数码相机成像的知识介绍

第二章 数码相机成像基础 第一节 像素—构成图像的基础材料 第二节 数字设备的分辨率 第三节 数码相机的色彩 传统相机产生图像的方法是让光通过镜头到达胶卷上。胶卷上涂有一层光敏化学药品—卤化银，胶卷上受到光照的敌方产生一种化学反应，记录下一个潜在的图像。在冲洗胶卷的过程中又发生更多的化学反应，把这个潜在的图像转变成照片。数码相机也用光来产生图像，但不是用胶卷，而是使用一种叫做图像传感器的影像摄取元件来捕捉图像。这些指甲大小的硅片包含了几十万或几百万个感光元件，这些元件能够记录照射在它上面的光的强度和亮度，反映到计算机显示器或喷墨打印机打印出的图像上就是它们的色彩及明暗。数码相机的图像传感器所包含的感光元件的数目越多，成像的质量越高，当然所需的成本也越高。这些被记录的光信号通过处理器处理后被转换为数字信号并存储在数码相机的存储器中。 第一节 像素—构成图像的基础材料 当你打开计算机阅读电子邮件或写一篇论文，或需要做一些研究而进入因特网浏览一些历史性的影像剪辑、艺术博物馆或摄影展览，或戴上 3D 眼镜在计算机所装载一个飞行模拟器程序中穿梭时，你所看到的一切实际上都是由无数个小点组成的。这些创造图象的小点（单元）就叫做像素（pixel）。 这里你看见的是著名的点彩画派油画“The Spirit of‘76’”的复制品。它形象的说明了像素点是怎样构成一幅图画的 数字图像被像素划分成一个个格子。计算机能通过这些格子改变每个区域 色彩或亮度。这样，文章和图像就被显示出来。 有一个问题就是当你把数字图像打印成小尺寸时，它看起来好极了。但当你把它放的过大时这些像素就会显现出来，真个画面边缘呈锯齿状显得很粗糙。大部分低档数码相机不可能用大于4x6英寸的尺寸打印出高质量的相片来。 木偶的相片看起来正常, 但是当眼睛被扩大时太多 ( 左边 ) 像素开始显示出来 第二节 数字设备的分辨率 低档数码相机所建立的图像一般是640个像素宽和480个像素高，所以它们不能用作大幅面输出。因此，任何数字图像的质量如何, 如打印或在一幅屏幕上显示出来, 很大部分地取决于它的分辨率，更多更小的像素能更加反映出图像的细节。表示一幅图像的分辨率有3种方法：由像素的总数目或像素/英寸（ppi）或点/英寸（dpi）。目前，一般彩色电视机的分辨率为320X525，总像素在16.8万左右，人眼睛的分辨率为11000X11000，总像素在12亿左右，传统感光胶卷的像素在2百万以上，目前高档商用数码像机的分辨率在1600X1200以上，总像素也达到了211万以上。 有一点值得说明的是，数码相机的分辨率当然是越高越好，但你要注意这个值是图像传感器的物理的分辨率还是进过软件处理后得到的分辨率。这一点同样出现在扫描仪中。因为如果图像传感器像素大幅提高，产品的成本必然大幅提高，因此某些厂家采用软件插值运算的方法来提高像素和分辨率。这一方法的原理是用两个相邻的像素进行运算得到一个新的像素，从而提升分辨率（实际上在计算机中通过一些图像处理软件可以很容易的实现这一功能）。这一方法虽然提高了分辨率，但通过软件生成的像素并不能真正反映真实的色彩，所以在图像中不同色彩的边界往往会产生色差和明显的锯齿。所以在选购数码相机时，一定要注意标称的像素是图像传感器的分辨率还是通过软件提升得到的像素。 插值运算的原理 插值运算在两种色彩交界处产生了一个非真实的色彩。 第三节 数码相机的色彩 分辨率不是决定你的图像质量的唯一因素，颜色同等地十分重要。当你欣赏自然景色或一幅高质量的摄影图片时, 你能区分的数百万种颜色。一幅图像或你的计算机显示器能显示的颜色数目叫做彩色深度或位深度。彩色深度用位或比特表示，它决定了色调的范围。彩色深度的值越高，便能更好地还原亮部和阴影部的细节。现在一般的数码相机都达到24位，即真彩色。 颜色种类 位/象素 公式 颜色数目 黑白 1 21 2 灰度 8 28 256 256色 8 28 256 16位彩色 16 216 6 5千 真彩色 24 224 16百万 在颜色方面，数码相机的图像传感器比传统的胶卷有一定优势：多数数码相机可以用24位数据采集颜色。24位的彩色就意味着可以表现一千六百万种以上的颜色，一般认为这是人眼可以分辨的最多的颜色数了。而且数码相机在采集颜色时红、绿、蓝三色是分别取样的，相互之间没有干扰。而胶卷则不同，各个感光层之间多少总会有一些相互影响，就会导致胶片的偏色现象，而且这种偏色随制造商和具体产品型号还各有差别。 但为什么传统的相片有时看起来比数码相机拍摄的相片效果要好呢？一方面以前的数码相机的图像传感器的像素 大多在几十万或一百万左右，像素不够自然效果不理想；另一方面，还是传统胶卷的根本原理拯救了它：卤化银晶体。我们知道，胶片使用卤化银晶体进行感光、成像。在胶片中，卤化银晶体的排列是随机分布的，在研究胶片的颗粒时可以看到卤化银颗粒感光后没有固定的排列模式。其分辨率取决于卤化银颗粒的大校而CCD则不同，它的排列要按照生产时的工艺整齐放置。不幸人眼对这种图像中的排列模式十分敏感，在影像放大到一定程度可以看到颗粒的时候，人眼可以轻易地分辨出CCD固定的排列模式，尤其在色调变化剧烈的位置，每一个像素都可以看清，而胶片的颗粒性相比之下就没有那么明显了。正是这个原因，喷墨打印机的厂商已经开始使用某种抖动技术，让墨点以更加随机的方式分布，使打印的图像更加自然。 对这个问题数字相机可以有两个解决方案：继续提高分辨率，直到人眼不能分辨其中的点，也就解决了像素排列模式的问题。目前大多数数码相机的CCD已经做到了200万像素以上，已基本上解决这一问题；另一种方法是在CCD捕捉图像之后使用某种算法把图像变得更加自然，这在现在的一些相机中也有应用。

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