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在过去二十年里，消费电子产品的大多数重要技术突破实践上可归结于一项更大意义上的科技反动。认真察看就会发现，CD、DVD、高清电视、MP3和DVR其实都是基于相同的原理，即：将传统的模仿信息转变为数字信息。这一技术上的基本转变完整推翻了我们处置图像和声音信息的方式，使许多事情成为可能。 数码相机的呈现是这一转变最显著的例子——它与传统相机存在实质上的差别。数码相机的面世，使非专业摄影师也能拍出美丽照片的几率大大进步。用数码相机拍出来的照片也有着艳丽的颜色，明晰的画面，而且照片的后期处置愈加方便和快捷。但数码相机是怎样工作的，以及这些工作原理和传统的胶片相机有何异同，了解的人就不是很多了。今天我们就按数码照片的构成过程，从镜头、感光元件、处置器不时到存储系统，一步一步地来了解数码相机的工作原理。
相机的数码化进程 数码相机的历史能够追溯到上个世纪四五十年代，电视就是在那个时分呈现的。随同着电视的推行，人们需求一种能够将正在转播的电视节目记载下来的设备。1951年宾·克罗司比实验室发明了录像机（VTR），这种新机器能够将电视转播中的电流脉冲记载到磁带上。到了1956年，录像机开端大量消费。同时，它被视为电子成像技术的降生。 第二个里程碑式的事情发作在二十世纪六十年代的美国宇航局。在宇航员被派往月球之前，宇航局必须对月球名义中止勘测。但是工程师们发现，由探测器传送回来的模仿信号被夹杂在宇宙里其它的射线之中，显得十分微小，空中上的接纳器无法将信号转变成明晰的图像。于是工程师们不得不另想措施。 1970年是影像处置行业具有里程碑意义的一年，美国贝尔实验室发明了CCD。当工程师运用电脑将CCD得到的图像信息中止数字处置后，一切的干扰信息都被剔除了。后来“阿波罗”登月飞船上就装置有运用CCD的装置，这就是数码相机的原形。得益于这一技术，在“阿波罗”号登上月球的过程中，美国宇航局接纳到的数字图像如群居网般明晰。
“阿波罗”号回传的数字图像 在这之后，数码图像技术展开得更快，主要归功于冷战期间的科技竞争。而这些技术也主要应用于军事范畴，大多数的特务卫星都运用了数码图像技术。 在数码相机展开史上，不得不提的是索尼公司。索尼于1981年8月在一款电视摄像机中初次采用CCD，将其用作直接将光转化为数字信号的传感器。目前索尼每年消费的感光元件也占领了全球很大一部分的市场，这也正是现今索尼能够在感光元件市场上傲视群雄的一个缘由，由于中心命脉控制在自己手中。 在冷战终了之后，军备科技竞赛很快地转变为了市场科技争霸。1995年，以消费传统相机和具有强大胶片消费才干的柯达公司向市场发布了其研制成熟的民用消费型数码相机DC40。这被很多人视为数码相机市场成型的开端。DC40运用了内置为4MB的内存，不能运用其它移动存储介质，其38万像素的CCD支持生成756×504的图像，兼容Windows 3.1和DOS。苹果公司的QuickTake 100也同时在市场上推出。当时两款相机都提供了对电脑的串口衔接。
柯达DC40 从此之后，数码相机就如雨后春笋般不时由各相机厂商推出，感光元件的像素不时增加，创意功用不时创新，拍摄的图像效果也越来越接近并超越传统相机。 镜头 人类用眼睛来感知颜色缤纷的世界，而照相机则是用镜头来摄取美丽的景物。人眼中客观存在的场景实践上是一种光学信息的表白，景物反射出不同亮度和光谱的光线以显现出不同的颜色。照相机就是要把某一瞬间的光线永世保存下来，传统照相机是把这些光线转化对应为胶片上化学药剂的变更，而这些胶片也只是半废品，还需进一步的化学反响才干显影，可见传统胶片照相机的拍摄过程完整是光信号与化学信号的转换过程。
而数码相机不论其最终的存储介质是什么，其实质是把一组一定亮度和光谱的光线转化为一堆二进制数，然后保存在某种记载介质上，属于光信号与电信号的转换。但是不论是数码相机还是传统照相机，首先接纳的都是景物的光学信息，所以，光学镜头是必不可少的第一组件，被摄景物信息必须经过光学镜头才干成像抵达成像器件。
镜头的作用是将外部的目的物体反射回来的光线经过其特定的外形，集聚折射到感光器件上。相似的工作状态有点像我们小时分在自然课上学过的用一片凸透镜聚光来产生更多的光亮。 在经过镜头确认要拍摄的对象以后，我们把相机的镜头对准目的物体。这时，物镜或物镜组就会依据自动对焦系统的控制信号来调理它和感光器件的距离，使物体的像刚好落到感光元件上，这样才能够构成明晰的图像。而镜头的自动对焦系统的工作原理，就是我们要讨论的重点之一。
现今的数码相机自动对焦镜头从工作原理上说大多都采用了间接实测物距方式中止对焦。它是应用一些能够被应用的间接距离丈量方式来获取物距，经过运算，伺服电路驱动调理焦距的微型马达，带动调焦镜片组中止轴向移动，来抵达自动调理焦距的目的。经常被应用来中止间接距离丈量的方式有：无源光学基线测距、有源超声波测距、有源主动红外测距以及现代的激光技术在丈量范畴的应用等。
无源光学基线测距：熟习摄影的朋友都知道，这是一种在取景器里运用光学基线原理得到磨砂、裂像、菱锥等伎俩的焦距调理方式。磨砂颗粒最细腻时、景物目的在两半圆裂像环中完整吻合上、菱锥的晶体不再明显时就是被摄目的的物距调理到明晰了。 有源超声波测距：经过发射具有特征频率的超声波对被摄目的的探测，运用发射出特征频率的超声波和反射回接遭到特征频率的超声波所用的时间，换算出距离，也就是物距，应用伺服电路驱动调理焦距的微型马达，抵达自动调焦的目的。 有源主动红外测距以及现代激光技术测距：二者在原理上基原形似。这类方式在应用上目的精度极高，由此而来的高成本也是不可思议的。且体积普通都比较大，维护也相当艰难，不外在高档摄影器材中曾经有了一些运用这类技术简化版的产品呈现。 对焦过程终了后，各位摄影师就该准备按下快门永世保存下令人感动的瞬间了。那么细致的物象是如何变成一系列的光电信号的呢？让我们接着说说感光元件那些事。 感光元件 相比传统的胶片相机来说，数码相机最大的改动就是将感光元件从胶片转变为了CCD/CMOS。传统胶片相机运用银盐作为感光资料，即胶卷作为感光元件，拍摄后还需经过冲洗才干得到最终成片。岂但无法第一时间得知最终效果而且在保存上也不太方便。而数码相机的“胶卷”就是其成像感光元件，它与相机融为一体，是数码相机的心脏。感光元件是数码相机的中心，也是最关键的技术。数码相机的展开道路，能够说就是感光元件的展开道路。目前数码相机的中心成像部件有两种：一种是CCD，一种是CMOS。
CCD的全称是Charge Couple Device，翻译过来就是“光电荷耦合器件”，CMOS的全称是Complementary Metal-Oxide Semiconductor，是“互补金属氧化物半导体”的意义。CCD和CMOS的工作原理有一个共通点，那就是都是用光敏二极管来作为光-电信号的转化元件。 它们每个感光元件的像素点分别对应图像传感器中的一个像点，由于感光元件只能感应光的强度，无法捕获颜色信息，因而彩色CCD/CMOS图像传感器必须在感光元件上方掩盖彩色滤光片。在这方面，不同的传感器厂商有不同的处置计划，最常用的做法是掩盖RGB红绿蓝三色滤光片，以1：2：1的构成由四个像点构成一个彩色像素（即红蓝滤光片分别掩盖一个像点，剩下的两个像点都掩盖绿色滤光片），这种处置计划就是大名鼎鼎的拜耳滤镜。
拜耳滤镜表示图 在接受光照之后，感光元件产生对应的电流，电流大小与光强对应，因而感光元件直接输出的电信号是模仿的。在CCD传感器中，每一个感光元件都错误此作进一步的处置，而是将它直接输出到下一个感光元件的存储单元，分离该元件生成的模仿信号后再输出给第三个感光元件，依次类推，直到分离最后一个感光元件的信号才干构成统一的输出。 由于感光元件生成的电信号真实太微小了，无法直接中止模数转换工作，因而这些输出数据必须做统一的放大处置。这项任务是由CCD传感器中的放大器特地担任，经放大器处置之后，每个像点的电信号强度都取得同样幅度的增大。但由于CCD自身无法将模仿信号直接转换为数字信号，因而还需求一个特地的模数转换芯片中止处置，最终以二进制数字图像矩阵的方式输出给特地的中央控制器处置芯片。 而CMOS传感器中每一个感光元件都直接整合了放大器和模数转换逻辑（ADC），当感光二极管接受光照、产生模仿的电信号之后，电信号首先被该感光元件中的放大器放大，然后直接转换成对应的数字信号。
CCD与CMOS工作表示图 CMOS和CCD图像传感器的主要区别就是CMOS自身就有ADC，而CCD只能运用外部的ADC。CMOS图像传感器集成的ADC能够直接将模仿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置后最终依据不同的色度请求构成红、绿、蓝三种颜色信道，经过相应的像历来显现出细致的颜色和深度。除此之外，还有一主要区别在于读出信号所用的措施。CCD的感光元件除了感光二极管之外，还包含一个用于控制相邻电荷的存储单元，CCD感光元件中的有效感光面积较大，在同等条件下可接纳到较强的光信号，对应的输出电信号也更明晰。
而CMOS感光元件的构成就比较复杂，除处于中心位置的感光二极管之外，它还包含放大器与模数转换电路，每个像点的构成为一个感光二极管和三颗晶体管，而感光二极管占领的面积只是整个元件的一小部分，构成CMOS传感器的启齿率远低于CCD（启齿率：有效感光区域与整个感光元件的面积比值）；这样在接受同等光照及元件大小相同的状况下，CMOS感光元件所能捕获到的光信号就明显小于CCD元件，灵活度较低。 体往常输出结果上，就是CMOS传感器捕获到的图像内容不如CCD传感器来得丰厚，噪点较明显，这也是早期CMOS传感器只能用于低端场所的一大缘由。CMOS启齿率低构成的另一个省事在于，它的像素点密度无法做到媲美CCD的地步，因而在传感器尺寸相同的前提下，CCD的像素范围总是高于同时期的CMOS传感器。 但随着科技的日渐进步，CMOS的制造工艺有了大幅度的进步，曾经取代了CCD成为了现今数码相机的主流感光元件。一个生动的画面经过上述复杂的机内处置，变成了一系列二进制的数字信号，感光元件的任务就此终了。下面要开端忙活的，就是相机的大脑——处置器。 处置器 数码相机中处置器主要分两类，中央处置器和图像处置器。前者是数码相机的大脑，数码相机的一切动作，例如开机自检、错误处置等，都由中央控制器发出。中央控制器是一块可编程的DSP（Digital Signal Processing 数字信号处置），在外围或其内部，有一个小容量的FLASH，担任寄存一些程序语句。中央控制器依照这些程序语句对相机的各种操作做出反响，例如对环境的光线强度做出判别、调理感光二极管放大器的放大率、用不用闪光灯、采用何种快门速度和光圈等。
另外的图像处置器中除了要把每一个像素点的颜色计算出来外，还要把它们依照一定的时钟周期中止排列，组成完好的图像。在某些场所还要对图像中止一定格式的紧缩，使图像的容量更小。图象处置器实质上也是一块可编程的DSP处置器。事实上，图像处置器算法的好坏对处置出来的图像质量影响很大。
在感光元件将实践景物转换为一系列二进制的数字信号后，ADC就会将数字信息传播送给数字信号处置器DSP。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好的图像。这些指令包含绘制图像传感器数据、分配每个像素的颜色和灰度。在单一传感器数字相机中，假如只需一个彩色滤镜阵列，算法程序将主要中止每个像素的颜色数据处置，经过合成临近的像素颜色来决议某一特定像素的细致色值。 假如运用RGB颜色的话，那么组成最终图像的每个像素的颜色都能够看成是三原色的合成。在对电压/电流信号中止量化以后，图象处置器要对像素的颜色中止计算。例如，在R单元得到的数值是255，在G单元得到的是153，在B单元得到的是51，那么，图象处置器依照自身定义的算法，将以上三个值代入，得到一个R值为255、G值为153、B值为51的颜色。经过如上步骤，最终的图像才能够显现出自然的颜色。
每个厂商设计的处置程序各不相同，他们经过各不相同的颜色均衡与色饱和度设置来生成彩色图像。数码相机还运用一个或者多个DSP以及其他设备来共同处置所得数据，以期抵达圆满画质，并且充沛思索消费者对画质偏好的选择权益。假如想要拍下本不需求的噪点，或者经过电子快门来完成雾化效果，这些需求制造商都是经过对算法处置程序中止相应的修正来满足的。相似的程序修正还有很多，例如图像锐化的应用，白均衡的预设等等。所以我们能够得出如下的结论——各个制造商所产数码相机的最大不同就在于图像处置过程的种种算法差别，而这也是招致各厂家影像作风不同的最主要缘由。
看到这里，大家应该知道所谓的“尼康锐、佳能魅”的缘由了吧，摄影师在得到艳丽的照片后就就该揣摩怎样把它保存下来了，而这也就是照片消费过程中的最后一步——存储工作了。 存储器 存储器普通是数码相机的外设部分，由于数码相机的内部普通只会装置很小容量的FLASH芯片，这对拍摄高分辨率的照片来说是远远不够的。普通的外设存储器有CF（Compact Flash）、SM（Smart Media）、MMC（Multi Media Card）、SDC（Secure Digital Card）、MSD（Memory Stick Duo）、IBM的微型硬盘等。但就普通而言，这些存储器除了IBM的产品以外，其他的都是采用闪存FLASH来作为存储部件的。我们就从FLASH的内部微观结构来看它是怎样保存数据的。
FLASH中绝缘栅MOS管的底层是一个晶体管的NP结，在这个NP结的上面有一个被场氧化物所包抄的多晶硅浮空栅。这个浮空栅的“浮空”构成了MOS管的源极、漏极之间的导电沟。假如这个浮空栅上有足够的电荷存在而不用依赖电源，那么就能够使MOS管的源极、漏极导通，在断电的状况下也能够抵达保存数据的目的。 在MOS管的源极和栅极之间加一个正向的电压，使浮空栅上的电荷向源极扩散，那么源极、漏极不导通；假如在源极和栅极之间加一个正向的电压U-1，但同时也在源极和漏极之间加一个正向的电压U-2，而且U-2总是小于U-1，那么源极上的电荷就向栅极上扩散，使浮栅带上电荷，这样就能够使源极、漏极导通。由于浮栅是“浮”空的，没有放电回路，浮栅上的电荷能够在断电的状况下很长时间不向其他中央扩散，使源极和漏极坚持“开/关”。
MOS管 这样，控制器经过一定的接口和图形处置器衔接。在接到写入命令以后，能够就控制某个MOS管的源极和栅极、源极和漏极电源的开或关，使其中的MOS管导通或断开，从而抵达存储数据的目的。 看到这里，置信很多朋友曾经大致了解了数码相机各部分的基本工作原理，抵达了知其然也知其所以然的新境地。数码相机的平民化让更多的人享遭到了摄影的乐趣，科技的不时创新也在不停地改动着人们的生活。由此可见，科技并不只是高高在上的空中楼阁，也培育了辅佐我们留下永世瞬间的随身同伴。 版权声明：以上内容源自蒋懿龙 问摄影，仅供观赏、学习、交流，版权为原作者一切。如有侵犯您的原创版权，敬请告知我们，我们将在第一时间删除或支付您稿费，谢谢！ 中国青年摄影网（www.cnyouthp.com）赐稿、推行宣传、商业协作请递：3225701340@qq.com |
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