数码相机的工作原理。
镜头文章:
自然界中的光有很多种颜色，但总结起来，这些光可以看作是红、蓝、绿三种基本颜色不同强度的搭配。光可以简单地看成是一种“电磁波”，不同颜色的光有不同的波长。
颜色是物体本身的一种状态，我们常说什么东西是什么颜色。但是，严格来说，我们眼中物体的颜色与环境光照条件有因果关系。不同的物体反射不同的光谱，所以我们眼中有不同的色彩感受。但这个结论是建立在使用白光的前提下的。如果用不同颜色的光源照射，结果肯定不一样。比如我们通常所说的红布，如果被红色光源照射，那么在我们眼里就变成了白布！当含有各种颜色的光束通过彩色滤光片时，只有大量相同颜色的光束可以通过，其他光束会被滤光片吸收并转化为热能。
镜头的作用是将光线和光线聚焦在感光期。数码相机的感光器件非常小，外界光线有时无法产生足够的强度使感光器件获得足够的光源信息。透镜通过其特定的形状将从外部目标物体反射的光折射到光敏器件。类似的工作状态有点像我们小时候在太阳下用放大镜烧蚂蚁。
镜头是由很多镜片组成的，大部分镜片的形状都不一样，所以每个镜片在镜头中的作用也不一定相同。一般来说，在不降低镜头透射比的情况下，使用多组镜头可以使镜头的成像更接近真实世界。
我们上面提到了一个“镜头透射比”。简单来说就是镜头能透过多少光。透镜是由许多表面光滑的透镜组成的，这些光滑的透镜本身会反射光线。这会减少进入镜头的总进光量，影响CCD/CMOS感光器件的成像。现在的数码相机一般都会在镜头上使用一层特殊的膜，尽可能的减少镜头的反光。因为镀膜只能减少某一种颜色光的反射，不可能让所有的光都进入镜头。所以我们一般的镀膜主要侧重于减少绿光的反射，因为人眼对绿光非常敏感。还有一种镀膜是为了增强镜片的耐磨性，让物镜不那么容易划伤。
使用多个镜头的主要作用是校正单个镜头造成的“失真”。因为经过镜头的光有很多种，同一镜头内光本身的折射率是不一样的，经过镜头后会因为镜头的干涉而产生像差。像差有很多种，如球差、光晕、失光等。我们可以看到，一些手机或者廉价相机拍出来的照片，中心有一个小圆圈，因为使用了一个镜头，无法校正镜头的衍射现象，产生了像差。还有就是图像失真，这也是因为光路没有校正。
确定要拍摄的对象后，我们将相机镜头对准目标对象。此时，物镜或物镜组会根据自动对焦系统的控制信号(由相机的中央控制器完成，后面会介绍)调整其与光敏器件之间的距离，使物体的图像正好落在CCD/CMOS上，这样就可以形成清晰的图像。镜头一个很重要的指标就是焦距。焦距是镜头的“目镜”(最后一个镜头)中心到通过的光线刚好能汇聚的点的距离。现在一些数码相机有自己的镜头，可以改变焦距。这种类型的镜头可以改变镜头内部镜片之间的距离，使相机镜头可以像望远镜一样放大或缩小物体。但由于这类镜头本身的镜头最佳工作状态是正常焦距，所以在变焦后，由于镜头本身的一些不可改变的物理形状，图像会发生变形或扭曲。
在光路上，必须控制好光线的强度，以适应不同的拍摄环境。这种“光控”是由光圈来完成的。光圈是镜片内部的一组“阀门”，由几个不透明的材料围成一个圆形。通过透镜的光量可以通过改变这个圆的直径来控制。光圈的主要作用有:1。调节光线，控制光通量；2.缩小光圈可以减少镜片的残余像差；3.缩小光圈可以增加景深，使入射光均匀，避免图像四角变暗；4.使用大光圈可以减少景深来模糊焦点外的图像，突出主题。一般来说，景深就是目标物体后面的景物能否清晰成像。光圈一般用f表示，如F8/F5.6等。后者的值越大，可以透射的光越少，孔径越小。
光圈的控制一般是自动的，即中央控制器通过测光系统给出这个快门速度和感光度下的最佳光圈数，然后驱动光圈来改变数值。在一些相机上，还有手动模式，用户可以自己改变光圈数。
CCD/CMOS传感器；
CCD/CMOS传感器是数码相机最重要的器件之一，也是数码相机与传统胶片相机根本不同的特点。CCD的全称是电荷耦合器件，翻译过来就是“光电荷耦合器件”，CMOS的全称是互补金属氧化物半导体，意思是“互补金属氧化物半导体”。CCD和CMOS的工作原理有一个* * *连接点，就是使用光敏二极管作为光电信号转换元件。
如前所述，不同颜色的光通过某个滤色器的总量是不一样的。当我们在光电二极管上安装绿色滤光片时，它必须通过绿光，但由于入射光的颜色，它们的深度可能不同。因此，我们使用四个光电二极管来获取物体的反射光。r单位可以获得红灯；单元b可以得到蓝光；g单位可以获得绿灯。原始光的颜色可以通过处理四个单位的信号得到(两个G单位50%)。
CCD传感器有一个重要的工作特性:CCD传感器的输出是一个连续的电流信号。在CCD的设计中，没有像CMOS那样在周围设置信号放大器，而是设置一个缓冲器，将一路信号按照一定的时钟周期连接成连续变化的电流信号输出。在输出端，信号的物理位置由图像处理器根据时钟信号的周期来确定。
光敏二极管是一种模拟元件，它能对接收到的不同强度的光信号输出恒定连续的电流信号或电压信号。把这些信号量化，也就是“数字化”，就是把电流信号或者电压信号按照强度的不同进行分类。比如光电二极管接收到(某一值)最大强度光时输出的电压信号设为第255级；无光时的照明时间为1。这样，最大值和最小值之间有256级，图像处理器采用类似“四舍五入”的方法对信号强度进行分类，从而最终将连续变化的模拟电流/电压信号变为离散稳定的数字信号。现在的数码相机一般是按照每个光电二极管的输出信号可以量化成256级来计算的。在这种状态下，三个光电二极管可以有256*256*256种颜色。因为256本质上是一个二进制的8位数，256色是一个8位通道，所以这样的数码相机就是8bit * 8 bit * 8 bit = 24 bit。
CMOS传感器也是一种光敏二极管，用于将光信号转换为电信号。不同的是CMOS输出的是电压信号。传感器的每个光电二极管都有一个独立的放大器。这是因为传感器是由不能像CCD一样阻止电子在上面自由移动的材料制成的，所以CMOS传感器的信号相互干扰非常厉害，产生了很多寄生干扰。为了尽可能放大光电二极管输出的极其微弱且易受干扰的电压信号，必须在光电二极管附近设置放大器进行放大后再输出，这样即使受到干扰，影响也是微弱的。但是这些放大器的参数很难完全一致，它们参数的不同导致最终计算结果会有一些差异。也是这个原因。我们看到很多以CMOS为传感器的相机或低档数码相机的图像，都有很多白噪声或其他颜色的斑点，这是由于信号的相互干扰，导致放大器不能正确放大信号的结果。
在数码相机中，感光度的调整是通过改变光电二极管放大器的放大倍数来实现的。比如在光线不足的情况下，我们可以加大信号放大器的放大倍数，让后面的模数转换器获得更高的输出电压/电流信号。与不调整放大倍数相比，这样可以获得亮度信号更强的画面。
在一般应用数码相机中，传感器一般都是按照上述原理制作的，最多只是在光电二极管的排列上做了一些文章。
中央控制器:
中枢是数码相机的大脑，数码相机的所有动作，如开机自检、错误处理等都是由中央控制器发出的。中央控制器是可编程DSP(数字信号处理)，外围或者内部有一个小容量的FLASH，负责存储一些程序语句。中央控制器根据这些程序语句，响应相机的各种操作，比如判断环境的光线强度，调整光电二极管放大器的放大倍数，使用或不使用闪光灯，使用什么快门速度和光圈等。
图像处理器:
在图像处理器中，除了计算每个像素的颜色外，还要按照一定的时钟周期进行排列，形成一幅完整的图像。在某些情况下，应该以某种格式压缩图像，使图像变小。图像处理器本质上也是一个可编程DSP处理器。事实上，图像处理器算法的好坏对处理图像的质量有很大的影响。
在量化电压/电流信号之后，图像处理器应该计算像素的颜色。例如，在R单位中获得的值是255，在G单位中获得的值是153，在B单位中获得的值是51。然后图像处理器根据自己定义的算法代入上述三个值，得到R值为255，G值为153，B值为51的颜色。
在图像处理过程中，通常使用“插值计算”算法。所谓插值，就是在离散数据之间补充一些数据，使这组离散数据能够符合一个连续的函数。利用插值，我们可以通过函数在有限点的值，也就是通过有限的数据，来估计函数在其他地方的值，从而得到完整的数学描述。一般来说，当我们增加一张图片的像素值时，我们会使用插值算法。图片中有那么多像素，但是我们可以用软件计算出某两个像素的中间值，插入到这两个像素之间。这种方法并不能真正增加画面的分辨率细节，但插值计算出来的像素通常与真实情况相差不远，在某些场合还是有用的(比如想放大画面但又不想出现马赛克锯齿)。现在有些相机广告说它的产品能拍的最大像素数，要注意是不是有效像素；如果只是插值的话，意义不大，因为理论上插值计算可以是无限的。
以这种方式，根据所产生的光电二极管的物理位置来排列所产生的图片，从而可以获得完整的未压缩的图片，并将其存储在随机动态存储器RAM中。如果没有压缩需求，会写入FLASH存储或者通过接口传输到其他设备。
压缩图片时，JPG是数码相机的首选压缩格式，因为JPG具有非常高的压缩比，可以根据用户的容量要求设置图像质量。就现实而言，一张内容复杂的TIFT图片和一张内容相同但两者差异难以被肉眼察觉的JPG的容量比大概可以达到5: 1甚至更高。
JPG的压缩方法大致可以分为三步(注意离散余弦变换针对的是R、G、B中的一个值，而不是R、G、B的处理值，所以离散余弦变换的系数是颜色分量码，范围是1到255): 1，离散余弦变换(DCT)，去除图像。2.量化图像。量化是根据人眼的生理特点进行具体的结构安排，量化表是确定这些安排的标准化表格；3.编码:对数据本身进行统计压缩，使压缩图像的数据流最小化。在离散余弦变换的过程中，首先将图像分成8*8的小图像块，然后对每个图像块进行DCT变换。DCT变换是一种正交变换，具有以下特点:一是没有失真，整个过程是可逆的；第二，可以去除相关性；第三，能量重新分布，集中在图像的左上角，呈倒三角形分布。以一个8*8的小图像块为例。其* *包含8*8=64个样本值，DCT变换后仍然是64个样本值，达不到码率压缩的目的。但在量化舍入时，量化表符合人眼的特性，即对图像左上角的低频分量设置细量化，对其余部分即高频分量设置粗量化。此时，网格中的大部分系数为零；然后，Z形数据经过“之”字形扫描读取后，只有这一串数据的前端部分较大，其余部分较小，甚至为零。此时零游程编码可以有效压缩数字速率。在一些对比强烈的地方，比如一些边界，我们会发现那些块的像素根本没有对齐；还有一些“光晕”和“幻影”现象，是在对小图像块进行量化的过程中出现的，但如果压缩率较低，这些失真非常小，我们一般不会察觉到。量化后需要对图像进行编码，即将一系列数据进行排队，利用概率原理对数据进行无损压缩。霍夫曼编码是编码中应用最广泛的编码方法，是一种统计编码。一般来说，变字长编码是指霍夫曼编码。霍夫曼编码需要事先约定好，存储在一个编码表中，方便后期对比。只有解码，才能正确发现编码代表的是什么。其具体方法是将一个数据串按照符号出现的概率进行排队，然后将两个最小概率相加作为新概率和剩余概率再次排队，以此类推，直到最后的概率之和为1。每次给“0”和“1”两个加法概率。读出时，它们从符号开始，一直延续到最后的“1”，路线上遇到的“0”和“1”按照从最低位到最高位的顺序排列，这就是符号的霍夫曼编码。这样生成的二进制数就是JPEG的实质性数据。但我们通常不只是传输图像，还要组织数据流和打包。组织数据流是将各种标志码和编码图像数据组合成一帧一帧的数据，便于传输、存储和解码器解码。打包就是解释编码产生的二进制数，以便解码器正确解码图像。一般的包装还包括拍这张照片时相机的一些数据，比如这款相机的型号/光圈/快门/分辨率/日期。然后，这些数据可以传输到接口电路，或写入FLASH或传输到其他外部处理设备。
记忆篇:
内存通常是数码相机中的外设，里面只安装了小容量的FLASH芯片，不足以拍摄高分辨率的照片。一般的存储器有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。但总的来说，除了IBM的产品，这些存储器都是使用FLASH作为存储元件。让我们看看闪存如何从其内部微观结构保存数据。
我们知道二进制数的存储主要是通过一个简单的开关来实现的。闪存也是如此，内部是一系列不怕断电的“开关”。这些“开关”的通断代表一个二进制数0，1，所以一系列的开关可以代表很多个二进制数，然后通过转换这些二进制数就可以得到我们平时看到的有意义的数据。
FLASH芯片由许多绝缘栅MOS管阵列按一定的排列顺序组成。FLASH芯片的“开/关”主要是通过这些MOS晶体管来实现的。绝缘栅MOS管的底层是一个晶体管的NP结，这个NP结上面浮着一个多晶硅，周围是场氧化层。
网格。该浮动栅极的“浮动”构成了MOS晶体管的源极和漏极之间的导电沟槽。如果在不依赖电源的情况下，浮栅上有足够的电荷，那么MOS晶体管的源极和漏极就可以导通，在掉电的情况下也可以达到保存数据的目的。在MOS管的源极和栅极之间施加正向电压，使浮栅上的电荷扩散到源极，使源极和漏极不导通；如果在源极和栅极之间施加正向电压U-1，但同时在源极和漏极之间施加正向电压U-2，且U-2始终小于U-1，那么源极上的电荷会扩散到栅极，给浮栅充电，这样源极和漏极就可以导通。由于浮栅是“浮动”的，没有放电电路，所以在断电的情况下浮栅上的电荷不能长时间扩散到其他地方，使源漏保持“通/断”。
这样，控制器通过一定的接口与图形处理器相连。接收到写命令后，控制一个MOS管的源极和栅极、源极和漏极电源的导通或关断，使MOS管导通或关断，从而达到存储数据的目的。
通过以上分析，我们对数码相机各部分的工作原理有了大致的了解。虽然现在市面上有些产品号称采用了很多所谓的新技术，但是性能比其他产品要好。但数码相机的基本工作原理还是大同小异，那些新技术大多是小“改进”，并没有真正改变数码相机的基本工作原理。
数码相机的普及是现代人的福音。数码相机和数码摄像机的出现让更多的人享受到了艺术的乐趣，艺术不再是那些背着昂贵单反相机，经济实力雄厚的人的专利。随着降价潮的到来，越来越多的人开始使用高品质的数码相机，高速度、高质量地记录身边稍纵即逝的故事。正是这些随意取材的故事，让我们时代的气息永远留在了人们的记忆里。我们不得不说:科技改变了世界。