数码相机原理与系统设计研究

    1 引 言

    数码相机(Digital Still Camera)也被称为数字相机或数位相机。早在1981年8月,日本索尼公司推出模拟式的Mavica电子静态视频相机,这可以说是数码相机最早的雏形;直到1995年,卡西欧公司推出QV-10相机,数码相机才彻底告别了模拟数字化方式,真正的数码相机时代也从此开始。起初的数码相机由于价格等因素,主要被用于新闻和商业领域。随着各厂商间竞争的激烈化,技术上越来越成熟,价格上越来越合理,加之家用电脑的迅速普及,不过短短的10年,它已经风靡了整个世界,成为最热门的数字化产品之一,大有取代传统相机的趋势。

    本文将针对通用数码相机系统的电子系统部分,主要分析数码相机的基本工作原理、系统结构设计和数据处理流程。

    2 数码相机的基本工作原理和系统结构研究

    数码相机,实际上就是采用光电转换器件,将光信息转换成电信息,再加以特定处理并进行存储的电子系统。一般而言,数码相机采用光敏元件作为成像器件,将用于成像的光学信息转化为数字信号储存在内置存储器或外部扩展存储器上,通过USB、RS232等通用计算机接口进行数据交互,将拍摄的数字图像传输并存储在计算机中。典型的数码相机系统具有镜头、闪光灯、光学取景器、LCD显示屏、图像数据存储扩展设备接口、图像数据传输接口、供电系统以及核心处理器等八个主要部件,有的数码相机甚至已经将数字音频合成到整个系统中来。在这些部件中,除了光学取景器以外,基本上都和数码相机的电子系统产生直接的关系。

    数码相机的工作原理基本如下:当按下快门时,镜头将光线会聚到感光器件CCD或CMOS, CCD/CMOS是半导体器件,主要功能就是把光信号转变为电信号。这样,就得到了对应于拍摄景物的电信息图像。在采用了CCD的数码相机体系中,由于CCD的输出是模拟信号,因此需要使用一个ADC(模数转换器)器件来进行数字化处理。在采用CMOS的数码相机体系中,由于CMOS器件采用了数字化传输接口,因此不需要采用ADC器件。通过MPU(微处理器)读出CD/CMOS的数据信息,对数字信号进行压缩并转化和相应的处理,再转换成特定的图像格式(通常为JPEG格式)。最后,图像以文件的形式被存储在存储器中。至此,数码相机的主要工作已经完成,剩下要做的是通过LCD(液晶显示器)查看拍摄到的照片和进行相应的预览。

    在图1中描述了数码相机基本的系统结构。下面结合这一结构框图,对数码相机的主要部件作以简要介绍。

    2.1 镜 头

    数码相机镜头和普通相机的镜头一样,同样也有变焦镜头、定焦镜头等的分类,而且主要的参数性能指标由焦距、视场角、相对口径、分辨率、MTF、畸变率等决定。不同之处主要在于由于数码相机的成像靶面比普通的相机小,因此用于该系统的镜头焦距针对35mm的光学相机而言通常比较短。同时,由于数码相机采用的图像传感器对不同波段光的响应曲线与人眼不同,和35mm相机使用的化学底片的相应曲线也不相同,因此通常需要在镜头上进行的镀膜和35mm的相机镜头镀膜也是不一致的。需要说明的是,在数码相机应用的镜头中,其电子控制电路已经完全和数码相机的核心处理单元(微处理器)紧密地联系起来。