david katz和rick gentile

　　當(dāng)今數(shù)碼照相機基本都是基于電荷耦合器件（ccd）或cmos傳感器技術(shù)。這兩種技術(shù)都能將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，但它們的轉(zhuǎn)換方式不同。

　　在ccd組件中，由數(shù)百萬光敏像素組成的陣列覆蓋在ccd傳感器的表面。在傳感器曝光后，首先ccd的末端讀出覆蓋整個ccd像素陣列上的累積電荷，然后經(jīng)模擬前端（afe）芯片或ccd處理器數(shù)字化。另外一種傳感器，cmos傳感器可直接將每個像素單元的曝光程度數(shù)字化。

　　通常，ccd具有最高的圖像質(zhì)量和最低的噪聲，但是其功耗較高。cmos傳感器容易制造并且具有低功耗特性，但是其圖像質(zhì)量較低。部分原因是因為位于每個像素的晶體管容易阻擋到達像素的部分光信號。然而，如果在質(zhì)量競爭過程中與ccd比價格，那么cmos具有優(yōu)勢，并且目前采用cmos傳感器的中擋數(shù)碼照相機的數(shù)量越來越多。

　　無論數(shù)碼照相機內(nèi)部采用哪種傳感器，傳感器陣列的所有像素都需對灰度等級靈敏——從全暗（黑）到全亮（白）。對灰度等級敏感程度被稱為“比特深度”。因此，8 bit像素可區(qū)分28或256個灰度梯度，而12 bit像素可區(qū)分4096個灰度梯度。分層的整個像素陣列是一種將每個像素分為幾個對顏色敏感的“子像素”的濾色鏡。這種安排允許測量每個像素單元不同顏色的成分。因此，每個像素單元的顏色可看作是紅色（r）、綠色（g）和藍色（b）通道光的成分以加法方式疊加的總和。比特深度越高， rgb空間能產(chǎn)生的顏色越豐富。例如，24 bit顏色（r、g和b每通道為8 bit）可產(chǎn)生224或1,670萬種離散的顏色。

　　為了恰當(dāng)?shù)乇硎静噬珗D像，每個像素單元，每個傳感器需要3種顏色采樣——最通常是r，g和b。然而，為每個數(shù)碼照相機配備3個單獨的傳感器并不是經(jīng)濟有效的解決方案（雖然最近這種解決方案變得比較實際）。而且，當(dāng)傳感器的分辨率增加到5百萬～1千萬像素時，就會需要一些圖像壓縮格式防止為每個像素單元需要輸出3個字節(jié)（或更壞情況下，對于更高分辨率的傳感器，還會需要輸出3個12 bit字）。

　　不用擔(dān)憂，因為數(shù)碼照相機生產(chǎn)廠商已經(jīng)開發(fā)出了減少必要的顏色采樣數(shù)目的巧妙方法。最常用的方法是采用色彩濾鏡陣列（cfa），它僅測量任何給定像素單元的一種顏色。然后，用圖像處理器對測量結(jié)果進行插值運算以便看起來好像在每個像素單元測量了3種顏色。

　　當(dāng)今最流行使用的cfa是bayer模式，如圖1所示。該方案由kodak創(chuàng)立，它利用這樣的原理：人眼對綠色成分的識別靈敏度大于紅色或藍色。因此，在bayer濾光鏡陣列中，通過綠色濾光鏡的光強是通過藍色濾光鏡或紅色濾光鏡的兩倍。這便引出一種通常稱作的“4:2:2 rgb”的輸出格式，即每發(fā)送2份紅色光和2份藍色光就對應(yīng)發(fā)送4份綠色光。

　
圖1: bayer模式圖像傳感器排列

圖像傳感器的連接

　　cmos傳感器通常按照ycbcr或rgb格式輸出像素單元的并行數(shù)據(jù)流，同時伴隨水平同步和垂直同步以及像素時鐘。有時，它們允許使用外部時鐘和同步信號來控制來自傳感器的幀圖像輸出。

　　另一方面，ccd傳感器通常需要隨后連接“模擬前端（afe）”芯片，例如ad9948，它可處理模擬輸出信號、將其數(shù)字化并且產(chǎn)生掃描ccd陣列的合適時序。處理器為afe提供同步信號，它需要這種控制信號來管理ccd陣列。從afe輸出的并行數(shù)據(jù)流可能為每像素單元提供10 bit或12 bit的分辨率。

　　最近，低電壓差分信號傳輸（lvds）技術(shù)已經(jīng)成為取代并行數(shù)據(jù)總線的重要方法。lvds技術(shù)是一種低成本、低引腳數(shù)和高速串行的連接方法，它比標準并行方案提高了抗噪聲性能并且降低了功耗。隨著傳感器分辨率和色深度增加以及便攜式多媒體應(yīng)用越來越普遍，這種lvd連接方法顯得格外重要，

圖像流水線

　　當(dāng)然，照相過程并不是終止于傳感器，相反，傳感器僅是處理過程的開始。讓我們看一下原始圖像在顯示器上呈現(xiàn)出精美的圖像之前是什么樣子。在數(shù)碼照相機中，這些處理階段的順序被稱為“圖像處理流水線”，或簡稱為“圖像流水線”。請參見圖2所示的一個數(shù)據(jù)流程。這些算法通常由多媒體處理器來完成，例如adi公司的blackfin處理器系列。

　
圖2: 軟件圖像處理流水線流程示例

機械反饋控制

　　在你平靜地釋放快門按鈕之前，聚焦和曝光系統(tǒng)與照相機的機械部件一起工作，根據(jù)場景特性控制鏡頭的位置。自動曝光算法測量分立景物區(qū)域的亮度，通過調(diào)節(jié)快門速度和（或）光圈以對曝光過度或曝光不足的區(qū)域進行補償。我們的主要目標是維持圖像中不同區(qū)域之間的相對對比度并且達到所要求的平均亮度。

　　自動聚焦算法可分為兩類。其中主動算法采用紅外線或超聲波發(fā)射器和接收器估計照相機和拍攝對象之間的距離。另一種被動算法是根據(jù)照相機所接收的圖像進行聚焦。

　　在這兩種子系統(tǒng)中，多媒體處理器通過