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數(shù)碼相機(jī)與傳統(tǒng)相機(jī)的區(qū)別在于：所有數(shù)碼相機(jī)都內(nèi)置有計(jì)算機(jī)，并且都以電子形式記錄圖像，而傳統(tǒng)相機(jī)完全依賴(lài)化學(xué)和機(jī)械工藝——你甚至不需要用電來(lái)操作相機(jī)。雖然由于膠卷提供的照片質(zhì)量仍然高于數(shù)碼相機(jī)，數(shù)碼在一定時(shí)間能也不能完全取代傳統(tǒng)相機(jī)，但是，隨著數(shù)字圖像技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)碼相機(jī)正在逐步超越傳統(tǒng)相機(jī)，變得更加普及。

在這篇文章中，我們將一起了解這類(lèi)神奇數(shù)碼裝置的具體工作原理。

數(shù)碼相機(jī)原理

數(shù)碼相機(jī)不用膠卷，而是

使用傳感器將光轉(zhuǎn)化為電荷。

大多數(shù)數(shù)碼相機(jī)所使用的圖像傳感器是電荷耦合裝置（CCD）。而有些數(shù)碼相機(jī)使用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）技術(shù)。CCD和CMOS圖像傳感器都能夠?qū)⒐廪D(zhuǎn)化為電子。

CCD/CMOS傳感器是數(shù)碼相機(jī)最重要的器件之一，也是數(shù)碼相機(jī)根本區(qū)別于傳統(tǒng)膠片相機(jī)的特征。CCD的全稱(chēng)是Charge Couple DevICe，譯過(guò)來(lái)就是“光電荷耦合器件”，CMOS的全稱(chēng)是Complementary Metal-Oxide SEMIconductor，有“互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體”的意思。CCD和CMOS的工作原理有一個(gè)共通點(diǎn)，那就是都是用光敏二極管來(lái)作為光-電信號(hào)的轉(zhuǎn)化元件。

傳感器將光轉(zhuǎn)化為電子后，讀取圖像中每個(gè)“電池”的值（累積電荷）。兩類(lèi)主要傳感器之間存在的差異就體現(xiàn)在這個(gè)環(huán)節(jié)：   
   CCD將電荷傳送到芯片上并在矩陣的某個(gè)角落讀取電荷。接著由模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）測(cè)量每個(gè)感光單元的電荷數(shù)量并將測(cè)量結(jié)果轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制形式，從而將每一個(gè)像素的值轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)字形式的值。
  CMOS裝置則在每一個(gè)像素中使用幾個(gè)晶體管，并借助更多傳統(tǒng)的電路將電荷放大并移動(dòng)。由于CMOS信號(hào)是數(shù)字信號(hào)，因此無(wú)需使用ADC。

 
光子撞擊感光單元并釋放電子

兩類(lèi)傳感器各有優(yōu)缺點(diǎn)：

      CCD傳感器形成的圖像質(zhì)量高、噪聲低。CMOS傳感器通常更容易受到噪聲的影響。
      由于CMOS傳感器中的每一個(gè)像素旁邊都存在多個(gè)晶體管，因此CMOS芯片的感光度更低。許多光子沒(méi)有撞擊到光敏二極管，而是撞擊到這些晶體管上。
      CMOS通常消耗很少的能量。而CCD則不同，其使用的工序耗能很大。CCD消耗的能量是同等CMOS傳感器的100倍。
      CCD傳感器投入量產(chǎn)的時(shí)間更長(zhǎng)，因此更加成熟。這類(lèi)傳感器具有更高的像素質(zhì)量和數(shù)量。

CCD傳感器實(shí)體圖

雖然兩類(lèi)傳感器存在許多差異，但它們?cè)谙鄼C(jī)中的作用是相同的，都是將光轉(zhuǎn)化為電。如果只是為了了解數(shù)碼相機(jī)的工作原理，可以把它們看作是幾乎相同的裝置。

分辨率

相機(jī)能夠捕捉到的細(xì)節(jié)度稱(chēng)為分辨率，用像素來(lái)衡量。相機(jī)的像素越多，能夠拍攝的細(xì)節(jié)就越多，照片也就可以越大而不變得模糊或產(chǎn)生“顆粒”。

常見(jiàn)的幾種分辨率包括：
      256x256：在非常廉價(jià)的相機(jī)中可以找到，由于分辨率太低，畫(huà)質(zhì)幾乎總會(huì)無(wú)法讓人接受?？傁袼貫?5000。
      640x480：這是大多數(shù)真正意義上的相機(jī)所具有的起始分辨率，是通過(guò)電子郵件發(fā)送或在網(wǎng)站發(fā)布照片的理想選擇。
      1216x912：圖像大小達(dá)到百萬(wàn)像素（總像素為1109000），可用來(lái)打印照片。
      1600x1200：總像素接近200萬(wàn)，屬于“高分辨率”。你可以用大約10 x 13厘米的相紙打印用該分辨率拍攝的照片，其質(zhì)量和照相館拍出來(lái)的不相上下。
      2240x1680：在400萬(wàn)像素相機(jī)中可以找到這種分辨率，該分辨率允許打印更大的照片，能夠獲取高質(zhì)量打印效果的最大圖像尺寸大約是41 x 51厘米。
      4064x2704：這是目前業(yè)界較高技術(shù)水平的1110萬(wàn)像素?cái)?shù)碼相機(jī)在拍照時(shí)使用的分辨率。如果使用這種分辨率，你可以打印的照片尺寸大約是34 x 23厘米，而畫(huà)質(zhì)不會(huì)出現(xiàn)任何失真。

 
使用不同分辨率拍攝的圖像大小

高端相機(jī)能夠捕捉超過(guò)1200萬(wàn)像素的圖像。某些專(zhuān)業(yè)相機(jī)支持超過(guò)1600萬(wàn)像素，大幅相機(jī)甚至達(dá)到2000萬(wàn)像素。相比較而言，惠普公司 (Hewlett Packard) 估計(jì)，35mm膠卷的質(zhì)量大約為2000萬(wàn)像素。

相機(jī)成像原理

當(dāng)不同顏色的光線透過(guò)某一種顏色濾光鏡的總量是不是一樣的。我們?cè)谝粋€(gè)光敏二極管上安裝一個(gè)綠色濾鏡時(shí)，穿過(guò)一定是綠色的光線，但它們的深淺可能因入射光線的顏色而有所不同。所以，我們用四個(gè)光敏二極管來(lái)獲取某物體的反射光線。R單元可以獲取紅色的光線；B單元可以獲取藍(lán)色的光線；G單元可以獲取綠色的光線。將四個(gè)單元的信號(hào)（兩個(gè)G單元各取50%）進(jìn)行處理就可以獲得原始光線的顏色。
 

三原色混合新顏色

顏色是物體其本身的一種狀態(tài)，我們經(jīng)常說(shuō)某東西是什么顏色。但是，嚴(yán)格說(shuō)來(lái)，物體在我們的眼里呈現(xiàn)的顏色與環(huán)境照明條件有著因果關(guān)系。不同的物體反射的光譜不同，因而在我們的眼睛里有不同的顏色感覺(jué)。但這個(gè)是在用白色光的前提下才有的結(jié)論，如果我們換用不同顏色的光源來(lái)照射，那得到的結(jié)果肯定是不一樣的。例如，我們平時(shí)所說(shuō)的紅色的布，如果用紅色的光源來(lái)照射，那么它在我們的眼里就變成了白布！當(dāng)包含各種顏色的光線束通過(guò)本身就有顏色的濾光鏡片時(shí)，只有和它相同顏色的光線才能大量地通過(guò)，其他的光線都會(huì)被濾光鏡吸收掉，轉(zhuǎn)化為熱能。

數(shù)碼相機(jī)是通過(guò)鏡頭將光線聚集到感光器件上的。數(shù)碼相機(jī)的感光器件很小，而且外部的光線有時(shí)無(wú)法產(chǎn)生足夠的強(qiáng)度來(lái)使感光器件獲得足夠的光源信息。鏡頭就將外部的目標(biāo)物體反射回來(lái)的光線通過(guò)其特定的形狀，令光線折射到感光器件上。類(lèi)似的工作狀態(tài)有點(diǎn)像我們小時(shí)候在太陽(yáng)光下用放大鏡來(lái)燒螞蟻。

 
原始圖像（左）在光束分束器中被分割

鏡頭是由許多塊鏡片組成的，這些鏡片的形狀大都不相同，所以每一塊鏡片在鏡頭中的作用也不一定一樣。一般來(lái)說(shuō)，在不使鏡頭的透過(guò)率降低的情況下，采用多組的鏡片可以使鏡頭的成像更接近現(xiàn)實(shí)世界。

上面我們提到一個(gè)“鏡頭的透過(guò)率”，簡(jiǎn)單講來(lái)，就是光線可以有多少穿過(guò)鏡頭。鏡頭是由許多塊表面光滑的鏡片組成的，這些光滑的鏡片本身就會(huì)對(duì)光線產(chǎn)生反射。這樣會(huì)使進(jìn)入鏡頭的光線總量減少，影響后面的CCD/CMOS感光器件的成像?，F(xiàn)在的數(shù)碼相機(jī)一般采用在鏡片上鍍一層特殊的膜來(lái)使鏡片的反射盡可能減少。由于鍍一種膜只能使某一種顏色的光線減少反射，而不可能使所有的光全部進(jìn)入鏡頭。所以，我們一般的鍍膜主要集中在減少綠色的反射，因?yàn)槿说娜庋蹖?duì)綠色光非常敏感。還有一種鍍膜是為了增強(qiáng)鏡頭的耐磨性，使物鏡不那么容易被劃傷。

采用多種鏡片的作用主要是糾正單塊鏡片所造成的“失真”。由于透過(guò)鏡片的光線有許多種，其本身在同一塊鏡片中的折射率就不同，透過(guò)鏡片后會(huì)因?yàn)殓R片的干擾而產(chǎn)生像差。像差有許多種，例如球面象差，暈光和失光。我們?cè)谝恍┦謾C(jī)或廉價(jià)的攝像頭所拍攝的照片可以看到，照片中央有一個(gè)小圓圈，這是因?yàn)樗麄儾捎昧艘粔K鏡片而無(wú)法對(duì)鏡片的衍射現(xiàn)象進(jìn)行校正造成像差。還有就是圖像變形，這也是因?yàn)闆](méi)有對(duì)光線的路徑進(jìn)行校正。

 
數(shù)碼相機(jī)使用以下四種鏡頭：
 定焦鏡頭：這是廉價(jià)的一次性膠卷相機(jī)所使用的鏡頭，價(jià)格便宜且非常適合抓拍，但是很受局限。
 可自動(dòng)調(diào)焦的光學(xué)變焦鏡頭：類(lèi)似于攝像機(jī)的鏡頭，具備“廣角”與“遠(yuǎn)攝”選項(xiàng)和自動(dòng)聚焦功能。相機(jī)支持或不支持手動(dòng)調(diào)焦。這種鏡頭不只是將撞擊到傳感器上的信息放大，而是真正改變了鏡頭的焦距。
 數(shù)字變焦鏡頭：有了數(shù)字變焦，相機(jī)就能夠在圖像傳感器中央獲取像素并進(jìn)行插補(bǔ)，以形成完整大小的圖像。這種方法形成的圖像可能有顆粒感或較模糊，具體取決于圖像的分辨率和傳感器。可以用圖像處理軟件手動(dòng)演示這種效果：隨便拿出一張照片，將照片中央部分剪切掉再放大。
 可更換鏡頭：這和35mm 相機(jī)使用的可更換鏡頭類(lèi)似。某些數(shù)碼相機(jī)可以使用35mm相機(jī)所使用的鏡頭。
數(shù)碼相機(jī)存儲(chǔ)器

存儲(chǔ)器在數(shù)碼相機(jī)一般是外設(shè)，其內(nèi)部一般只會(huì)安裝很小容量的FLASH芯片，這對(duì)拍攝高分辨率的照片來(lái)說(shuō)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。一般的存儲(chǔ)器有CF（ComPACt Flash）、SM（Smart Media）、MMC（Multi Media Card）、SDC（Secure Digital Card）、MSD（Memory StICk Duo）、IBM的微型硬盤(pán)等。但就一般而言，這些存儲(chǔ)器除了IBM的產(chǎn)品以外，其他的都是采用閃存FLASH來(lái)作為存儲(chǔ)部件的。我們就從FLASH的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)來(lái)看它是怎么保存數(shù)據(jù)的。

我們知道，二進(jìn)制數(shù)的保存主要通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)就可以達(dá)到。FLASH也是這樣，它的內(nèi)部就是一串串不怕斷電的“開(kāi)關(guān)”，這些“開(kāi)關(guān)”的開(kāi)、斷就代表一個(gè)二進(jìn)制數(shù)0、1，那么一串串的開(kāi)關(guān)就可以表示很多個(gè)二進(jìn)制數(shù)，再對(duì)這些二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，就可以得到我們平時(shí)所見(jiàn)的有含義的數(shù)據(jù)了。

FLASH芯片是由許多個(gè)絕緣柵MOS管陣列按照一定的排列順序構(gòu)成的。FLASH芯片的“開(kāi)/關(guān)”主要也是通過(guò)這些MOS管來(lái)進(jìn)行的。絕緣柵MOS管的底層是一個(gè)晶體管的NP結(jié)，在這個(gè)NP結(jié)的上面有一個(gè)被場(chǎng)氧化物所包圍的多晶硅浮空柵。這個(gè)浮空柵的“浮空”構(gòu)成了MOS管的源極、漏極之間的導(dǎo)電溝。如果這個(gè)浮空柵上有足夠的電荷存在而不用依賴(lài)電源，那么就可以使MOS管的源極、漏極導(dǎo)通，在斷電的情況下也可以達(dá)到保存數(shù)據(jù)的目的。

在MOS管的源極和柵極之間加一個(gè)正向的電壓，使浮空柵上的電荷向源極擴(kuò)散，那么源極、漏極不導(dǎo)通；如果在源極和柵極之間加一個(gè)正向的電壓U-1，但同時(shí)也在源極和漏極之間加一個(gè)正向的電壓U-2，而且U-2總是小于U-1，那么源極上的電荷就向柵極上擴(kuò)散，使浮柵帶上電荷，這樣就可以使源極、漏極導(dǎo)通。因?yàn)楦攀恰案　笨盏?，沒(méi)有放電回路，浮柵上的電荷可以在斷電的情況下很長(zhǎng)時(shí)間不向其他地方擴(kuò)散，使源極和漏極保持“開(kāi)/關(guān)”。

這樣，控制器通過(guò)一定的接口和圖形處理器連接。在接到寫(xiě)入命令以后，就控制某個(gè)MOS管的源極和柵極、源極和漏極電源的開(kāi)或關(guān)，使其中的MOS管導(dǎo)通或斷開(kāi)，從而達(dá)到存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的目的。

數(shù)碼相機(jī)的處理器

數(shù)碼相機(jī)中處理器主要分兩類(lèi)，中央處理器和圖像處理器。前者是數(shù)碼相機(jī)的大腦，數(shù)碼相機(jī)的一切動(dòng)作，例如開(kāi)機(jī)自檢、錯(cuò)誤處理等，都由中央控制器發(fā)出。中央控制器是一塊可編程的DSP（Digital Signal Processing 數(shù)字信號(hào)處理），在外圍或其內(nèi)部，有一個(gè)小容量的FLASH，負(fù)責(zé)存放一些程序語(yǔ)句。中央控制器按照這些程序語(yǔ)句對(duì)相機(jī)的各種操作做出反應(yīng)，例如對(duì)環(huán)境的光線強(qiáng)度做出判斷、調(diào)節(jié)感光二極管放大器的放大率、用不用閃光燈、采用何種快門(mén)速度和光圈等。

圖像處理器中除了要把每一個(gè)像素點(diǎn)的顏色計(jì)算出來(lái)外，還要把它們按照一定的時(shí)鐘周期進(jìn)行排列，組成完整的圖像。在某些場(chǎng)合還要對(duì)圖像進(jìn)行一定格式的壓縮，使圖像的容量更小。圖象處理器實(shí)質(zhì)上也是一塊可編程的DSP處理器。事實(shí)上，圖像處理器算法的好壞對(duì)處理出來(lái)的圖像質(zhì)量影響很大。

在對(duì)電壓/電流信號(hào)進(jìn)行量化以后，圖象處理器要對(duì)像素的顏色進(jìn)行計(jì)算。例如，在R單元得到的數(shù)值是255，在G單元得到的是153，在B單元得到的是51，那么，圖象處理器按照本身定義的算法，將以上三個(gè)值代入，得到一個(gè)R值為255、G值為153、B值為51的顏色。

 
圖像中的插值計(jì)算
 在圖像處理的過(guò)程中，通常會(huì)用到“插值計(jì)算”這個(gè)算法。所謂的插值，就是在離散數(shù)據(jù)之間補(bǔ)充一些數(shù)據(jù)，使這組離散數(shù)據(jù)能夠符合某個(gè)連續(xù)函數(shù)。利用插值可通過(guò)函數(shù)在有限個(gè)點(diǎn)處的取值狀況，估算該函數(shù)在別處的值，即通過(guò)有限的數(shù)據(jù)，以得出完整的數(shù)學(xué)描述。通俗地講，我們把一張圖片的像素值增多，就是運(yùn)用了插值算法。圖片的像素本來(lái)就是那么多，但我們卻可以用軟件把某兩個(gè)像素的中間值計(jì)算出來(lái)，然后插在這兩個(gè)像素的中間。這種方法不能真正地使圖片的分辨細(xì)節(jié)增加，但通過(guò)插值計(jì)算而來(lái)的像素通常不會(huì)和真實(shí)情況相差太遠(yuǎn)，在某些場(chǎng)合（例如想把照片放大但又不想出現(xiàn)馬賽克鋸齒）還是有一定的用處的。現(xiàn)在一些相機(jī)的廣告說(shuō)它的產(chǎn)品最高可以拍出達(dá)到多少多少像素的照片，這時(shí)我們就要注意它是否是有效像素；如果只是經(jīng)過(guò)插值處理的，那是沒(méi)多大意義的，因?yàn)閺睦碚撋蟻?lái)說(shuō)，插值計(jì)算是可以無(wú)限的。

 這樣，生成的圖片按照產(chǎn)生的光敏二極管的物理位置來(lái)進(jìn)行排列，就可以得到一張完整的，未經(jīng)壓縮的圖片，存放在隨機(jī)動(dòng)態(tài)內(nèi)存RAM中，如果沒(méi)有壓縮要求，它們就會(huì)被寫(xiě)入FLASH中保存或通過(guò)接口傳輸?shù)狡渌O(shè)備。

 
JPG是數(shù)碼相機(jī)在壓縮圖片時(shí)首選的壓縮格式，這是因?yàn)镴PG有著極高的壓縮比，并且可以根據(jù)使用者的容量要求來(lái)設(shè)置圖像質(zhì)量。就現(xiàn)實(shí)而言，一張內(nèi)容復(fù)雜的而未經(jīng)壓縮的TIFT圖片和內(nèi)容相同而肉眼難以覺(jué)察它們的區(qū)別的JPG的容量比例大概可以達(dá)到5：1甚至更高。