研究性学习报告--传统光学相机与数码相机的差异

学号：14051221探究学习报告传统光学相机与数码相机的差异学院名称5系姓名黄一桓同组学生无2015年10月摘要照相机是一种利用光学成像原理形成影像并记录的设备，并在生活中被经常使用，按照感光介质的不同又可分为传统相机与数码相机。本文通过探究性学习，分析了传统相机与数码相机在不同之处。在对成像处理方面，传统相机使用银盐等会发生光反应的物质作为影像记录；数码相机利用CCD或CMOS光电传感器来读取光的信息。在图像储存方面，传统相机直接使用胶片储存，数码相机使用储存卡将传感器上的读取、计算后的信号储存。胶片的感光颗粒决定了传统照片像素，感光元件数量、种类与排布，计算算法共同决定了数码相片的像素。传统相机一直是摄影师必不可少的工具，数码相机由于电子信息技术的发展也在飞速进步。在探究性学习中，了解了两者的异同，学习到了与之相关的知识。关键词：数码相机传统相机光电技术一、简述传统相机与数码相机最大的不同在于感光材料的不同。传统相机的一般用银盐作为感光材料，数码相机利用光电传感器作为感光材料，这就导致了传统胶片相机与数码相机在处理影像的过程有着很大的不同，不同的过程将导致最终得到的影像画面产生差异，例如清晰度、对比度、曝光程度等指标的不同，也会导致它们对相同条件的处理方式也会不同。由于材料的不同也会导致记录的方式产生差异，一种是化学信息，一种是数字信息，它们的储存媒介也会存在很大差异，读取方式、后期应用等方面也存在差异。在此文章中，通过学习和研究将从传统相机与数码相机的处理过程，成像像素，储存与处理等方面比较两者的不同。二、处理过程传统相机与数码相机对接收到的图像的处理方式有着很大的不同。2.1传统相机传统相机使用方法一般为取景，调焦距，调整光圈，调整并按下快门这几个步骤，在按下快门后由感光胶片来记录图像。机身内置快门决定胶卷进行曝光的时间，在进行曝光时按照使用者所设定的时间而打开，让来自镜头的光纪录在胶卷之上。而镜头则是一些光学组件，集结光线，在胶卷上造像，由数片透明曲面玻璃等构成组合件通过光线折射，形成影像。胶片上涂布有银盐或其他对光有光化学反应的物质，当影像投射在胶片上时，胶片上的感光材料会因光的强弱发生不同程度的反应，产生图像。而彩色胶片一般用三层感光乳剂层来进行三原色的感光，在这些乳剂层里还分别含有不同的能够生成染料的有机化合物，叫做彩色成色剂。它们本身是无色的，但在彩色显影时能与彩色显影剂的氧化物耦合成为有色的染料，产生彩色的负片。之后，将负片进行进一步化学处理便得到了反应真实影响的照片。2.2数码相机数码相机则是利用各种光电传感器代替了传统的感光胶片。光电转换器的组成一般为CCD电荷耦合器传感器，可将曝光量转换成储存电荷量，翻译成数字等价信号；此外还有CMOS互补金属氧化物半导体传感器。曝光后，相机会逐个读取每一个电光元件的电参数值，得到影像上各像素的亮度值，对于彩色图像，需要分别读取各像素R、G、B的光强度。按光电转换器的结构结构可分为面阵型影像传感器和线阵型CCD两种，线阵型是利用曝光时排列成一条线的CCD扫掠形成整个图像。线阵型法一般用于超大片幅高清晰度的拍摄，由于曝光扫掠时间长，所以不能拍摄移动物体。由于感光元件本身不能识别光的颜色，所以按照获取色彩的不同方式，可将面阵型传感器分为利用滤色镜分光和分层色彩采样法两大类。利用滤色镜分光时，每个感光元件只能接受单一颜色的光，由于人对绿色敏感，绿色滤光镜通常比红蓝多一倍，这就使像素的位置需要经过计算获得。而基于这种原理，sony在2003年曾发布了一款四色感应CCD，在传统的三色CCD基础上有新增一种绿色，使自然景物拍摄地更加自然真实，其排布方式如图二所示。而分层色彩采样法是利用蓝、绿、红光在CMOS芯片上穿透能力不同设计的方法，将同一像素下设置三层电极，这使得每一个像素可以独立的产生自己的全部色彩信息，有效的提高了空间利用率，简化了电路，同时也提高了图像清晰度。图1两种滤光原理图示图2三色CCD与4色CCD排布对比数码相机的图像不是拍出来的，而是“算”出来的，每个像素点由多个CCD感光元件组合而成，读取的数据基于各种算法和感光元件的配合来实现传统相机的各种功能。比如说在图像的重建时，必须要用到插值算法；在对焦的时候会利用感光元件的数值进行计算，实现自动对焦；以及对比度调整、图像滤波及锐化等其他算法。因此，它具备了很多传统相机所不具有的特殊功能。同时由于数码相机的原理不同会出现一些传统相机所没有的新问题，比如噪点和紫边问题。噪点问题是指画面的暗部会形成杂色的噪点，由暗电流造成的，暗电流指在没有光或电注入的情况下传感器输出信号，由于整体的信号较弱，在成像时会将信号放大，使其杂波也被显著放大，它受材料，温度和算法的影响。紫边问题则是指在反差强烈的轮廓边缘出现紫红色晕边的现象，这是由感光元件结构和相机的插值算法引起的。三、实际像素传统相机的实际像素由感光材料决定，一般卤化银是主要的感光材料，感光乳剂中卤化银颗粒大小和颗粒度是最重要的参数之一。因为被摄景物的影像是由卤化银还原成颗粒状银所构成。在感光过程中，卤化银颗粒是单个地起作用的，每个颗粒形成潜影的一个显影单位。在正常曝光范围内，可显影的颗粒数目随着曝光量的增加而增加。卤化银的颗粒越大，则感光度越大，但其分辨率和质感越小；颗粒越小，则感光度越小，其分辨率越大，质感越好。通常其颗粒大小为0.1至4μm之间，远大于可见光的衍射现象造成的分辨率。一般而言，传统的35mm胶卷的分辨率约为1800万像素或更高。数码相机的像素通常指有效像素，表示传感器实际参与成像的像素数量。分辨率则是由有效像素以及算法决定。通常可以使用插值算法计算得到更高的像素，但是插值算法不能算出未拍摄出的细节，因此不能提高实际分辨率。而且，数码相机有一种普通胶卷相机所没有的功能，就是改变拍摄图片的分辨率。数码相机一般都有很多种分辨率可供选择，在不高的分辨率下，可以提高拍摄的速度，减少图像文件所占储存空间。在2015年，佳能的5ds曾利用CMOS传感器达到过5060万有效像素，而在2005年，当时最高像素的柯美DIMAGEX1只拥有800万像素，可见数码相机的飞速发展。四、防抖设置在相机拍摄时，由于在快门按下曝光开始到成像结束这一时间内，相机会发生不可避免的抖动，如果抖动的位移量达到最小可分辨量时，眼睛就可以看见了，产生了“拖尾”现象。它与快门的速度和镜头焦距值有关。常见的防抖技术有镜头防抖系统，机身防抖系统（CCD防抖），数码防抖（软件防抖）系统等。镜头防抖系统比较成熟，它的工作原理是把由手抖动引起的镜头光轴晃动分解为纵向与横向，利用镜头内的陀螺仪来检测镜头的角速度变化，通过电脑计算得到晃动程度，再由驱动装置控制光学系统进行光学补偿。随着技术的发展，佳能和尼康的防抖镜头已经能够保证低于安全快门速度4挡来拍摄，即意味着如果你用普通相机在1/15秒快门时出现了明显抖动现象，那么加上防抖镜头后，在相同条件下快门可以加速到1/60秒时才出现抖动现象。机身防抖与镜头防抖原理类似，主要是通过内置于机身内的陀螺仪监测相机运动，然后计算出补偿量，并依靠磁力高速震动感光元件以实现抖动补偿。一般镜头防抖的移动组件较重，更耗电，防抖技术也无法通过后期软件升级；但镜头防抖的优势在于成像质量更好，在CCD防抖时，感光元件会增加热量与静电，从而增加画面的色斑与噪点。软件防抖在数码机中用的更多一些，采用了陀螺仪检测记录抖动运动数据，在图像采集时，根据抖动的动作量做出相应的补偿，通过计算得出比较清晰地图像。相机防抖动技术是一个热门的技术，无论在传统相机还是数码相机它还有很大的价值和改进空间，包括摄影时的动态防抖、高感度防抖、负反馈的闭环防抖、飞行器或望远镜的稳像技术、射击时的防抖动技术等等一系列未来应用。五、储存传统相机的储存是利用胶片上经过光化学反应后的感光材料来记录图像信息，之后用显影粉、定影液等化学试剂使胶片显示出固定不变的影像，利用扫描仪等将胶片上的影像转变为纸质版或电子版照片。胶卷一般不能长期储存，容易失效。而数码相机将得到的图像信息以数字信息的方式储存在储存卡中，更便于读取、修改与打印，一张储存卡可以记录许多的照片信息，相对于胶卷摄影成本更低。而数码相机的储存原理是利用光电传感器在光刺激下产生的电信号经处理，将得到的数字信息由储存器储存，以CCD为例：在CCD接收到光的刺激后会产生电荷作为信号，其控制芯片利用感光元件中的控制信号线路对电荷进行控制，由放大器放大并滤波后得到模拟电信号，在转换为数字信号后便可经算法处理，得到所需要的图像。CCD的图像采集方式比较多，如1394采集，基于ARM的嵌入式采集、USB方式采集等。而高速图像采集要求CCD驱动频率较高，读出速度快，数据量大，处理复杂，对高速数据采集系统有很高的要求，输出频率可达到MHz个CCD像元，是图像采集领域的一个热点。数码相机的图像更便于读取，修改与打印，一张储存卡可以记录许多的照片信息，相对于胶卷摄影成本更低。同时兼具有记录静态景象与动态影像两种或更多记录模式，拥有自动的白平衡，感光度，曝光补偿，色差等显示处理，上手容易。同时还可以选择照片的储存压缩格式，使照片可以直接输入计算机，有多种图像处理软件可对它进行处理，并用打印机打印，更加方便。六、其他数码相机特有功能6.1图像后期处理由于现代数字技术的发展，原本许多需要在电脑上实现的后期处理功能，现在逐步的可以在相机或手机上进行实时或后期的处理。比如说实时的面部识别技术就可以帮助相机自动寻找对焦点，自动处理面部，而基于此的笑脸快门可以实现自动的抓拍，在后期处理又可以实现美颜等功能。数码相机还能自动的处理锐化，对比度，低通滤波，色彩平衡，这些繁琐又专业的处理过程经过自动处理后，使得拍摄门槛大大降低。6.2自动对焦自动调焦是现代相机的基本功能，分为主动式自动调焦和被动式自动调焦。主动式调焦利用相机发出的一束红外线来测定焦距，但由于其有效距离小，易受环境干扰，现在并不常用。被动式自动调焦主要有对比度法和相位法：对比度法是利用失焦图像对比度减小的特性，利用闭环控制寻找到对比度最大点；相位法是监测像的偏移量来实现自动对焦的，在感光片前放置一个网格板光栅，当聚焦面与网格板重合时，光线同时到达后面两个受光元件，相位差为0，否则光束只能先后到达两个受光体。图3相位法自动调焦6.3感光度，白平衡设置感光度是摄影和录像中一个很重要的曝光参数。在摄影中所说的感光度，是指相机中的胶片或其它感光器件对接受的光线进行曝光的灵敏程度。感光度越大，在相同快门和光圈组合下可以获得越大的曝光量；反之,感光度越小，在相同情况下获得的曝光量越小。在传统的胶片相机中，感光度是不能设定的，一种胶片只能有一个感光度要想变换感光度只有依靠更换胶片来完成。数码相机的感光器件CCD或是CMOS是没有感光度可言的，但是拍摄所需要的感光度却可以通过数码相机来设定。用数码相机来设定感光度的好处是可以随时调整，一张照片就可以设置一种感光度，不像胶片相机那样一个胶卷只有一个感光度。白平衡设置是解决图像色彩偏色的一个调整功能。传统相机解决偏色问题通常靠更换胶卷或者使用色温转换滤镜，这两种方法都十分依赖人，而且操作不方便，效果也不理想。而在数码相机中，只需计算当前偏色，通过改变各基本颜色电信号的增益，便可以得到颜色之间的最适配比，从而精确地控制色彩还原。七、总结数码相机与传统相机相比有着很多的不同，主要可体现在感光并记录的方式不同，一个是感光胶片，一个是光电元件。因此导致了包括处理过程，储存与后期处理以及实际的像素等多方面的差异。数码相机将传统相机原本包括调焦、曝光、洗胶卷等繁琐复杂的过程进行了自动化的处理，而且由于它可以直接输入计算机，处理更加的方便。随着电子技术的飞速发展，数码相机的传感器、处理器、储存器和相关算法都在不断地进步。尤其是近年来手机等集成电子产品的发展，实现了数码相机与电子产品的对口融合，因此它以功能齐全，上手容易，价格低廉的优势，赢得了大多数人的选择。但对于一些专业的摄影师来说，胶卷的色彩还原和影响饱和度