1、數碼相機的工作流程1.獲取圖像的流程(1)通過鏡頭的光聚焦在CCD上,并被轉換成電信號；(2)儲存在CCD中的信號被從TG發出的驅動信號取出；(3)此信號被CDS*3消減噪音后在被ADC轉換成數字信號；(4)一但形成數字圖像數據,就將被傳送到DRAM并臨時儲存；(5)圖像數據被傳送到PROCESS并進入Y/C分離(WB)操作；(6)圖像數據被以JPEG格式壓縮；(7)圖像數據被記錄在CF卡內。圖1-2數碼相機基本組成2.在LCD上再現圖像的流程(1)從CF卡上獲得的JPEG壓縮格式的數據被重新恢復成原始數據；(2)恢復后的圖像數據被傳送到DRAM；(3)一個CPU在DRAM中獲取圖像數據并用D

2、AC將其轉化成模擬格式以便在LCD上顯示圖像；(4)將圖像數據傳遞給計算機的流程；(5)從CF卡上獲得的JPEG壓縮格式的數據被重新恢復成原始數據；(6)恢復后的圖像數據被傳送到DRAM；(7)一個CPU*11在DRAM中獲取圖像數據并通過RS232C或USB接口將其傳遞給個人計算機：Ø CCD電荷藕合器Ø TG計時發生器Ø CDS互聯雙采樣Ø ADC模擬數字比較器Ø DRAM動態隨機存儲器Ø PROCESS處理器Ø Y/CØ WBØ JPEGØ CFØ CPUØ DACYo

3、ut（亮度信號）/Cout（顏色信號）白平衡聯合圖像專家組壓縮格式袖珍閃存卡中央微處理器數字模擬比較器數碼相機的結構原理數碼相機與傳統的膠片相機如果僅從外觀上看，兩者區別似乎并不太大，只是大部分數碼相機都有一個LCD液晶顯示屏，而在傳統相機中則少見，其實兩者最大的區別還在于它們各自的內部結構及其原理上。雖然數碼相機的光學鏡頭系統、電子快門系統、電子測光及操作與傳統相機并無太大差別，但數碼相機的其他特性結構，如光電傳感器（CCD或CMOS）、模數轉換器（A/D）、圖像處理單元（DSP）、圖像存儲器、液晶顯示屏（LCD）以及輸出控制單元（連接端口）等基本元器件的結構和工作原理（如圖2-1所示）與基

4、于膠片的傳統相機卻有本質的區別。圖2-1數碼相機結構原理框圖2.1光學鏡頭人類用眼睛來感知色彩繽紛的世界,而照相機則是用鏡頭來攝取美麗的景物的。客觀存在的場景實際上是一種光學信息，它反射出不同亮度和光譜（即顏色）的光線。照相機就是要把某一瞬間的光線永久保存下來，傳統照相機是把這些光線轉化對應為膠片上化學藥劑的變化，而這些膠片也只是半成品，還需進一步的化學反應才能顯影，可見傳統照相機（膠片相機）的拍攝過程完全是光信號與化學信號的轉換過程，而數碼相機不管其最終的存儲介質是什么，其本質是把一組一定亮度和光譜的光線轉化為一堆二進制數，然后保存在某種記錄介質上，屬于光信號與電信號的轉換。然而不論是數碼相

5、機還是傳統照相機，首先接收的都是景物的光學信息，所以，光學鏡頭是必不可少的第一組件，被攝景物必須經過光學鏡頭才能成像到成像器件上。因此，人們常說鏡頭是相機的眼睛。1.鏡頭系統結構數碼相機攝影鏡頭的結構從鏡頭前面看依次是：鏡頭保護玻璃、透鏡部件、光學低通濾光器、紅外截止濾光器以及CCD保護玻璃和CCD影像傳感器等。快門放在透鏡組件中間或前面，且多數與光圈合用，如圖2-2所示。圖2-2數碼相機鏡頭系統結構2鏡頭的中心分辨率與邊緣分辯率CCD是把光信號變換為電信號的攝像器件，在一定的CCD面積人，像素數越多，把光信號變換為電信號的像素單元也就越多。然而像素的間隔是有極限的，即像素尺寸不能太小。否則，

6、生產的成品率將大大降低，造成生產成本大幅度提高。通常，像素間隔在5m以下，對1/4英寸大小的CCD元件，它的長寬為3.6mm，像素數為800（H）X510（V）。光學上以黑白線作為線對，根據在1mm長度上能分開多少線對作為分辯能力的度量標準。在設計鏡頭時，為了滿足像素間隔在5m以下，鏡頭的分辯率必須達到100線對/mm以上。但是，對鏡頭來說，由于畫面邊緣的分辯率能力只有中央分辯率的50%70%，為了保證全畫面100線對/mm，在鏡頭設計時，其中間部分的分辯率應該有150200線對/mm。由于對數碼相機鏡頭的評價越來越受到重視，目前一些機型在說明書分別注明鏡頭中心分辯率與邊緣分辯率。3透鏡組件單

7、從理論上講，為了能在CCD面上成像，只要一片透鏡就行了，但是在實際應用中，由于透鏡有其特有的球差、色差等影響成像質量的像差存在，為了解決像質問題，在鏡頭設計中采用了不同曲率、不同的材料的透鏡組合以消除或減輕其影響。此外，也有用非球面透鏡的方法。非球面透鏡對除去球面像差、減少透鏡片數、提高像質效果很好。隨著樣板加工技術的發展，塑料非球面和玻璃非球面在鏡頭中的應用也越來越多。相機的鏡頭組件可由許多獨立的磨光玻璃元件組成，或用透明塑料壓制而成，它的功能是將光線聚焦到感光面上。鏡頭組件的質量越高，拍出的照片就越清晰，數碼相機鏡頭組件的主要功能是把光線會聚到CCD或CMOS圖像傳感器上。對于定焦相機，鏡

8、頭、物體和聚焦平面之間的理想距離要精確計算，從而固定鏡頭組件和光圈的位置。對于變焦相機，有一個機械裝置可向前或向后移動鏡頭組件，一直讓它保持在聚焦平面中央，使你能夠捕捉到距離鏡頭更換或更遠的物體。大多數數碼相機具有內置聚焦裝置，采用紅外線自動對焦方式。這些相機測量波束反射回相機的時間，并計算相機到物體之間的距離，以此來移動鏡頭組件。高品質的專業數碼單反相機使用一種波動自動對焦系統，它讀出圖像，比較取景器中相鄰范圍內物體的對比度。使用這種系統聚焦非常精確，而且還可及時更換鏡頭，因為聚焦是通過安裝的鏡頭來測量的。4焦距與視場角鏡頭作為一種光學器件，最主要的特性指標就是焦距值。焦距是鏡頭的一個非常重

9、要的概念，因為焦距決定了在給定距離內，膠卷或CCD所成圖像的大小，焦距加倍也將使圖像的大小加倍，鏡頭的焦距不同，相機能拍攝的景物廣闊程度也就不同，同時拍攝的場景濃度也不同，照片效果也迥然相異。在傳統的相機術語中，標準鏡頭的焦距大約等于底片的對角線，一個標準35mm相機使用的是24mm*36mm底片，焦距大約為43mm。對于一個典型的數碼相機，CCD的面積遠遠小于35mm底片的面積。所以，數碼相機標準鏡頭的體積和焦距都比35mm膠片相機要小得多。例如，用于1/4英寸CCD的數碼相機的攝影鏡頭，它的1/4英寸CCD與35mm膠片相比，對角線之比為1:9.6，如圖2-3所示（圖中APS為先進照相系統

10、專用膠片）。其鏡頭視場角的比例也是1:9.6，在設計時只要鏡頭的尺寸和焦距按比例縮小就行，如圖2-4所示。圖2-3CCD與膠片的畫面尺寸比較圖2-4同一視場角CCD與35MM膠片的焦距數碼相機鏡頭上標明的焦距通常是7mm、9mm，在35mm相機上都是超廣角或魚眼鏡頭，而對于數碼相機來說，它們只相當于35mm相機的小廣角鏡頭。鏡頭視場角與焦距的關系是什么呢？從鏡頭的中心節點到成像平面對角線進入的角度。廣角鏡頭具有更大的視場角，能比我們的眼睛“看到”更多的景物。通過廣角鏡頭看的物體比用標準鏡頭看到的要小很多。長焦鏡頭的視場角較小，只能看到一個狹小角度內的物體，看到的物體少，物體顯得大了許多。就像通

11、過望遠鏡看東西一樣，物體被放大，長焦鏡頭也因此被稱為攝遠鏡頭。我們不能看出，對于相同的成像面積，鏡頭焦距越短視場角就越大；而對于同樣焦距的鏡頭而言，成像面積越小，鏡頭的視場角也越小，如圖2-5所示。圖2-5鏡頭的焦距與視場角35mm相機的成像面積等于135膠卷的感光面積標準的36mm*24mm，數碼相機使用CCD傳感器代替了傳統相機中膠卷的位置，其面積有好幾種規格，從高檔專業相機的18.4mm*27.6mm到普通數碼相機的2/3、1/2、1/3英寸各不相機，也就是說，同樣的9mm鏡頭，在有的相機上是廣角效果，但在別的相機上可能就變成了標準鏡頭，所以，我們要依靠焦距值來區分數碼相機鏡頭的視場是很

12、不方便的，為此，數碼相機廠家通常都會提供一個容易比較的相對值，也就是標出與數碼相機鏡頭視場角相同的35mm相機鏡頭焦距，這樣的對應焦距值我們就很容易理解了。像富士MX-700的鏡頭焦距是7.6mm，對角線視場角70度，相當于35mm鏡頭，是個小廣角；尼康的COOLPIX900裝有5.817.4mm鏡頭，相當于38115mm的標準變焦鏡頭，我們在評價與選購數碼相機時，也只要參考換算到35mm相機的鏡頭焦距就可以了。數碼相機鏡頭的CCD的面積小于膠片，要實現小面積的優質成像，只要很小的透鏡尺寸就足夠了。而且，實際上決定鏡頭結構的是它的有效視角，而不是簡單的焦距值，數碼相機上的9mm鏡頭采用的是傳統

13、相機上35mm小廣角鏡頭的設計，而不是9mm魚眼鏡頭的結構。因此，數碼相機鏡頭的焦距值與實際成像效果并無直接聯系，由于透鏡的體積小了，相對成本就降低了，而成像的質量卻增加了。一些數碼相機沒有標準鏡頭，但可在廣角和長焦之間向前或向后拉動鏡頭，由于寬鏡頭不十分寬，長鏡頭也不十分長，所以，一種鏡頭就能滿足大多數普通照相的需要。現有的數碼相機中大多數不帶變焦鏡頭。這是因為數碼相機對鏡頭的要求非常高，使得鏡頭的價格占整機的比例也加大。考慮成本的關系，中低檔數碼相機不太可能裝備價格昂貴的變焦鏡頭。為代替變焦鏡頭，一些數碼相機帶有兩焦距切換裝置，該裝置不像變焦鏡頭那樣自由，而只在“廣角”和“望遠”兩檔間切換

14、使用。5低通濾光器光學低通濾光器的作用是防止由CCD影像傳感器由于像素間隔而產生的偽色及波紋。數碼相機采用了水晶等的光學折射特性截去高頻部分的方法來實現低通濾光器的功能，由于低通濾光器會使分辨能力下降，因此，有些機種地不采用低通濾光器的。6紅外截止濾光器數碼相機屬于無膠片照相機，不受膠卷對中的限制，所以相機的鏡頭可以隨意設置，不必一定在機身正面的中央，有時可以靠近一邊或角上。此外，由于CCD對紅外線比較敏感，鏡頭增加特殊的鍍層或外加濾鏡也會大大提高成像質量。2.2圖像傳感器圖像傳感器又稱影像傳感器或光電傳感器，其作用是將接收到的光（圖像）信號轉變為模擬電信號。目前，數碼相機使用的圖像傳感器有占

15、主導地位的CCD和新開發的CMOS兩種類型。1CCD與CMOS圖像傳感器目前，絕大多數生產廠家采用的是CCD（ChargeCoupledDevice）電荷耦合器件。CCD是由縱橫排列有序的最多可達百萬個光電二極管及譯碼尋址電路組成。當光線經鏡頭匯聚成像在CCD上時，每個光電二極管會因感受到的光強的不同而耦合出不同數量的電荷。通過譯碼電路可取到每一個光電二極管上耦合出的電荷而形成電流，該電流經A/D變換即形成一個二進制數字量，該數字即對應一個像素點，實際中二極管數量通常大于照片像素點數量，上百萬像素點數字量的集合，即構成了數字照片，接下來就是如何進一步處理、保存這些數字。CCD的像素和面積是決定

16、畫質的重要因素，像素數越多、面積越大，圖像質量越高。目前中檔數碼相機大多使用像素數3541萬、1/3英寸CCD；高檔機則使用像素數80140萬、2/3英寸CCD。此外，CCD的像素形狀對畫質也有影響，早期的數碼相機沿用電視攝像機所用的豎長型畫CCD，但是，由于電腦的畫面是由正文型的像素構成的，從CCD直接輸入到電腦的圖像會變成寬型。為了正確表現圖像，需要經過軟件進行一定比例的修正，這樣一來，圖像也有一定程度的失真，因此，目前專門設計的正方像素CCD的機種在逐步增加。CCD從結構原理上可分為線性CCD（linearCCD）和陣列（CCDARRAY）兩種方式。線性CCD每次只拍攝圖像的一條線，用于

17、高分辯率的室內掃描數碼相機，線性CCD掃描影像時，在圖中畫出像素組成的每條線，這與臺式掃描儀掃描圖片的方法相同，速度很慢，分辨率越高，獲得一幅完整的圖像需要的時間就越長。此外，使用線性CCD掃描的數碼相機需要一個保持靜止的目標，無法使用線性CCD來拍攝移動物體。室內照明或明亮的陽光是線性CCD必須的，線性CCD無法使用閃光燈，以為它一閃而過，不可能持續幾分鐘來等待圖像的掃描與記錄完畢。陣列CCD包含一個光敏元件矩陣，而不是單條線的CCD元件。矩陣中的每個元件代表圖像中的一個像素。當快門按動時，整個圖像同時曝光，同時拍攝，顯然，矩陣中的像素越多，所獲得的圖像分辯率就越好。除CCD外，近年CMOS

18、光電轉換器件技術也在發展，CMOS（互補金屬氧化物半導體）器件與CCD相比，CMOS很容易與A/D電路、數字信號處理等電路集成在一起，CMOS芯片生產成本低，成品率高，并且明顯降低了功耗。此外，CCD只能單一的鎖存落到成千上萬的采樣點上的光線的狀態，CMOS則可以完成其他許多功能：如模數轉換、負載信號處理、白平衡處理及相機控制等。還有可能在不會大幅度提高成本的前提下增加CMOS的密度和位深度。鑒于上述原因，很多業界分析家認為，將來終有一天，所有的初級數碼相機都將是基于CMOS器件的，而只有中檔和高端產品仍將使用CCD。目前，CMOS成像器件在解像度和色彩還原方面還不盡如人意，如圖像有噪聲，準確

19、捕獲動態圖像的能力還不強。這表明，CMOS要想終成大器，還有很長的路要走。2CCD的顏色處理為了獲得彩色圖像，光線必須在到達CCD前經過一組彩色濾波器，每個彩色濾波器分離出組成彩色圖像的紅、綠、藍三原色中的一色。線性CCD數碼相機使用3線CCD處理彩色，它實際上將三行濾波器嵌在CCD元件上，每個濾波器分離出一個不同的原色，但CCD可同時捕獲所有的三色，這消除了分色問題并加快實際的相片生成速度，當然，這類系統仍然較慢，不能用于快照相機中。陣列CCD數碼相機處理彩色的方法有兩種：一種方法是將彩色濾波器嵌在CCD矩陣中，相近的像素具有不同的濾波器，在記錄相片的過程中，相機內部的微處理器從每個像素獲得

20、信號，并與最接近它的相同顏色點作平均，對中間點進行估算，該方法允許瞬間曝光，微處理器能處理得非常快，唯一的不足是所生成的圖像略有點模糊，因為其中含有數學計算。處理彩色的另一種方法是使用三棱鏡，它將從鏡頭射入的光分成多個陣列，每個陣列都有不同的內置光柵來過濾三原色，這些圖像再合成出一個高分辯率的、顏色精確的圖像，雖然平均的方法仍是處理過程的一部分，但因為有許多的信息可用于平均，其結果也就更加精確。該方法的主要缺陷在于包含的數據太多。它們存儲在相機的RAM緩沖區內，在你拍攝另一張相片前，必須存儲圖像并清除緩沖區，這類數碼相機必須接在計算機上，主要用于室內拍攝，價格非常昂貴。2.3模數轉換器模數轉換

21、器即A/D轉換器（Analog-to-DigitalConverter）。A/D轉換器能將連續形式的模擬信號進行量化（離散化），轉換為相應的離散形式的數字信號。A/D轉換器的應用非常廣泛，常見的有電壓頻率A/D轉換器、脈沖寬度調制A/D轉換器、雙斜率積分A/D轉換器以及作為PC機的適配器，用于溫度運動和其他的連續變化狀態的實時監控等。數碼相機的模數轉換器的作用是將圖像傳感器得到的模擬電信號轉換為數字信號，并傳送到圖像處理單元。2.4數字信號處理器數字信號處理器（DigitalSignalProcessor）是數碼相機的心臟，它的主要功能是通過一系列復雜的數學算法，對數字圖像信號進行優化處理，優

22、化處理包括：白平衡、彩色平衡、伽瑪校正與邊緣校正，這些優化處理的效果將直接影響數碼照片的品質。DSP數字信號處理技術是目前廣泛應用的一項新技術。DSP芯片是數字信號處理、微電子學、計算機科學和計算機數學的綜合科研成果，早在數碼相機之前，DSP芯片便已廣泛應用于磁盤驅動器、蜂窩式電話、調制解調器、無線電接收機、微控制器、光盤機和數字攝像機等諸多領域，并將在今后絕大部分的電子設備中得到應用。DSP芯片一般分為通用型與專用型兩種。任何一個DSP芯片本質上都是一個單處微型計算機，然而它是專門設計用來處理數字信號的，其最大的特點是極高的運算速度，與普通的微型計算機相比大約要快2個數量級，能夠在短時間內完

23、成許多復雜而繁瑣的數學運算。DSP芯片的內部采用雙重的哈佛結構，配有相互獨立的可以平等操作的3個執行單元（算術邏輯單元、地址形成單元和程序控制單元）、一個程序存儲器、兩個數據存儲器和其他用途的存儲器、多條相互獨立的數據母線和地址母線、幾個多功能的外圍設備、一個存儲器擴充口、一個時鐘發生器和其他一些特殊功能的部件。目前數碼相機中應用最多的是美國德州儀器公司的TMS320C2XX和TMS320C5XX兩個系列的產品，該產品的運算速度高達100MPS以上，而且加功耗低。2.5圖像數據壓縮器數碼相機的圖像處理還包括數據壓縮。圖像數據壓縮的目的是為了節省存儲空間，目前應用比較流行的壓縮算法是“JPEG2

24、000”。JPEG編碼壓縮器的作用是把得到的圖像轉換成JPEG格式。為了降低單位畫幅的存儲費用，目前大多數數碼相機采用了多種不同壓縮比例可供選擇的壓縮存儲方式。具有壓縮存儲方式的數碼相機，可在拍攝存儲時具有更大的靈活性。目前大多數碼相機采用的壓縮方式為JPEG方式，即靜止圖像壓縮方式。這種壓縮方式容易造成數據圖像的損傷，特別是高比例的壓縮將使解壓恢復圖像的質量劣化，所以，若要保證圖像的質量，不宜一味追救求過高比例的壓縮存儲方式。現在已有采用MPEG壓縮方式的數碼相機問世，這種相機可以存儲活動的圖像和聲音，成為名副其實的多媒體視聽相機。2.6圖像存儲器數碼相機中的存儲器用于保存圖像。存儲器可以是

25、一個電子存儲器或一張存儲卡，也可以是數據光盤或軟盤；可以是活動的，也可以是固定的。普通相機中的膠卷在數碼相機中變成了電子存儲器或存儲卡。低檔的數碼相機以內裝存儲器為主，其缺點是當存儲器存滿后，必須暫時停止拍攝，要等到存儲的圖像數據經處理輸出之后才能繼續拍攝。對于存儲卡型的照相機，只要有備用的存儲卡，就可以像換膠卷一樣，拍攝張數不受限制。可移動式存儲卡的形式有多種，將不同形式的存儲卡上的住處傳送給計算機，所采用的方式不同。應用于較多的有I型，II型PC卡和采用PC卡標準的閃速存儲卡（Flashcard），其特點是可直接插入便攜式電腦的PC卡插口，將住處輸入便攜式計算機，也可用PC卡信息讀取器將信

26、息讀出后輸入便攜式計算機。如KINGMAX勝創科技公司最近推出的CompactFlash存儲卡的部分結構采用強化玻璃及金屬外殼，重量只有15克，體積很小（36mmX43mmX3.3mm），攜帶方便。目前有4MB、8MB、16MB三種Flash存儲產品。CompactFlash存儲卡采用StandardATA/IDE接口界面，配備有專門的PCMCIA轉換卡，筆記本電腦的用戶可直接在PCMCIA插槽上使用，使數據很容易在數碼相機與電腦之間傳遞，而且PCMCIA傳輸速度比RS-232快10倍。該產品能耗小，在幾種狀態下分別為睡眠10mA、寫36125mA。在突發模式下，從存儲卡和主機上進行數據傳輸的

27、速度分別是2.5MB/秒和16.6MB/秒。另外，還有SSFDC固態軟盤卡，即SmartMedia卡，體積很小，只有火柴盒大小，不能直接插入計算機和PC卡讀取器，必須將它裝入一個轉換器后才能插入PC卡讀取器或便攜式計算機的驅動器，然后就可像PC卡和標準閃速存儲卡一樣調出信息。1997年，數參政相機的存儲器取得了新的進展，在一些新推出的幾種中甚至獲得了創新性成就：如柯尼卡Q-EZ相機，采用了同英特爾公司等和柯尼卡公司合作開發的MC微小型存儲卡，該卡的外形尺寸為38mmX33mmX3.5mm，且在很多方面都很有特點；夏普MD-PS1相機采用了索尼公司的MD數據技術，MD小型數據光盤直徑為6.4cm

28、，存儲容量為140MB，可存的靜像畫面，在精細像質方式時為1000幅，而在標準像質方式多達2000幅，還可附加聲音和攝影數據；索尼公司的MV-FD5與MV-FD7相機，采用3.5寸軟磁盤，容量為1.4MB，記錄相片的數量雖不多，但價格遠比快閃存儲器低。2.7液晶顯示器液晶顯示器（LiquidCrystalDisplay）是用于取景或是查看拍攝到的圖像的一種器件。采用彩色LCD取景方式，直觀、悅目，而且可將已存儲的影像再通過彩色LCD顯示，有的還可以多幅同時顯示，便于比較和鑒定影像質量，還有極少數數碼相機可使畫面動態顯示并播出聲音，使數碼相機一機多用，成為多媒體相機。LCD液晶顯示器與其他顯示器

29、件相比，具有以下一些優點：工作電壓低（1.56V）、功耗低（110/CM2）、體積小、重量輕、形狀薄、成本低、外形尺寸及顯示圖形的設計容易。顯示信息量大且無閃爍、能直接與CMOS集成電路相匹配等。追根溯源，其實液晶早在19世紀末，就由奧地利植物學家萊尼茲發現了。可是它整整沉睡了70多年，一直默默無聞。直到20世紀60年代英國的科學工作者才使液晶“亮”了起來。液晶是液態晶體的簡稱。它既是一種液體（能流動）又像晶體（具有晶體的光學性質）的物質。而液晶分子的排列有一定秩序，但這種秩序對外界的條件（如溫度、電磁場）的變化十分敏感。在電場的作用下，液晶分子的排列會發生變化，從而影響到它的光學性質，這種現

30、象稱為電光效應，利用液晶的電光效應，英國的科學家制造了第一塊LCD。LCD具體工作方式是：液晶中的分子在同一個液面（平面）內是像百葉窗條一樣一條一條整齊地排列著，而分子的向列從一個液面到另一個液面過渡時會逐漸扭轉90度。也就是說兩層分子的排列的相位相差90度，而這種扭曲向列的液晶有一個奇妙的特性，它可以將入射光偏振方向扭轉90度，一束光入射，經玻璃、透明電極而通過液晶材料時，其極化方向扭轉90度，因而扭射后的入射光就順利通過下極化器而被反射器反射回來，于是呈現出透明的“亮”顯示，而當在電極板之間加一個電場，液晶分子在每一個液面上的取向皆與外界電場的方向一致，不再層與層之間差90度的相位，此時光線無法透過下極板照到反光器上，從而呈現了不透明的“暗”狀