数码相机成像原理

Posted 2020-11-20 ostin

一 镜头

        将被摄像目标反射的光线聚焦在成像元件上。

二 对焦

        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进行对焦。它是利用一些可以被利用的间接距离测量方式来获取物距，通过运算，伺服电路驱动调节焦距的微型马达，带动调焦镜片组进行轴向移动，来达到自动调节焦距的目的。经常被利用来进行间接距离测量的方式有：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测量领域的应用等。

 三 感光元件～成像元件

        相比传统的胶片相机来说，数码相机最大的改变就是将感光元件从胶片转变为了CCD/CMOS。

        相比传统的胶片相机来说，数码相机最大的改变就是将感光元件从胶片转变为了CCD/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”的意思。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，无法捕获色彩信息，因此彩色CCD/CMOS图像传感器必须在感光元件上方覆盖彩色滤光片。在这方面，不同的传感器厂商有不同的解决方案，最常用的做法是覆盖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（即红蓝滤光片分别覆盖一个像点，剩下的两个像点都覆盖绿色滤光片），这种解决方案就是大名鼎鼎的拜耳滤镜。

        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，因此感光元件直接输出的电信号是模拟的。在CCD传感器中，每一个感光元件都不对此作进一步的处理，而是将它直接输出到下一个感光元件的存储单元，结合该元件生成的模拟信号后再输出给第三个感光元件，依次类推，直到结合最后一个感光元件的信号才能形成统一的输出。

由于感光元件生成的电信号实在太微弱了，无法直接进行模数转换工作，因此这些输出数据必须做统一的放大处理。这项任务是由CCD传感器中的放大器专门负责，经放大器处理之后，每个像点的电信号强度都获得同样幅度的增大。但由于CCD本身无法将模拟信号直接转换为数字信号，因此还需要一个专门的模数转换芯片进行处理，最终以二进制数字图像矩阵的形式输出给专门的中央控制器处理芯片。

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、产生模拟的电信号之后，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工作示意图

CMOS和CCD图像传感器的主要区别就是CMOS本身就有ADC，而CCD只能使用外部的ADC。CMOS图像传感器集成的ADC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根据不同的色度要求形成红、绿、蓝三种色彩信道，通过相应的像素来显示出具体的颜色和深度。除此之外，还有一主要区别在于读出信号所用的方法。CCD的感光元件除了感光二极管之外，还包括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，在同等条件下可接收到较强的光信号，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，除处于核心地位的感光二极管之外，它还包括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，而感光二极管占据的面积只是整个元件的一小部分，造成CMOS传感器的开口率远低于CCD（开口率：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情况下，CMOS感光元件所能捕捉到的光信号就明显小于CCD元件，灵敏度较低。

体现在输出结果上，就是CMOS传感器捕捉到的图像内容不如CCD传感器来得丰富，噪点较明显，这也是早期CMOS传感器只能用于低端场合的一大原因。CMOS开口率低造成的另一个麻烦在于，它的像素点密度无法做到媲美CCD的地步，因此在传感器尺寸相同的前提下，CCD的像素规模总是高于同时期的CMOS传感器。

但随着科技的日渐进步，CMOS的制作工艺有了大幅度的提高，已经取代了CCD成为了现今数码相机的主流感光元件。一个生动的画面通过上述复杂的机内处理，变成了一系列二进制的数字信号，感光元件的任务就此结束。下面要开始忙活的，就是相机的大脑——处理器。

处理器

数码相机中处理器主要分两类，中央处理器和图像处理器。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、错误处理等，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 数字信号处理），在外围或其内部，有一个小容量的FLASH，负责存放一些程序语句。中央控制器按照这些程序语句对相机的各种操作做出反应，例如对环境的光线强度做出判断、调节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。

 

另外的图像处理器中除了要把每一个像素点的颜色计算出来外，还要把它们按照一定的时钟周期进行排列，组成完整的图像。在某些场合还要对图像进行一定格式的压缩，使图像的容量更小。图象处理器实质上也是一块可编程的DSP处理器。事实上，图像处理器算法的好坏对处理出来的图像质量影响很大。

 

在感光元件将实际景物转换为一系列二进制的数字信号后，ADC就会将数字信息流传递给数字信号处理器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整的图像。这些指令包括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，如果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，通过分解临近的像素颜色来决定某一特定像素的具体色值。

如果使用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。在对电压/电流信号进行量化以后，图象处理器要对像素的颜色进行计算。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，图象处理器按照本身定义的算法，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。通过如上步骤，最终的图像才能够显示出自然的颜色。