照相机原理

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学习照相机原理

什么是照相机？

  • 照相机简称相机，是一种利用光学成像原理形成影像并使用底片记录影像的设备

照相机工作原理？

  • 照相机利用光的直线传播性质和光的折射与反射规律，以光子为载体，把某一瞬间的被摄景物的光信息量，以能量方式经照相镜头传递给感光材料，最终成为可视的影像。
  • 照相机的光学成像系统是按照几何光学原理设计的，并通过镜头，把景物影像通过光线的直线传播、折射或反射准
  • 摄影时，必须控制合适的曝光量，也就是控制到达感光材料上的合适的光子量。因为银盐感光材料接收光子量的多少有一限定范围，光子量过少形不成潜影核，光子量过多形成过曝，图像又不能分辨。照相机是用光圈改变镜头通光口径大小，来控制单位时间到达感光 材料的光子量，同时用改变快门的开闭时间来控制曝光时间的长短

照相机的光学系统？

  • 标准镜头的视场角和人眼相当，可以拍出人眼看起来很自然的照片，而不会在照片上附加 任何感觉
  • 广角镜头：具有更大的视场角，善于营造方向线，拍出的照片具有空间延伸感。由于近大远小的透视效果，用于拍摄人物要注意人物的变形
  • 鱼眼镜头：是广角镜头的极端，它不满足理想的物像关系，而是具有很大的负畸变，可以把 180 度甚至更大的视场摄入画面
  • 远摄镜头：具有把距离拉近的效果，并且由于景深小，可以突出画面上的被摄主体，而使背景变得简洁
  • 70mm 至 100mm 左右：镜头在远摄镜头家族中焦距算是短的，特别适合拍摄人像特写，又叫人像镜头
  • 100mm 至 135mm 中等焦距：远摄镜头在微距下特别善于表现物体的细节与质感
  • 200mm 左右中长焦距：远摄镜头常用于拍摄远处的新闻画面，如报道体育比赛等
  • 300 至 500mm 甚至更长：远摄镜头是新闻报道、野生动物摄影的重要创作工具

照相机的组成？

  • 从完成摄影的功能来说，照相机大致要具备成像、曝光和辅助三大结构系统。成像系统包括成像 镜头、测距调焦、取景系统、附加透镜、滤光镜、效果镜等；曝光系统包括快门机构、光圈机 构、测光系统、闪光系统、自拍机构等；辅助系统包括卷片机构、计数机构、倒片机构等

照相机的镜头？

  • 镜头是用以成像的光学系统，由一系列光学镜片和镜筒所组成，每个镜头都有焦距和相对口径两 个特征数据；取景器是用来选取景物和构图的装置，通过取景器看到的景物，凡能落在画面框内 的部分，均能拍摄在胶片上；测距器可以测量出景物的距离，它常与取景器组合在一起，通过连 动机构可将测距和镜头调焦联系起来，在测距的同时完成调焦

照相机的快门？

  • 快门是控制曝光量的主要部件，最常见的快门有镜头快门和焦平面快门两类。镜头快门是由一组 很薄的金属叶片组成，在主弹簧的作用下，连杆和拨圈的动作使叶片迅速地开启和关闭；焦平面 快门是由两组部分重叠的帘幕 (前帘和后帘) 构成，装在焦平面前方附近。两帘幕按先后次序启 动，以便形成一个缝隙。缝隙在胶片前方扫过，以实现曝光

照相机的光圈？

  • 光圈又叫光阑，是限制光束通过的机构，装在镜头中间或后方。光圈能改变光路口径，并与快门 一起控制曝光量。常见的光圈有连续可变式和非连续可变式两种

什么是 CCD?

  • CCD（Chagre Couled Device）即电荷耦合器，是一种特殊的半导体材 料。它是由大量独立的光敏元件组成，这些光敏元件通常是按矩阵排列的，通常以百万像素（megapixel）为单位，相机格中的多少百万像素，指的就是 CCD 的分辨率，也就是指这台相机的 CCD 上有多少感光组件
  • 光线透过镜头照射到 CCD 上，并被转换成电荷，每个元件上的电荷量取决于它所受到的光照强度。当你按动快门，CCD 将各个元件的信息传送到 A/ D 上，模拟电信号经过 A/D 处理后变成数字信号，数字信号以一定格式压缩后存入缓存内，此时一张数码照片就诞生了
  • Charge-coupled Device，电荷耦合器件，它的工作方式是通过镜头的光线使得每一个光电二极 管的电容积累一定的电荷，而电荷的数量则正比于该处的入射光强。结束曝光后，周边的控制电 路会将 CCD 每一列中的每个电容把自己的电荷传给相邻的下一个像素的电容，最后经过传感器 末端的一个电荷放大器，转化为电压信号

CCD 相机成像原理？

  • 1、用相机拍摄景物时，景物反射的光线通过相机的镜头透射到 CCD 上
  • 2、当 CCD 曝光后，光电二极管受到光线的激发释放出电荷，感光元件的电信号便由此产生。
  • 3、CCD 控制芯片利用感光元件中的控制信号线路对光电二极管产生的电流进行控制，由电流传输电路输出，CCD 会将一 次成像产生的电信号收集起来，统一输出到放大器
  • 4、经过放大和滤波后的电信号被送到 A/D，由 A/D 将电信号（此时为模拟信号）转换为数字信号，数值的大小和电信号的 强度即电压的高低成正比。这些数值其实就是图像的数据了
  • 5、不过单依靠第 4 步所得到的图像数据还不能直接生成图像，还要输出到数字信号处理器（DSP）。在 DSP 中，这些图 像数据被进行色彩校正、白平衡处理（视用户在相机中的设定而定）等后期处理，编码为相机所支持的图像格式、分辨率等 数据格式，然后才会被存储为图像文件
  • 6、最后，图像文件就被写入到存储器上（内置或外置存储器）

CCD 传感器的排列？

  • 传统 CCD 排列为矩阵，然而这样的作法却限制了在有效面积内提升分辨率的能力
  • 2002 年 2 月，美国 Foveon 公司发布多层感色 CCD 技术。在 Foveon 公司发表 X3 技术之前，一般 CCD 的结构是类 似以蜂窝状的滤色版（见下图），下面垫上感光器，藉以判定入射的光线是 RGB 三原色的哪一种
  • 新的 X3 技术让电子科技成功的模仿 “真实底片” 的感色原理（见下图），依光线的 吸收波长逐层感色，对应蜂窝技术一个像素只能感应一个颜色的缺点，X3 的同样一个像素可以感应 3 种不同的颜色，大大 提高了影像的品质与色彩表现
  • 2003 年中期，SONY 发布 4 色感应 CCD。传统的 CCD 为三原色矩阵，新的 SONY CCD 将浅绿色加入

CCD 传感器的结构？

  • 如果切开 CCD，会发现 CCD 的结构就像三明治一样，第一层是微型镜头，第二层是分色滤色片，以及第三层感光汇流片
  • CCD 的第二层是分色滤色片，目前有两种分色方式，一是 RGB 原色分色法，另一个则是 CMYG 补色分色法，这两种方法各 有利弊。不过以产量来看，原色和补色 CCD 的比例大约在 2：1 左右。原色 CCD 的优势在于画质锐利，色彩真实，但缺点 则是噪声问题。因此一般采用原色 CCD
  • CCD 的第三层是感光汇流片，这层主要是负责将穿透滤色层的光源转换成电子信号，并将信号传送到影像处理芯片，将 影像还原

什么是 CMOS?

  • CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）即互补性金属氧化物半导体，其在微处理器、闪存和特定用途集 成电路（ASIC）的半导体技术上占有绝对重要的地位。CMOS 和 CCD 一样都是可用来感受光线变化的半导体。
  • CMOS 主要是利用硅和锗这两种元素所作成的半导体，通过 CMOS 上带负电和带正电的晶体管来实现基本的功能的。这两个互补效应所 产生的电流即可被处理芯片记录和解读成影像

CCD 与 CMOS 的区别？

  • 从原理上讲，CMOS 的信号是以点为单位的电荷信号，而 CCD 是以行为单位的电流信号，前者更为敏感，速度也更快，更为省电
  • CMOS 相机与 CCD 相机光电转换的原理相同，他们主要的差别在于信号的读出过程不同；由于 CCD 仅有一个 (或少数几个) 输出节点统一读出，其信号输出的一致性非常好；而 CMOS 芯片中，每 个像素都有各自的信号放大器，各自进行电荷 - 电压的转换，其信号输出的一致性较差
  • CCD 相机为了读出整幅图像信号，要求输出放大器的信号带宽较宽，而在 CMOS 芯片中，每 个像元中的放大器的带宽要求较低，大大降低了芯片的功耗，这就是 CMOS 相机功耗比 CCD 要低 的主要原因

像素代表硬件什么单位？

  • 通常所说的 30 万像素或 130 万像素等，指的是有 30 万或 130 万个感光点。每一个感光点只 能感光一种颜色

什么是拜尔阵列？

  • “对于彩色图像，需要采集多种最基本的颜色，如 rgb 三种颜色，最简单的方法就是用滤镜的方法，红色的滤镜透过红色的波长，绿色的滤镜透过绿色的波长，蓝色的滤镜透过蓝色的波长。如果要采集 rgb 三个基本色，则需要三块滤镜，这样价格昂贵，且不好制造，因为三块滤镜都必保证每一个像素点都对齐。当用 bayer 格式的时候，很好的解决了这个问题。 bayer 格式图片在一 块滤镜上设置的不同的颜色，通过分析人眼对颜色的感知发现，人眼对绿色比较敏感，所以一般 bayer 格式的图片绿色格式的像素是是 r 和 g 像素的和
  • 像素传感器在感光情况下，各个像素输出不同的亮度（不同灰度值）的效果，然后我们利用拜尔 阵列，即在每个传感器像素井上放置一片滤色镜，使得只有和该滤色镜颜图像色相 (Hue) 同的光才能通过滤 色镜，并用四个滤色镜， 红绿绿蓝（ RGGB）组成 2x2 的单元阵进行重复排列， 形成的马赛克彩 色滤色阵列。这样我们便能得到传感器对不同颜色光的响应情况
  • 之所以拜尔阵列使用 RGGB 是模拟人眼成像的过程，人眼视网膜上的视锥细胞对可见光的 RGB 波段敏感。而较多绿色，是因为除了视锥细胞，还有负责在光线暗的环境下感光的视柱细胞对绿 色最为敏感
  • 实际上色彩空间可以不只是由 RGB 来表示，比如 CYYM （青黄品红）和 RYYB（红黄蓝），优 点是这些颜色在光的频谱上覆盖得更宽，允许更多光线通过传感器，但这样的阵列在 ISP 后续的 去马赛克变换算法中更为复杂，在颜色插值时容易出现问题，所以没有大面积普及

bayer 格式的红蓝插值算法？

  • 需要通过插值填补缺失的 2 个色彩。插值的方法 有很多（包括邻域、线性、 3*3 等）

bayer 格式的绿插值算法？

相机的内参 - 大小尺寸？

  • 有全画幅 、半（残）画幅也就是 APS-C 画幅、更小的小画幅和更大的中画幅（少 见）

相机的内参 - 像素？

  • 像素决定了相机分辨率的最大值，约等于相机最大拍摄分辨率的乘积

相机的内参 - 分辨率？

  • 分辨率就是图片的纵向像素点 X 横向像素点，通俗说 就是图像的大小尺寸
  • 分辨率越大越清晰， 图片也越大
  • 摄像头也和我们人类的单个眼睛一样，当然了，人单个眼睛左右有 160 度的视野范围，上下有 120 度的视野范围。而现在最大的超广角数码相机也很难达到这个范围。据说鱼眼镜头相机的视角范 围可以达到 220 至 230 度。但无论是其视角有多大，在左右的长度和上下的宽度方向上的比例是和 人眼睛一样的，即 160:120=4:3 。所以所成图片的尺寸也是采用这个比例的居多

相机的内参 - 滤镜？

  • 用来记录图像色彩的感应组件 简单说就是将 RGB 滤色器排列在 CMOS 之上所形成的马 赛克彩色滤色排列
  • 目前采用最多的是 RGGB 排列也就是大名鼎鼎的拜尔滤镜， 而也有其它滤镜，比如华为在 P30 上率先采用的 RYYB 排列等等

相机的内参 - 色深？

  • 全名色位深度，是用 bit 数表示的色彩数目单位，一般来说色深值越大，能表现的色彩就越 多（分层更多）

相机的内参 - 感光度？

  • 感光度源于以前胶片相机的胶片的感光度，数码相机的感光度也是一个意思，就是 CMOS 对光的感知强度（敏感度），这是一个很重要的参数
  • ISO 越高，相机感光度越强，照片就越亮， 但是相应的噪点也就越高，照片的画质也就越差

相机的内参 - 爆光时间？

  • 曝光时间，也称快门时间，就是说 CMOS 在光线下暴露的时长（或者说记 录光的时长）一般曝光时间越长，照片越亮 ，但是记录的信息就越多，因为它记录了这一段时间内的光线信息，也就是更容易糊掉（糊掉不太 准确）

相机的内参 - 焦段？

  • 焦段的不同会导致整张照片记录的画面范围和画面视角都有所不同
  • 总共有 超广角、广角、人像、人文、长焦、超长焦、微距等之分

相机的内参 - 光圈？

  • 光圈是镜头最重要的参数之一。光圈既控制 进光量，也控制景深，光圈值却刚好和光圈大小相反
  • 大的光圈会让进光更多的同时也会使背景虚化；小的光圈会让进光减少，但会使所有前中后景都 清晰，又云里雾里了，景深看看照片大概能懂

相机的内参 - 对焦？

  • 现在单反相机大多都是基于一平面对焦

什么是 PPI？

  • 每英寸长度上的像素数个数叫做影像分辨率，简称 PPI（pixels per inch）。如每英寸长度上 有 82 个像素点，即用 82PPI 来表示
  • 研究表明超过 300ppi（像素点 0.085 毫米）人眼就察觉不出颗粒感
  • 当图片的分辨率大于显示屏的分辨率时，显示屏会把图片按比例相对的宿小。相当于把图片的两 个或多个像素在显示屏上以一个像素显示出来。所以我们的图片分辨率越大，看到的图片就越清 晰细腻逼真