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数码相机的感光元件、内部处理及存储

2010-08-11 08:17:19 作者:祁连山 来源:中国教程网 浏览次数:0
本文为中国数码摄影与后期处理系列教程,在本文中中国教程网祁连山老师将向我们介绍数码相机的感光元件、内部处理及存储等数码摄影基础知识,本系列教程将陆续发布,敬请朋友们关注~~

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在上一课中我们了解了数码相机的发展、分类,这次我们来了解一下数码相机的感光元件、内部处理及存储。

本章得到技术顾问范侠厚先生的大力支持,特此感谢。

光的记录与数字转换

相机是心与眼的延伸……

其实当我们还没有购买相机的时候,自身就具备了两台精密的光学仪器,那就是我们的眼睛。我们观看世间万物,是一个眼、脑结合的接收与存储过程。人的眼睛看到颜色,将它传入我们的大脑,通过大脑判断物体的颜色、体积、远近等一系列的视觉特征,同时将它进行记忆。

而数码相机也是如此。相机的镜头将光线进行收集与整理,形成影像投射到感光元件上,感光元件相当于传统相机中的胶片,它使用数以千万计的光电二极管组成阵列,每一枚光电二极管都可以感受到光线的强弱,并将它转换为电流信号。

数码摄影与后期处理系列教程之数码相机的感光元件、内部处理及存储_中国教程网
在传统相机放置胶片的位置,数码相机安放的是感光元件

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不同形式的相机,基本结构是相同的。DC的感光元件相对面积会小一些

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光电二极管阵列示意图-感光元件的微视世界,是由大量的光电二极管排列组成的

我们在摄影时,感光元件上投射的影像通过明暗绘出画面。每一个光电二极管接收到的光线的明暗程度不同,产生的电流信号强度也不同。我们只需要记录下这些电流信号,就可以在特定的仪器上在相同位置转化回光线的明暗,从而还原图像,这就是模拟图像信号。

这些光电二极管的集成度越高,就越能形成精细的图像。但是在相同面积的感光元件上,集成的光电二极管越多,每个光电二极管所接收到的光线就越少,对元件的技术要求就越高。过密的排列会引起光电二极管的灵敏度、信噪比和动态范围等图像收集性能下降,反而影响画质。

光电二极管只能根据光的明暗产生强弱不同的电流,而不能直接分辨彩色信号。为了采集到彩色的图像,人们采用了彩色滤光器法将光分解为红、绿、蓝三色进行分别采集。

如下图所示,这是一个原理图,实际的感光元件和彩色滤光器远比这个要细腻得多。我们用几十个感光元件来表示它们。

入射光线通过一个彩色滤光器,被分解为红绿蓝三种颜色后投射在感光元件上。(红绿蓝为色光三原色,在后面我们会细讲)单个感光元件读取的就是一种颜色的数值。用它和周围感光元件收集的其它颜色值进行混合计算后就可以得到每个点的颜色值了。每一个点都这样运算,最终得到一张彩色图像。

大家可以观察彩色滤光器,每四个点就会有一个红点,一个蓝点和两个绿点。所以用这种方式采集到的绿色信息是最强的。而RGB图像(后面会详细讲解)中绿色占据了整个图像59%的亮度(明暗度)。我们最终到的图像并没有偏绿,这是因为在相机内部就已经对数值进行了平衡。

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光线通过彩色滤光器将颜色分解后采集

随着技术的发展,出现了新的感光元件制作方案,比如Foveon X3 CMOS技术。

Foveon X3 CMOS并不使用滤色片,而是根据RGB三色光入射硅片后可穿入的深度不同来感光的:蓝色光在离硅片表面0.2微米开始被吸收,绿色光在离硅片表面0.6 微米被吸收,红色光在离硅片表面2微米被吸收。只要在相应的位置设置蓝、绿、红三层感光层,就可以得到图像。这一原理更接近彩色胶片。它的优点是颜色还原更好,图像更加锐利,更接近于胶片成像;它的缺点是在高感光度时拍摄的照片噪点较多。目前适马公司掌握了该技术及其专利,并利用面积较大的X3感光元件生产出画质最好的小型数码相机。

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在早期的数码相机上,使用CCD做为感光元件。CMOS感光元件出现之初,因为技术不成熟,画质差,所以被应用在低端产品上。随着技术的提高,CMOS感光元件的成像品质已经达到很高的水准,加上它成本比CCD低得多、数据传输速度快、耗电量小,集成度高,可以提高数码相机在便携、高速连拍、价格方面的竞争优势,所以在高端产品也被广泛应用,大有取代CCD之势。

图像的内部处理与存储

感光元件接收到了模拟信号,必须进行模数转换转变为数字信号,再经过进一步的处理之后才能存储为电脑可以解读的文件。因此数码相机中集成了图像处理器进行这样的工作。

专业相机的高速连拍功能(常用于体育和军事摄影)、降噪和图像特效功能等会消耗很多系统资源,数码相机的像素数越高,图像就会越精细,图像处理器的工作强度就会越大。

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EOS-1Ds Mark III的图像处理模块

图像处理完成之后,要存储在存储器中。我们常见的存储器有CF卡、SD卡、索尼记忆棒、微硬盘等。它们虽然外形不同,但功能是一致的,都是存储照片的仓库。

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Secure Digital Memory Card(sd卡)

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Compact Flash (CF)卡

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有些高档相机可以安装两个存储器,以扩展容量,或者提供备份空间