2018年10月27日星期六

相机的成像原理: 针孔相机, 胶卷相机 和 数码相机


本文主要包括以下几个部分:
1. 相机的最基本原理
2.胶卷相机的原理
3.数码相机的原理



1.相机的最基本原理[1]

最简单的相机是针孔相机,由三个部分组成:
    1.不透光的盒子。
    2.允许光线进入的小孔。
    3.将感光胶片放在对着针孔的一面。
示意图如下所示:


其成像原理就是利用了“小孔成像”,光线由小孔进入,映射在感光胶片上,从而成像。
其实现在的相机都是以这个原理来成像的,改进的是曝光时间,曝光强度等等。

2.胶卷相机的原理

为了更好地理解胶卷地用处, 先对 相机成像 和 人眼成像 进行对比, 如下所示[2].
镜头 -> 人的眼睛(晶状体)
光圈 -> 人的瞳孔
快门 - > 人的眼皮或眨眼的次数(存疑)
感光元件 -> 视网膜

对于胶卷相机, 他们使用胶卷感光. 最初, 相机成像用的感光材料是化学材料, 也就是我们所谓的胶片. 总体过程即为: 光线进入相机, 然后使得胶卷感光, 然后留下图片.

2.1 胶卷(底片)大概的感光原理为[3]:
将卤化银涂抹在聚乙酸酯片基上,此種底片為軟性,捲成整捲方便使用,所以又稱膠卷,当有光线照射到卤化银上时,卤化银转变为黑色的银,经显影工艺后固定于片基,成为我们常见到黑白负片。彩色负片则涂抹了三层卤化银以表现三原色。

2.2 感光材料的照相性能:
(1) 感光度ISO[4]
感光度,又称为ISO值,是衡量底片对于光的灵敏程度,由敏感度测量学及测量数个数值来决定,国际标准化组织标准为ISO 6。对于光较不敏感的底片,需要曝光更长的时间以达到跟较敏感底片相同的成像,因此通常被称为慢速底片。高度敏感的底片因而称为快速底片。以外和感光度密切相关的一个ISO系统是用来测量数位影像系统的敏感度。无论是数位或是底片摄影,为了减少曝光时间相对使用较高敏感度通常会导致影像品质降低(由于较粗的底片颗粒或是较高的影像杂讯或其他因素)。基本上,使用较高的感光度,照片的品质较差。

底片对光线的敏感程度叫做胶卷的感光度。未经曝光的胶卷遇到光线,胶片上会起化学反应,根据进入光线的多少而在胶片的不同位置产生深浅不一的变化,从而在胶片上留下影像。

(2) 颗粒性[5]
颗粒性是指胶卷通过曝光, 显影后留在胶片上的银影颗粒大小. 胶卷的颗粒性大小变化会直接影响摄制照片的清晰度, 质感和放大倍率等.

3. 数码相机的原理


在胶卷相机的时代,感光是需要底片,后来科技发展,我们找到了电子的感光元件来替代了过去的胶卷。 这个原件就是数码相机的感光元件。

数码设备的感光元件主要有两种:
一种是广泛使用的CCD(电荷藕合)元件;另一种是CMOS(互补金属氧化物导体)器件。

CCD(Chagre Couled Device),即电荷耦合器,目前被广泛应用于大部分数码相机上,这是一种特殊的半导体材料,它由大量独立的光敏元件组成,这些光敏元件通常按矩阵排列。光线透过镜头照射到CCD上,并转换成电荷,每个元件上的电荷量取决于其受到的光照强度。当摄影者按动快门时,CCD可将各个元件的信息传送到模/数转换器上,然后将模拟电信号转变为数字信号,数字信号再以一定的格式压缩后存入缓存内,这样就完成了数码相片的整个拍摄[6]。

CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor),即互补金属氧化物半导体,它在微处理器和闪存等半导体技术上占有重要的地位,也是一种可用来感受光线变化的半导体,其组成元素主要是硅和锗,通过CMOS上带负电和带正电的晶体管来实现基本功能。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。由于CMOS结构相对简单,与现有的大规模集成电路生产工艺相同,从而生产成本可以降低,理论上讲,CMOS的信号是以点为单位的电荷信号,CCD是以行为单位的电流信号,相比较而言,前者更为敏感、速度更快、更为省电。目前CMOS技术发展还不成熟,这种高质量的CMOS还只应用于一些专业的数码相机上,而在一些低档数码相机上常使用廉价低档的CMOS,成像质量一般比较差。所以目前要购买消费级数码相机的话,建议用户最好选择以CCD为影像传感器的产品[6]
具体成像示意图和成像过程如下所示[7]:



(1)当使用数码相机拍摄景物时,景物反射的光线通过数码相机的镜头透射到CD上。
(2)当CCD曝光后,光电二极管受到光线的激发而释放出电荷,生成感光元件的电信号。
(3)CCD控制芯片利用感光元件中的控制信号线路对发光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传送到ADC,由ADC将电信号(模拟信号)转换为数字信号,数值的大小和电信号的强度与电压的高低成正比,这些数值其实也就是图像的数据。
(5)此时这些图像数据还不能直接生成图像,还要输出到DSP(数字信号处理器)中,在DSP中,将会对这些图像数据进行色彩校正、白平衡处理,并编码为数码相机所支持的图像格式、分辨率,然后才会被存储为图像文件。
(6)当完成上述步骤后,图像文件就会被保存到存储器上,我们就可以欣赏了。

可是如果只记录光照强度, 数码相机为什么能成彩色的像呢?
可以参考这篇文章.
简而言之,对于胶卷的彩色成像,原理是: 底片之上依次有三个感光层,分别对红、绿、蓝三种颜色进行曝光,最后叠加形成一张彩色底片。


对于数码相机的彩色成像, 则采用了滤光层(Bayer filter, 拜尔滤光法). 在图像传感器前面,设置一个滤光层(Color filter array),上面布满了滤光点,与下层的像素一一对应。也就是说,如果传感器是1600x1200像素,那么它的上层就有1600x1200个滤光点。每个滤光点只能通过红、绿、蓝之中的一种颜色,这意味着在它下层的像素点只可能有四种颜色:红、绿、蓝、黑(表示没有任何光通过)。不同颜色的滤光点的排列是有规律的:每个绿点的四周,分布着2个红点、2个蓝点、4个绿点。这意味着,整体上,绿点的数量是其他两种颜色点的两倍。这是因为研究显示人眼对绿色最敏感,所以滤光层的绿点最多。接下来的问题就是,如果一个像素只可能有四种颜色,那么怎么能拍出彩色照片呢?这就是布赖斯·拜尔聪明的地方,前面说了,每个滤光点周围有规律地分布其他颜色的滤光点,那么就有可能结合它们的值,判断出光线本来的颜色。以黄光为例,它由红光和绿光混合而成,那么通过滤光层以后,红点和绿点下面的像素都会有值,但是蓝点下面的像素没有值,因此看一个像素周围的颜色分布----有红色和绿色,但是没有蓝色----就可以推测出来这个像素点的本来颜色应该是黄色。

参考链接:

[1]. 数码相机成像原理是什么? - 牛开放的回答 - 知乎
https://www.zhihu.com/question/21006516/answer/78779607

[2]. 相机的成像原理和发展历史是怎么样的? - 李雷的回答 - 知乎
https://www.zhihu.com/question/46516665/answer/101640694

[3]. https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%BA%95%E7%89%87

[4]. https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%84%9F%E5%85%89%E5%BA%A6

[5]. 王琦, 乐进和. 传统摄影与数码摄影[M]. 北京希望电子出版社, 2006.

[6]. 相机的成像原理和发展历史是怎么样的? - 姚清宁的回答 - 知乎
https://www.zhihu.com/question/46516665/answer/102254762

[7]. https://www.ruanyifeng.com/blog/2012/12/bayer_filter.html

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