数码影像基础知识综述-第1章

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作者：大浪淘沙

第一章　数码相机的综述　

　　数码相机也叫数字式相机，是光、机、电一体化的产品。最早出现在美国，20多年前，美国曾利用它通过卫星向地面传送照片，后来数码摄影转为民用并不断拓展应用范围。数码相机的核心部件是电荷耦合器件（CCD）图像传感器，它使用一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变为电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号，数字信号经过压缩以后由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存，因而可以轻而易举地把数据传输给计算机，并借助于计算机的处理手段，根据需要和想象来修改图像。

　　数码相机的最大优势在于它的信息数字化，由于数字信息可以借助遍及全球的数字通讯网即时传送，所以数码相机首先可以实现图像的实时传递。

　　数码相机作为一种计算机输入设备，近年取得了长足的发展和进步。首先是由于技术及工艺的进步，现在作为计算机输入设备的数码相机主流机型分辨率一般已在百万像素级。其外观造形与传统相机几无差别。其次由于产量、销量的增加以及技术进步等因素，现在数码相机的价格也正以很快的速度下降。这些都促进了数码相机应用的普及，普及反过来又促使厂商在技术及工艺上作更大的投入。这种良性交互正在使得数码相机成为计算机应用一个不可或缺的设备。

　　数码相机的外观、部分功能及操作与普通的相机差不多。但数码相机与传统相机还有以下几个不同点：

　　制作工艺不同：数码相机作为一种摄影工具，它的外形与传统的相机基本相似，只是传统相机使用银盐感光材料即胶卷作为载体，拍摄后的胶卷要经过冲洗才能得到照片，刚拍摄后操作者无法知道照片拍摄效果的好坏并对拍摄得不好的照片进行删除，一般情况下，通过暗房加工出来的照片的效果是不能再改变的。数码相机不使用胶卷，而是使用电荷耦合器CCD元件感光，然后将光信号转变为电信号，再经模/数转换后记录于存储卡上，存储卡可反复使用。由于数码相机拍摄的照片要经过数字化处理再存储，拍摄后的照片可以回放观看效果，对不满意的照片可以立即删除重拍。拍摄后把数码相机与电脑连接，可以方便地将照片传输到电脑中并进行各种处理，再通过打印机打印出来，这是数码相机与传统相机的主要区别。

　　拍摄效果不同：传统相机的卤化银胶片可以捕捉连续的色调和色彩，而　数码相机的CCD元件在较暗或较亮的光线下会丢失部分细节，更重要的是，数码相机CCD元件所采集图像的像素远远小于传统相机所拍摄图像的像素　。一般而言，传统35毫米胶片解析度为每英寸2500线，相当于1800万像素甚至更高，而目前数码相机使用的最好的CCD所能达到的像素还不足1000万。在现阶段，数码相机拍摄的照片，不论在影像的清晰度、质感、层次、色彩的饱和度等方面，都无法与传统相机拍摄的照片相媲美。

　　拍摄速度不同：在按下快门即数码相机真正记录数据之前，需要等待1。5秒，这是因为数码相机要进行调整光圈、改变快门速度、检查自动聚焦、打开闪光灯等操作。数码相机每拍摄完一张照片，要等待3至7秒才能拍摄下一张照片，这是因为数码相机要对已拍摄的照片进行图像压缩处理并存储起来，由于存储卡的存储速度较慢，故数码相机的拍摄速度，特别是连拍速度还无法达到专业摄影的要求，再由于相机的每个动作都需要耗电，故数码相机的耗电量较大，这些都是数码相机存在的缺点

　　存储介质不同：数码相机的图像以数字方式存储在磁介质上，而传统相机的影像是以化学方法记录在卤化银胶片上。

　　输入输出方式不同：数码相机的影像可直接输入计算机，处理后打印出来。传统相机的影像必须在暗房里冲洗，要想进行处理必须通过扫描仪扫描进计算机，而扫描后得到的图　像的质量必然会受到扫描仪精度的影响。这样，即使它的原样质量很高，经过扫描以后得到的图像就差得远了。　数码相机可将自然界的一切瞬间轻而易举地拍摄为供电脑直接处理的数码影像，并可在电视上显示，因而众多的生产电脑或家电的厂商如惠普、索尼、苹果、夏普等都竞相生产数码相　机，它已不再只是柯达或富士公司等摄影器材厂的专营产品。目前，日本的几家摄影器材公司正努力钻研，准备5年内淘汰溴银胶卷。据预测，今后10年全球大多数人将会使用数码相机。众多的跨国公司角逐数码相机市场，正是由于他们看准了数码相机的突出优点，即它可在速度、方便性、降低图片的成本及提高效率方面使用户获益。

　　我国数码相机市场只是近几年才悄然兴起的。从经销的品牌来看，主要是以名牌产品为主，其中最为主流的品牌有如FujiFilm、Kodak、Olympus、SONY等。98年度我国数码相机的总体销量在4万台左右，预计99年度将突破6万台，目前市面上主流的商用级数码相机型号有：FujiFilm　MX…500/MX…600/MX…2900；Olympus　1400XL/2000zoom；　KODAK　DC240/DC265/DC280；　SONY　FD81/FD88C/FD91等，它们的价格一般在在4000～9000元人民币之间。

　　数码相机用户主要分布于计算机、通信、电子、金融、交通、文化、商业、旅游、建筑、军警及政府等部门。数码相机对于个人用户来说，主要用于旅游、摄影等方面，占近半数的用户是用于专业摄影及为工作提供便利；而作为单位用户，最主要用于工作所需的拍摄，其次用作产品介绍及广告设计、新闻采访、桌面排版及建筑方面的装璜设计。

　　随着全球日益高涨的数码热潮，加上数码相机的技术逐渐成熟，以及价格的逐渐下降，数码相机将成为IT行业增长最为迅速的产业之一。
第二章　影响数码相机拍摄品质的主要性能指标

　　数码相机是集光学、机械、电子于一体的产品，它集成了影像信息的转换，存储和传输等部件，具有数字化存取模式，与电脑交互处理和实时拍摄等特点。数码相机的许多性能指标都借助了传统相机的概念，但由于数码相机与传统相机在构造上的不同，一般厂家都使用“相当与传统相机”的概念进行描述，本章将详细介绍影响数码相机拍摄品质的性能指标（本部分在许多概念上与传统相机相似）

数码相机的分辨率
数码相机的色彩深度
数码相机的光学镜头
数码相机的镜头焦距
数码相机的光圈与快门
数码相机的白平衡
数码相机的感光度
数码相机的曝光补偿《
BR》数码相机的曝光模式

1　数码相机的分辨率

　　与传统的相机相比，传统相机使用“胶卷”作为其记录信息的载体，而数码相机的“胶卷”就是其成像器件，而且是与相机一体的，是数码相机的心脏。数码相机使用光敏元件作为成像器件，将图像中的光学信息转化为数字信号。目前光敏元件有两种：一种是广泛使用的CCD（电荷耦合）元件；另一种是新兴的CMOS（互补金属氧化物半导体）器件。数码相机的分辨率是指相机中光敏元件的数目。在相同分辨率下，CMOS比CCD便宜，但是CMOS光敏器件产生的图像质量要低一些。

　　目前市场上常见数码相机的成像器件是CCD（电荷耦合器件），CCD图像传感器，它用一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变为电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号，数字相机的CCD内含的晶体管数量越多，分辨率也越高。CCD的分辨率—
——像素数常被用作划分数码相机档次的主要依据。诚然，CCD的分辨率在一定意义上决定了数码相机成像的质量，但正像颗粒度不能完全概括胶卷的质量一样，分辨率也不是评价CCD质量的唯一标准。其色彩深度，芯片本身的制造水平等，对最终成像质量带来的影响都不容低估。

　　但与数码相机其它指标相比，分辨率依然是数码相机最重要的性能指标。数码相机的分辨率使用图像的绝对像素数来衡量（而不采用每英寸多少像素DPI的指标），这是由于数码照片大多数采用面阵CCD。数码相机拍摄图像的像素数取决于相机内CCD芯片上光敏元件的数量，数量越多则可产生的图象分辨率越高，所拍图像的质量也就越高，当然，相机的价格也会大致成正比地增加。数码相机的分辨率还直接反映出能够打印出的照片尺寸的大小。分辨率越高，在同样的输出质量下可打印出的照片尺寸越大。同类数码相机而言，分辨率越高，档次越高，但占用的存储器空间就越多，另外还对加工、处理的计算机的速度、内存和硬盘的容量以及相应软件都有高的要求。

　　若单从CCD芯片制造工艺的角度考察，其芯片面积越小、集成度越高越好，虽然有人认为，在镜头光学分辨率有限，CCD像素数一定时，芯片面积越大，成像质量越好。但从目前数码相机的实际拍摄效果来看，一般使用小芯片CCD的数码相机相对图象偏好，也许是因为集成度高的CCD，在原始材料及工艺更优的缘故。

　　在了解数码相机的分辨率时，一定要区分两个分辨率的概念，一个是CCD的分辨率（或像素值），另外是拍摄图象的分辨率（一般厂家标明的图象的最大分辨率）。这两个分辨率，原则上是CCD的分辨率决定了图象的最大分辨率，但这两个分辨率一般情况下不相等。

　　如果您在选择数码相机，一定要注意，CCD的分辨率（像素点）是最为重要的指标，在同样的最大拍摄图象的分辨率下，CCD的分辨率越大越好。例如对于同样可以拍摄图象分辨率如（1280*1024）的相机，150万像素的CCD相机的拍摄质量会好于141万像素CCD的数码相机。这是因为，CCD作为感光器件，CCD边缘的像素点在拍摄时，由于边缘光的影响，一般会出现一定的偏色和眩晕，数码相机在CCD像素大于图象拍摄像素时，会自动切除边缘像素，从而去除眩晕和偏色，并且边缘切除越多越好。

　　这就是厂家用141万像素甚至150万像素的CCD制造最大拍摄1280*1024（131万像素）的图象数码相机的原因。所以追求品质的厂家一般都用CCD的精度都远高于拍摄图象的最大精度。

　　目前还有不少相机，拍摄图象的精度（如1200*1800）远高于CCD的精度（131万像素）。这是通过软件插值处理（任何一个图象软件下都有的功能），因而这个图象精度完全是不可取的。软件加大精度只能够让图象细节模糊，如果打印成大幅画面，则清晰度往往难以令人满意，尤其是细节表现非常低劣。因而您在购买数码相机时，只能以CCD的精度为衡量相机好坏的标准。否则您可能会将131万像素的数码相机，当200万像素的相机买回家。

　　照片分辨率厂家都会标明其相机的最大分辨率如1280×1024。用户也可以调低分辨率从而在相同的存储卡上保存更多数量的照片。不同用途的照片可以选用不同的分辨率以及压缩比。这种选择应当是越多越好。这里要说明一点，同一分辨率下可以有不同的压缩比，分辨率和压缩比同时决定照片的质量，这一点须请各位读者注意。当然，质量和数量在同一存储卡上就是一对矛盾，这就要求用户适当选择。

2．数码相机的色彩位数

　　色彩位数又称彩色深度，数码相机的彩色深度指标反映了数码相机能正确记录色调有多少，色彩位数的值越高，就越可能更真实地还原亮部及暗部的细节。目前几乎所有的数码相机的色彩位数都达到了24位，可以生成真彩色的图象。一些号称30或36位，实际的CCD也是24位，目前商用级的数码相机CCD都是24位。因而这一指标目前并不是衡量数码相机的关键指标，在一般应用场合下，可不必多加考虑。

3．数码相机的光学镜头

　　对于相机，镜头的好坏一直是影响成像质量的关键因素，数码相机当然也不例外。虽然由于数码相机的CCD分辨率有限，原则上对镜头的光学分辨率要求较低；但另一方面，由于数码相机的成像面积较小（因为数码相机是成像在CCD上，而CCD的面积较传统35毫米相机的胶片小很多），因而需要镜头保证一定的成像素质。举例来说，对某一确定的被摄体，水平方向需要200个像素才能完美再现其细节，如果成像宽度为10mm，则光学分辨率为20线／mm的镜头就能胜任，如果成像宽度为1mm，则要求镜头的光学分辨率必须在2000线／毫米以上。另一方面，传统胶卷对紫外线比较敏感，外拍时常需要加装UV镜，而CCD对红外线比较敏感，镜头增加特殊的镀层或外加滤镜也会大大提高成像质量。镜头的物理口径也是必须要考虑的，且不管其相对口径如何，其物理口径越大，光通量就越大，数码相机对光线的接受和控制就会更好，成像质量也就越好。

　　目前商用或家用数码相机的镜头，部分厂家采用了相对比较好的镜头。富士相机采用了170线/毫米解析度的专业富士龙镜头，这种内置的新型富士龙镜头比大多数SLR镜头更清晰。不仅在精度上保证了图象拍摄的品质，而且其镜头错误率也达到令人惊异的0。3％；　较一般的数码相机低2/3。

　　另外在部分数码相机中，还提供了远距及广角两种镜头方式。这在您选择数码相机时，也是一个参考的指标。

　　在传统的数码相机中，广角镜头是一种焦距短于标准镜头、视角大于标准镜头、距长于鱼眼镜头、视角小于鱼眼镜头的摄影镜头。广角镜头又分为普通广角镜头和超广角镜头两种。135照相机普通广角镜头的焦距一般为38－24毫米，视角为60－84度；超广角镜头的焦距为20－13毫米，视角为94…118度。由于广角镜头的焦距短，视角大，在较短的拍摄距离范围内，能拍摄到较大面积的景物。所以，广泛用于大场面风摄影作品的拍摄。在摄影创作中，使用广角镜头拍摄，能获得以下几个方面的效果：一是能增加摄影画面的空间纵深感；二是景深较长，能保证被摄主体的前后景物在画面上均可清晰的再现。所以，现代绝大多数的袖珍式自动照相机（俗称傻瓜照相机）采用38－35毫米的普通广角镜头；三是镜头的涵盖面积大，拍摄的景物范围宽广；四是在相同的拍摄距离处所拍摄的景物，比使用标准镜头所拍摄的景物在画面中的影像小；五是在画面中容易出现透视变形和影像畸变的缺陷，镜头的焦距越短，拍摄的距离越近，这种缺陷就越显著。

　　目前商用级的数码相机中多使用与普通35　mm相机相同的普通广角镜头，由于其在景深深，拍摄范围广等优点，因而在选择数码相机时，同样性能的数码相机，能够具有广角和远距的数码相机将会性能更好一些。目前具有广角拍摄功能的数码相机有富士的MX…600，KODAK的DC265，OLYMPUS的1400XL等。

4．数码相机的镜头焦距

　　与人类的眼睛一样，数码照相机通过镜头来摄取世界万物，人类的眼睛如果焦距出现误差（近视眼），则会出现无法正确的分辨事物，同样作为数码相机的镜头，其最主要的特性也是镜头的焦距值。镜头的焦距不同，能拍摄的景物广阔程度就不同，照片效果也迥然相异。如果您经常使用普通的35毫米相机，对相机的镜头焦距应该会有基本的认识，比如一般使用35毫米左右的镜头拍摄风景、纪念照，而用