1.2 数字化的概念

图像传感器的工作原理

图像传感器是一种特殊的光敏硅芯片。目前主要有两种类型：电荷耦合器件（CCD）和互补金属氧化物半导体（CMOS）。在传感器的表面有着一层电极网格，电极网格中的每一个电极对应一个像素。

在按下快门之前，相机会给图像传感器的表面充电。由于光电效应，当光线照射到元器件的感光部位时，该部位的金属会释放出一些电子。在曝光后，相机只需要测量每个位置的电压就可以确定有多少电子，从而确定有多少光照射到这个特定的位置。然后通过模数转换器将测量值转换成数字信号。

大多数的相机使用12位或14位模数转换器，这就使从每个照片位置产生的电荷被转换成一个12位或14位的数字。在12位模数转换器的情况下，这将产生一个介于0和4096的数字；使用14位模数转换器，将得到一个介于0和16384的数字。但是，具有更高位深的模数转换器并不能给感光元件一个更大的动态范围。它所代表的最亮和最暗的颜色保持不变，但额外的位深确实意味着相机将在该动态范围内产生更精细的层次。最终图像中使用多少位取决于保存图像的格式。

CCD是由相机读取单个照相点电荷的方式派生出来的。在CCD曝光后，第一行照相点上的电荷被转移到一个移位寄存器，在那里它们被放大，然后发送到一个模数转换器。每一行电荷都与下一行电荷电耦合，因此，在一行被读取和删除后，所有其他行向下移动，以填补现在的空白。CMOS（如图1-11所示）与CCD的作用相同。拍照时，照在图像传感器上的光被采样，转换成电信号。在图像传感器曝光后，这些电信号被放大器放大，然后发送到一个模数转换器，模数转换器将电信号转换成数字信号。这些数字信号随后被发送到机载计算机进行处理。一旦机载计算机计算出最终图像，新的图像数据就存储在记忆卡上，如图1-12所示。

图1-11

图1-12

图像传感器通过测量照射到该传感器上的光线量来创建图像，但这些图像还是灰度图像，为了能够拍摄彩色图像，就在图像传感器上采用一种RGB滤波，滤波上每个照相点都有红、绿、蓝三色滤镜，滤镜通过阵列的方式进行排列。

目前，市面上大部分型号的数码相机使用的是CMOS图像传感器。与典型的CCD芯片相比，CMOS芯片的生产成本要低得多，CMOS芯片消耗的能量要少得多，减少了过热问题，因此也延长了相机电池的使用时间与寿命。CMOS技术还提供了将更多功能集成到一个芯片上的能力，从而使制造商能够减少相机芯片的数量。例如，图像采集和处理可以在一个CMOS芯片上进行，进一步降低相机的价格。