，使每个像素接受的光线具有单

一波长。全部CFA的设计都尽量削减入射光线在相邻像素之间的干扰，努力使景物颜色精

确显示。

CFA让每一个像素只感受一种颜色的光线

CFA结构中最流行的是被称为Bayer模式的彩色滤镜列阵。主要特征为在像素前面以

间隔的方式放置红、绿、蓝色的滤镜，而且绿色滤镜的数量为红色（或蓝色）的两倍。这样

做是由于人眼对绿色光波比红蓝两色要敏感的多，所以这样的数量安排就使得人眼所见的

图像亮度相宜，更接近真实颜色。

毕竟什么是真正的不失真的优质画色呢?由于从科学的角度上来定义并科学测定人眼

对颜色的感知是一个极其简单的课题，所以产生了许很多多的标准，莫衷一是。不同的制

造商则选择采纳不同的模式和运算程序来定义它们认为的数字相机的最佳颜色。

全部的数字相机在图像传感器上都装有一个电子快门（和传统胶片相机的机械快门不

同），电子快门的作用是精确调整入射光线投射到传感器的时间。电子快门的开关掌握传感

器是否接收外来光线。有些高级数字相机甚至还加入一个昂贵的机械快门，这并不是画蛇

添足，在电子快门关闭完成后，它能够有效地防止可能产生的极少量光线入射在传感器上

的现象。这就大大降低了合成图像上产生阴影、条纹和模糊的可能。

当你面对要拍摄的景物按下一半快门的时候，数字相机会锁定焦点和曝光值一这个

步骤和传统胶片相机是一样的。但当你按下全部快门后，发生的事情就和胶片相机完全两

样了。

1.第一个步骤是机械快门关闭（如有机械快门的话），同时传感器马上进行电荷清洗。

这样做的缘由是由于图像传感器始终充盈着电荷而保持于激活状态（在一些高级的数字相

机中，图像传感器能够在捕获图像前处于休眠状态，这样有助于散热和改善信噪比）。在没

有接到指令前，图像传感器始终以大约1/60秒的速度为周期进行电荷更替，所以，在预

备捕获图像前的瞬间，全部的剩余电荷必需被清洗洁净。

好玩的是，一些数字相机（例如OlympusCamediaE-100RS）能够将最近的清洗数据

存入缓存，这样你就能拍下在真正按下快门前的景象了。众所周知，小孩和一些宠物在照

相机前会担心分地动来动去，在这类拍摄状况下这样的功能是有意义的。

2.当在摄影者选择将照相机拍摄前的电荷分布数据存入缓存或清除后，数字相机的全

部程序处理器开头正式工作。其中一个处理器是将存入缓存的数据进行调整和设置，为拍

摄做好预备。例如，掌握白平衡的处理器开头设置在当前图像条件下详细那些像素为白色,

并且会调整全部色相中不为白的像素。其他比如焦距、闪光和其他参数的预设过程也与此

相近。这些参数也会被存入缓存，以备后用。假如在拍摄过程中LCD显示器也在工作的话,

这些数据也将被显示出来。

3.当以上两个步骤完成后，拍摄前的图像传感器设置就告结束，一切就绪后当你按动

按钮时，相机的机械快门打开并同时激活电子快门，在预设的曝光时间内接受光线，曝光

结束后，机械快门也自动同时关闭。

4.在数据处理过程中电子快门会再次打开，直到摄像者按动按钮开头为下一张相片的

拍摄进行数据清洗为止。当处理器（摄影者）启动电子闪光设置后，数字相机会自动照耀所

摄景物，一个单独的光线感应器会检测闪光强度，检测结果达到曝光要求后闪光灯就自动

关闭。

由于图像传感器的电荷清洗过程和拍摄参数设置过程都需要肯定的时间，在摄像者按

下快门后到图像拍摄完毕之间就不行避开的产生了延时效应。在市面上的一般数字相机，

其延时从60毫秒到1.5毫秒不等。

应用大容量的缓存设施和高速处理器能够缩短延时效应。这就是为什么能够进行高速

拍摄的数字相机昂贵的缘由。在这些价格不菲的专业数字相机中,NikonDH1具有128MB

缓存。其他一些相机，例妇KodaksDCS520,620,和FujiS1具有64MB缓存。少数

数字相机具有16MB或者32MB缓存。一些带有智能多功能芯片的图像传感器（多数为

CMOS）的数字相机的数据，专递速率通常比较高，这是由于和全部的数字处理系统相类似，

处理器内部的带宽和处理力量打算了数据的处理速度。

图像传感器通过将入射的光子转换成电子形成模拟信号，下一个步骤就是未被光敏单

元束缚的电荷开头定向移动，通过输出放大器形成电压信号，这些电压信号连续传递至模

数转换器ADCO

CMOS和CCD图像传感器的主要区分就是CMOS本身就有ADC,而CCD只能使用

外部的ADC。CMOS图像传感器的缺点是有噪声的影响，但是其最大的优势是集成有

ADCeADC能够直接将模拟的电压信号直接转换成二进制的数字信号。这些数字信号将被

进一步处理后最终依据不同的色度要求形成红、绿、蓝三种颜色信道，通过相应的像素来

显示出详细的颜色和深度。

ADC将数字信息流传递给数字信号处理器DSP(DigitalSignalProcessor)-处理

器的构造每种数字相机各不相同。在DSP中，大量的数字信息经一系列预设的程序指令后

整合成完整的图像。这些指令包括绘制图像传感器数据、安排每个像素的颜色和灰度。在

单一传感器数字相机中，假如只有一个彩色滤镜阵列，算法程序将主要进行每个像素的颜

色数据处理。算法程序通过分解接近的像素颜色来打算某一特定像素的详细色值。假如使

用RGB颜色的话，那么组成最终图像的每个像素的颜色都可以看成是三原色的合成。通过

如上步骤，最终的图稀奥Zx逞辖?钊耍?胱(14)厚愕挠锯裕曹能够显示出自然的颜色。

大多数数字相机能够纪录下图像传感器所传递的全部图像数据，在此基础上，DSP就

成为图像辨别率的掌握因素。例如，用一个3M像素数字相机以VGA模式进行拍摄，而不

是仅仅限定为640x480辨别率，相机将得到全部的20486x1548颜色位度。接着，通过

摄像者在拍摄前在LCD面板上进行的设置,DSP就会依据设定的辨别率生成图像。

每个厂商设”的处理程序各不相同，他们通过各不相同的颜色平衡与色饱和度设置来

生成彩色图像。数字相机还运用一个或者多个DSP以及其他设施来共同处理所得数据，以

期达到完善画质。并且充分考虑消费者对画质偏好的选择权利。假如想要摄下本不需要的

噪声，或者通过电子快门来实现雾化效果,这些需求制造商都是通过对算法处理程序进行

相应的修正来满足的。类似的程序修正还有很多，例如图像锐化的应用，白平衡的预设等

等。所以我们可以得出如下的结论，各个制造商所产数字相机的最大不同就在于图像处理

过程的种种差异。

IBIS模型是一种基于V/I曲线对I/OBUFFER快速精确建模方法，是反映芯片驱

动和接收电气特性一种国际标准，它供应一种标准文件格式来纪录如驱动源输出阻抗、提

升/T降时间及输入负载等参数，特别适合做振荡和串扰等高频效应计算与仿真。

IBIS本身只是一种文件格式，它说明在一标准IBIS文件中如何纪录一个芯片驱动器和

接收器不同参数，但并不说明这些被纪录参数如何使用，这些参数需要由使用IBIS模型仿

真工具来读取。欲使用IBIS进行实际仿真，需要先完成四件工作：猎取有关芯片驱动器和

接收器原始信息源；猎取一种将原始数据转换为IBIS格式方法；供应用于仿真可被计算机

识别布局布线信息供应一种能够读取IBIS和布局布线格式并能够进行分析计算软件工具。

IBIS模型优点可以概括为：在I/O非线性方面能够供应精确模型，同时考虑了

封装寄生参数与ESD结构；供应比结构化方法更快仿真速度；可用于系统板级或多板信号

完整性分析仿真。可用IBIS模型分析信号完整性问题包括：串扰、反射、振荡、上冲、下

冲、不匹配阻抗、传输线分析、拓扑结构分析。IBIS尤其能够对高速振荡和串扰进行精确

精细仿真，它可用于检测最坏状况提升时间条件下信号行为及一些用物理测试无法解决状

况；模型可以免费从半导体厂商处猎取，用户无需对模型付额外开销；兼容工业界广泛仿

真平台。

IBIS模型核由一个包含电流、电压和时序方面信息列表组成。IBIS模型仿真速度比

SPICE快很多，而精度只是稍有下降。非会聚是SPICE模型和仿真器一个问题,而在IBIS

仿真中消退了这个问题。实际上，全部EDA供应商现在都支持IBIS模型，并且它们都很

简便易用。大多数器件IBIS模型均可从互联网上免费获得。可以在同一个板上仿真几个

不同厂商推出器件。

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IBIS模型核由一个包含电流、电压和时序方面信息列表组成。IBIS模型仿真速度比

SPICE快很多，而精度只是稍有下降。非会聚是SPICE模型和仿真器一个问题，而在IBIS

仿真中消退了这个问题。实际上，全部EDA供应商现在都支持IBIS模型，并且它们都很

简便易用。大多数器件IBIS模型均可从互联网上免费获得。可以在同一个板上仿真几个

不同厂商推出器件。

IBIS模型是一种基于V/I曲线对I/OBUFFER快速精确建模方法，是反映芯片驱

动和接收电气特性一种国际标准，它供应一种标准文件格式来纪录如驱动源输出阻抗、提

升/T降时间及输入负载等参数,特别适合做振荡和串扰等高频效应计算与仿真。

IBIS本身只是一种文件格式，它说明在一标准IBIS文件中如何纪录一个芯片驱动器和

接收器不同参数，但并不说明这些被纪录参数如何使用，这些参数需要由使用IBIS模型仿

真工具来读取。欲使用IBIS进行实际仿真，需要先