数码相机原理和基础知识

数码相机

程忆萍

教学目的：掌握数码相机的工作原理、结构及各部件作用 教学难点：工作原理、结构组成 教学工具：数码相机一架 教学过程： 引言：

数码相机也称数字相机，风靡了整个世界。数码相机是数字时代的一个重要标志， 它集光学技术、传感技术、微电子技术以及计算机技术和机械技术的优势于一体，采用 光电转换器，将光信息转换成电信息，再加以特立处理并进行存储，是一个典型的光机 电一体化产品，大有取代传统相机的趋势。

一、

数码相机的组成

图1 妁码相机结构示裁图

1、 镜头

数码相机镜头作用与普通相机镜头作用相同。取景。 分类：变焦镜头、泄焦镜头。

2、 图象传感器 （1 ）、作用：

将光信号转变为电信号。

图象传感器是数码相机的核心部件，其质量决左了数码相机的成像质量。图象传感 器的体积通常很小，但却包含了几十万个乃至上钱万个具有感光特性的二极管一一光电 二极管。每个光电二极管即为一个像素。当有光线照射时，光电二极管就会产生电荷累 积，光线越多，电荷累积的就越多，然后这些累枳的电荷就会被转换成相应的像素数拯。

（2 ）、种类

电荷耦合器件（CCD ）：电路复杂，读取信息需在同步信号控制下一位一位地实 地转移后读取，信息读取复杂，速度慢：要三组电源供电，耗电量大，但技术成熟，成 像质量好。

内存

液品显示屏

图象传廉器

移动存储

换 转 数 模

互补金属氧化物半导体（CMOS）：电路简单，信息直接读取，速度较快，只需使用一个电源，耗电两小，为C C D的1/8到1/10；但个光电传感元件、电路之间距离近，相的光、电、磁干扰较严重，对图象质量影响很大。

3、A / D转换器（模拟数字转换器）

作用：将模拟信号转换成数字信号的部件。

指标：转换速度、量化精度

量化精度对应于A / D转换器将每一个像素的亮度或色彩值量化为若干个等级，这个等级就是数码相机的色彩深度。

对于具有数字化接口的图象传感器（如C M O S ）,则不需A / D转换器。

4、M P U （微处理器）

作用：通过对图象传感器的感光强弱程度进行分析，调肖光圈和快门。

系统结构: DRAM

USB

一般数码相机采用的微处理器模块的结构如图2所示，包括图象传感器数据处理

DSP、

S RAM控制器，显示控制器、J PEG编码器、U B S等接口、运算处理单音频接口（非通用模块）和图象传感器时钟生成器等功能模块。

5、存储设备

作用：用于保存数字图象数据。

种类：内置存储器：为芯片，用于临时存储图象。

移动存储器：SD卡、N4D卡、软盘、CD、记忆棒等。

6 x L C D （液晶显示屏）

作用：电子取景器、图片显示和功能菜单显示。

分类：DSTN LCD（双扫扭曲向列液晶显示器）

TFT LCD（薄膜晶体管液晶显示器），数码相机多采用.

7、输入输出接口

作用：数据交互。

常用接口：图象数据存储扩展设备接口、计算机通信接口、连接电视机的视频接口。

二、 数码相机工作原理

数码相机中的镜头将光线会聚到感光器件C C D 上,C C D 代替的传统相机中胶卷 的

位垃，它的功能是将光信号转变为电信号。这样我们就得到了对应于拍摄景物的电子图 象，但它还不能马上被送去计算机处理，还需要进行模数处理：接下来MP U 对数字信 号进行压缩并转化为特定的图象格式，例如J PEG 格式。最后图象文件被存储在内置 存储器中。这时，数码相机的主要工作已经完成，剩下要做的是通过LCD 查看拍摄到 的照f

三、 相机的光电成像原理

1、 核心：光电转换器（图象传感器）

2、 种类：C C D

CMOS

3 . C C D

•分线型的面型两大类

线型C C I ）芯片的最大特点是分辨率髙，可拍摄1 0 0 0万以上像素水平影象的数

码相机都采用线型c C Do • C C D 的基本组成单元：金属一氧化物一半导体电容（MO S ） • C C D 功能：光电转换

电荷贮存 电荷转移

3、数码相机的数据处理

数拯处理以微处理器为中

根据数码相机采用的图象 器的不同，数据流的处理有些 异。在采用C C

D 的数码相机 C C D 数据以模拟数据输

出， 经过模数转换和光学黑电平钳 处理过程：在采用CMOS 的 相机系统中，由于CMOS 器

图象传感器的数据被读出后，系统将其进行针对镜头的边缘畸变的运算修正，然后 经过坏像素处理后，被系统送去进行白平衡处理。由于图象传感器在制造和使用老化过 程中回出现一些个别的像素点性能偏离或不能正常感光的现象.这些像素点被称为坏像 素。微处理器通常会做相应的计算进行修正.但这一修正过程是有限的。

伽马校正和色彩合成处理是使数码相机获得良好的彩色图象的必要的图象处理过 程。在没有进行色彩合成以前，数码相机获得的图象数据有红色、绿色和蓝色三通道的 图象数据构成，经过色彩合成处

传感 差 中， 需要 位等 数码 件采

用数字接口，模拟接口的电路省略,

直接进行数据读取一

图3数码相机处理

淹程

理后，将获得彩色的混合图象。

为了能够进行针对镜头的自动对焦控制，在色彩合成处理后，需要针对图象进行边缘检测（锐度检测）和伪色彩检测（伪色彩抑制）。之后，用于浏览的图象数据流被送至LCD控制器，需要存储的图象数据被进行JPEG压缩后存入存储器中。至此，整个数码相机的图象数据处理完成。

为了让数码相机系统稳泄的工作，在整个系统中还需要具备一个系统状态的检测控制电路，其主要用于检测供电系统的运行状况和各部分用户接口的运行状态。