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图像传感器与图像处理器的基础知识

发布时间:2020-10-29 13:32 作者:易发游戏网站

  传统胶片相机的感光单元是胶卷,而图像传感器如同是数码相机的感光胶卷,图像传感器的主要作用在于感受光影信息。而图像处理器的主要作用,则在于处理数据。图像传感器和图像处理器,都是数码相机的核心部件,是数码相机的心脏。

  数码相机有两种不同的图像传感器:CCD和CMOS图像传感器,这两种图像传感器是两种完全不同类型的半导体器件。CCD称为电荷耦合器,是一种硅氧化物半导体器件,问世已久应用比较广泛,生产工艺相对成熟;CMOS图像传感器和CCD完全不同,是互补金属氧化物半导体器件,传输数据速度更快,耗电量更小,制造成本相对低廉。这两种不同类型的图像传感器均被数码相机所采用,轻便数码相机采用CCD更为广泛。佳能EOS数码单反相机,从2002年推出的EOS叫EOS-1Ds开始,全部采用佳能公司独立研发CMOS图像传感器。

  图像传感器中的一个单元,也就是一个像素,都是由一只光电二极管和相应的控制电路组成。如果图像传感器的分辨率是500万像素,这块图像传感器就集成了500万只以上的光电二极管和相关电路组成。由光电二极管接受被拍摄影像明暗变化的光信息,将其转变为电流强弱的变化。然后再由模拟 数字转换电路,将模拟量的电流信号转换为数字电信号,由此完成光影信息向数字信息转换的过程。这里需要说明的是,光电二极管虽然能够感受光信息,但是光电二极管是色盲,只能感受光线明暗的变化,不能感知被摄景物的色彩。为了获取彩色的影像,人们在每只光电二极管上加装不同颜色的滤色镜,滤色镜可采用三种原色:红、绿、蓝。然后将光电二极管分为三类,分别装上红色、绿色、蓝色的滤色镜,三种原色滤色镜的分配比例:绿色50%,红色和蓝色各占25%。由于每只光电二极管只能装一种颜色的滤色镜,接受一种颜色的光线,而三种原色整体合成的结果,最终所得到的图像是彩色的。另外,滤色镜有一种按照补色分配的类型:黄、品、青。

  (图1,图像传感器和135胶片成像面积的比较示意图:全画幅和135胶片成像面积相同

  *6.6毫米(橙色),1/1.8英寸 图像传感器6.9*5.2毫米(粉红色)。)

  像素只是图像传感器的一个重要参数,然而数码相机的图像质量设定中,还允许设置几种不同的图像分辨率,其中图像最高分辨率的设置,就等于该相机图像传感器的有效像素。然而图像分辨率设置的高低,并不代表数码相机所拍摄图像清晰度的优劣。只要拍摄方法得当,各种高低不同的图像分辨率设置都可以得到清晰的图像。所拍摄图像的分辨率高低,仅仅意味着输出照片极限尺寸的不同。也是图像分辨率设置越高,允许输出照片的尺寸也就越大,例如:2048*1536(300万像素)可以输出A4画幅的优质照片,3072*2304(700万像素)则可以输出A3画幅的高质量照片了。因此,在选购数码相机时,可以根据经常需要输出照片的尺寸,来选择数码相机图像传感器的有效像素。从实用的角度出发,不必过分地追求高像素,例如一般作为家用的数码相机,更多的是拍摄家庭纪念照、旅游纪念照。拍摄这一类照片的目的,通常只是输出5~7英寸的小尺寸照片,更用不着盲目追求过高像素的数码相机。

  选购数码相机时,除了图像传感器的有效像素以外,更应该关注的因素是图像传感器的尺寸。大多数人在挑选数码相机时,关心的是数码相机图像传感器的有效像素高低,而忽略了图像传感器的大小对数码相机成像质量的影响。图像传感器尺寸有多种不同的规格,在佳能轻便数码相机中,经常采用的CCD图像传感器有2/3、1/1.8、1/2.5、1/3英寸等不同的尺寸规格,其中以PowershotPro1采用的2/3英寸CCD图像传感器为最大,以PowershotA42O等采用的1/3英寸CCD图像传感器为最小。佳能EOS数码单反相机的CMOS图像传感器有三类不同的规格,第一类是佳能EOS-IDs Markll的CMOS图像传感器和135胶片成像面积(36*24毫米〕相同;EOS 5D的CMOS图像传感器和EOS-1DSMarkll相仿,35.8*23.9毫米,同属于全画幅系列;第二类是EOS-1DMarkllN的CMOS图像传感器的成像面积小于135胶片,为28.7*19.1毫米,属于APS-H系列;第三类是EOS 30D的CMOS图像传感器更小一些,为22.5*15毫米;EOS 30D的CMOS图像传感器与EOS 30D相仿,为22.2*14.8毫米;两者同属于APS-C系列。图像传感器尺寸的不同,对于成像质量是有影响的。如果数码相机图像传感器的有效像素相同,图像传感器的尺寸越大,其成像质量也就越好。这是因为,图像传感器尺寸越大,每个像素单元的尺寸也就越大。像素单元的尺寸越大,所接受的光影信息也就越多,最终拍摄的图像记录的信息也就越丰富,图像被噪点等杂信的干扰也就越小,图像的质量也就越好。

  图像处理器和图像传感器一样,都是数码相机的核心部件。数码相机的扩展功能十分丰富,可以随意调整各种设置、白平衡、 图像质量参数等等都可以根据需要进行调整。这些功能的实现,都要依靠图像处理器来完成。DiGiC为佳能独立研发的数码相机专用图像处理器,不但可以处理图像数据,而目还可以控制相机的存储、自动曝光、自动调焦等功能。自2002年推出的轻便数码相机PowerShot G3和2003年推出的数码单反相机EOS 10D开始,佳能的DiGiC图像处理器已经付诸实际应用。DiGiC ll已是第二代的新型图像处理器,性能更加优异。佳能独立研发CMOS图像传感器和 DiGiC ll图像处理器,己经全面用在EOS数码单反相机上,因此,佳能己经掌握了数码单反相机上的核心技术。不但如此,现在佳能还将DiGiC ll图像处理器应用在全部新型轻便数码相机上了。也就是目前佳能的数码相机,已经全线采用DiGiC ll新型图像处理器。

  DiGiC ll新型图像处理器的实际应用,使佳能数码相机的性能得以大幅度提升。EOS 300D是世界上第一款万元级的数码单反相机,曾经名噪一时极具影响力。EOS 350D是EOS 300D的更新换代产品,EOS 300D采用的是老款的DiGiC图像处理器,而EOS 350D则采用了DiGiC ll新型图像处理器。因而EOS 350D的性能比起EOS 300D有了大幅度的提升:首先,从成像质量上说,EOS 350D拍摄的照片画面更干净,影响成像质量的噪点更少;其次,EOS350D的反应速度大大地加快了,开机时间和快门时滞比EOS 300D都有非常明显的改善。EOS 350D开机仅需0.2秒就可以进行拍摄,快门时滞也只有100毫秒,抓拍动态目标更加从容;再者,EOS 350D的耗电量更小。虽然EOS350D采用了容量较小的NB-2LH锂电池(720毫安时),但是仍然可以和使用容量更大的BP-511锂电池(1100毫安时)的EOS 300D拍摄同样多张数的照片。

  由此看来,DiGiC ll新型图像处理器的应用,不但可以改进数码相机的成像质量,还可以进一步加快数码相机的处理速度,而目还能降低数码相机的电能消耗,延长电池的使用时间。总之,DiGiC ll新型图像处理器可以明显地提升数码相机的综合性能。


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