1、认识数字摄像数字摄像 第一章：认识数字摄像 第一节：数字摄像发展及现状一、数字摄影的工作原理 工作原理：虽然相机的种类五花八门，但其基本工作原理都是一样的：相机的主体是不透光的暗箱，它的前端装有镜头，拍摄对象通过镜头成像在焦平面位置，影像在这里通过影像传感器转变成电信号（电荷）被存储在存储器内。 (如果是老式胶片相机影像被直接记录在感光胶片上)。在影像传感器的表面，分布着大量的能把光信号转变为电信号的光电半导体元件，这个能把光信号转变为电信号的光电半导体材料构成的光敏元件，是数字相机非常重要的部件，在很大程度上决定着数字相机的档次和质量。 光敏元件的种类有很多，我们最常见的是CCD和CMOS。
2、CCD是英文Charge Coupled Device的缩写，译作“光电耦合元件”；而CMOS则是Complementary Metal Oxide Semiconductor的缩写，意为“互补型金属氧化物半导体”。CCD和CMOS，它们的作用是一样的，都是把光信号转变为电信号，在被摄景物比较明亮的部分，产生的电荷量就会比较多，而黑暗或相对暗淡的部分，产生的电荷数也就比较少，从而可以很成功地表征出景物的亮暗情况。二、传感器的发展 1969年加拿大物理学家威拉德博伊尔(Willard Boyle，1924年8月19日- 2011年5月7日）与美国物理学家乔治埃尔伍（George Elwood S
3、mith，1930年5月10日一），共同发明了半导体成像器件电荷耦合器件(CCD)图像传感器。1975年，世界上第一台数字相机“手持电子相机”，由数字相机之父斯蒂文赛尚在美国柯达应用电子研究中心试验成功。该相机非常笨重，甚至以现在的观点看，无法称其为数字相机：它宽20.9厘米，厚15.2厘米，高22.5厘米，重3.9千克，而存储介质则采用了数字磁带。记录一张影像需要23秒，每盒磁带可存储30幅影像。这个简陋又笨拙的样机，在当时却让影像界激动不已。该相机拥有10000像素。 目前，数字相机的传感器“CMOS”越来越多地被当作数字相机的感光组件。例如数字相机与高清数字摄像机，尤其是片幅规格较大的数
4、字单反相机，另外消费型数字相机亦开始使用背面照射式CMOS，使成像质量得以提升。CMOS跟传统的电荷耦合组件CCD相比，由于CMOS每粒像素都设有放大器，CMOS较CCD的最大特点就是功耗很低，除了功耗低，CMOS还具有速度快、抗干扰能力强、集成密度高、封装成本逐渐降低等优点。第二节：数字相机 虽然相机的种类五花八门，但其基本工作原理都是一样的：数字相机的拍摄过程是借助光学、微电子学使被摄体在光线作用下通过摄影镜头成像在影像传感器上。为了方便相机的操作使用，就在相机基本构造的基础上增加了一些功能。一、数字相机的基本结构：1.取景器（电子屏、取景窗）2.调焦装置（镜头）3.控制曝光量的装置（光圈
5、和快门）4.图像传感器（cmos、ccd）5.存储装置（cf、sd等）6.供电（电池）7.智能化、自动化控制装置（测光、自动曝光、自动调焦、自动闪光控制等等）二、数字相机的基本分类数字相机通常依照其使用的影像传感器的尺寸及用途分为：便携式数字相机（卡片机）、数字单反相机、紧凑型数字相机中画幅数字单镜头反光相机数字后背。1、便携式数字相机 俗称“卡片机”，体积小巧，外观时尚，操控方便，只有全自动拍摄模式，拍照时无需复杂的调节，只需取景、按快门就能拍摄出照片，满足了大多数图普通家庭的拍摄需要，其影像传感器尺寸小，一般在1/1.7英寸、1/2英寸、1/2.3英寸、1/2.7英寸几种左右。 2、数字单
6、镜头反光相机（单反相机）其影像传感器尺寸大，一般在24*36mm左右。，参数调节范围广，功能齐全，质量优异，便携性较好，自动化程度高，并且支持全面的手动调节功能，可以胜任的拍摄题材广。因此，无论是普通摄影爱好者还是专业摄影师都喜欢使用这类相机进行拍摄。 为满足不同用户群的需求，摄影器材厂家开发了不同档次的数字单反相机，一般分为入门级、中级、准专业级和专业级。比如：佳能的600D、尼康的D3000和D5000是入门级；佳能的50D、尼康的D90是中级机；准专业级；佳能的5D 2和5D3、尼康的D600和D8003、紧凑型数字相机 紧凑型数字相机（也称微单相机或单电相机）不是微型单反相机的意思，应
7、该称为微型可换镜头式单镜头数字相机。“微单”是专门针对中国市场决定的名字，可以涵盖微型和单反两层含义：相机微型、小巧、便携，还可以像单反相机一样更换镜头，并提供和单反相机几乎同样的画质。其它如奥林巴斯把它称为单电相机，在2008年，日本奥林巴斯和松下共同推出的一种全新概念的数字相机-Micro4/3系统，该系统舍弃了普通数字单反的五棱镜、光学取景窗等结构，采用了电子取景窗或相机屏幕取景的方式，奥林巴斯和松下把这种相机称为无反光镜的可换镜头数字相机。4、中画幅数字单镜头反光相机中画幅数字单反相机的影像传感器尺寸一般在4836mm左右，影像质量优异。2004年9月，日本玛米亚公司推出中画幅数字单反
8、相机玛米亚ZD，CCD传感器尺寸为4836mm，2200万像素，机身可兼容玛米亚645AF的所有镜头和附件。 5、数字后背 数字后背主要由影像传感器和数字处理系统等部分组成，其结构简单，与机身相连的一面为影像传感器和信号传递触点，背面是彩色液晶显示屏和操作键，侧面为存储卡室和各类接口。数字后背配接在中画幅相机或大画幅相机上使用，解决了这些相机的数字化拍摄问题。CCD尺寸为53.740.4mm。主要运用在对画质要求极高的建筑、风光、肖像和产品广告摄影领域。早期的数字后背多为扫描型，采用线形影像传感器，曝光时间长，多用于拍静止的景物，现在则以面形影像传感器为主，与一般数字拍摄无 此外，目前很多手机
9、具备了数字拍照功能，像素直逼流行数字相机，有些先进的功能，比如选择性对焦，让一些数字单反相机都汗颜但是，大多数不具备光学变焦功能和手动调节功能，成像品质与同像素的数字相机相比还有一定差距。三、数字相机的存储介质 “存储介质”或“存储媒介”。它是一种外置可装卸式存储介质，通俗的称呼叫“影像储存卡”，最常见的有以下几种。1、 CF卡 CF卡（Compact Flash卡）采用闪存技术，是一种稳定的存储解决方案。 CF卡具有比其它存储方式更长的寿命，拥有较好的兼容性及稳定性，不需要电池来维持其中存储的数据。目前CF卡已经成为一种较贵的存储卡，基本上已经是数字单反“专用”，市面上销售的CF卡都是定位较
10、高的高速产品。现在的CF卡容量有：4GB、8GB、16GB、32GB、64GB与100GB，其中32GB标榜速度为全球最快的CF记忆卡，可达667倍速，读取速度可达每秒100MB、写入可达每秒80MB；完全可以满足专业人士对于高速连拍甚至是高清格式高规格录像的严格要求，100GB的版本则是233倍，写入达每秒35MB。 由于CF卡与其他种类的存储卡相比，它的体积略微偏大，现在流行的超薄数字相机大多放弃了CF卡，而改用体积更为小巧的SD卡。另外，CF卡的工作温度一般是040摄氏度。因此0度以下的环境中，即使是专业机也可能无法工作。2、 SD卡 SD卡(Secure Digital)又叫“安全卡”
11、， SD卡采用高性能的9针接口界面与专门的驱动器相连接，不需要额外的电源来保持其记忆的信息。而且是一体化固体介质，没有任何移动部分，所以不用担心机械运动的损坏。此外，保护开关和防盗版设计都使其成了名副其实的“安全卡”，再加上传输速度和容量的不断提高，使之成了专业人士非常喜欢的一种存储介质，被广泛应用于专业、民用数字摄影图片文件的保存。 SD2.0的规范中对SD卡的速度分级方法是：普通卡和高速卡的速率定义为：Class 2、Class 4、Class 6和Class 10四个等级，Class 2的读取速度为2.OMB/秒，Class 10读取速度为10.OMB/秒。超高速卡的速率目前只-UHS
12、Class l-个等级，读取速度312MB/秒。SD系列记忆卡几乎所有专利权都掌控在闪迪（San Disk）手上。3、 记忆棒 记忆棒全称Memory Stick，又称MS卡是一种可移除式的快闪记忆卡格式的存储设备，它是由日本索尼(SONY)公司最先研发出来的移动存储媒体，于1998年10月推出市场。具有外形小巧、稳定性较高、版权保护功能等优点。缺点则是通常只能在索尼的数字产品中使用，兼容性不够好，容量也不够大。S*S记忆棒是为高速专业数字视频处理而设计，为新一代摄像机例如XDCAM EXlEX3EXIR和非线性编辑系统设计的SXS存储卡基于闪存技术，可实现大型文件的高传输率，比如高清视频，上
13、载至电脑进行非线性编辑等，超高速度是其主要卖点，已经可以达到800Mbps。4、MMC MMC卡(Multimedia Card) 常译作“多媒体存储卡”，是在1997年由美国闪迪 (SanDisk)公司和德国西门子(Siemens)公司共同开发的一种小型轻量的多功能存储卡。目前MMC卡正在被SD卡逐渐取代。 总之，我们在选择存储介质尽量考虑技术成熟、主流的产品。另外要注意，存储卡与相机相互之间采用电路连接，在数据处理指示灯点亮期间，不管出现什么状况，都不要打开存储卡插槽盖或者拔出存储卡。这样不仅可能丢失所存储的图像数据，甚至可能导致存储卡损坏，所以使用存储卡时应非常小心。四、像素和感应器的大
14、小 1、像素 像素-是图像显示的基本单位。英文“pixel”，pix是英语单词照片（picture）的常用简写，加上“元素”（element），就得到pixel，故“像素”表示“图像元素”之意。一幅数字图像看起来是连续性的浓淡阶调，不像分离的点或者方块；但是我们若把影像放大数倍，会发现这些连续色调其实是由许多色彩相近的小方点所组成，这些小方点就是构成影像的最小单位“像素”。在很多情况下，它们采用点或者方块显示。每个像素可有各自的颜色值，可采用三原色显示，因而又分成红、绿、蓝三种子像素（RGB色域如下图），或者青、品红、黄和黑（CMYK色域，印刷行业以及打印机中常见）。照片是一个个采样点的集合，
15、故而单位面积内的像素越多代表分辨率越高，所显示的图像就会接近于真实物体。 光学成像三原色 （红、绿、蓝） 像素分为总像素和有效像素，因为每个像素实际上只能识别一种色彩信息，后期上需要借助周边像素的色彩信息来进行解码，还原本来的色彩。所以边缘的像素是不能参与成像的，它们是负责提供色彩信息来解码的，因此，总像素是大于有效像素的。现在市场上的数字相机一般都会标明是总像素还是有效像素。第二课： 2、分辨率像素和分辨率两者密不可分。 “分辨率”指的是单位长度中所表达或包含的像素数目。和像素一样，分辨率也分为很多种。其中最常见的是影像分辨率和打印分辨率。影像分辨率，我们通常说的数字相机输出照片最大分辨率，
16、指的就是影像分辨率，即每英寸所拥有的像素数，单位是ppi (PixelperInch)。 打印分辨率也是很常见的一种，是指每英寸所打印的点数或线数，就是打印机或者冲印设备的输出分辨率，单位是dpi (dot per inch)。 我们的眼睛能分辨出的最大分辨率是300dpi，例如：身份证图案上部的花纹中心，隐藏着“居民身份证”这五个汉语拼音第一个字母的缩写“JMSFZ”，但是这五个字母是微缩的，每个大小不足0.5毫米，一般人很难辨认出来超过300dpi这个分辨率，人的眼睛是无法看出差别的，也就是说300dpi和600dpi在人眼看来是没有差别的，所以现在的冲印设备最大的设计输出分辨率，就是30
17、0dpi，当然每个人对于清晰度的要求是不一样的，一般来说能达到200dpi就能让大部分人满意，像素和分辨率是成正比的，像素越大，分辨率也越高。比如：佳能5D Mark II数字单反相机的图像传感器：尺寸为35.823.9 mm的全画幅CMOS传感器，总像素为2110万。56163744，即21026304，约2100万。用最大RAW格式拍摄，得到22836KB大小的数字文件： 如果以300dpi输出分辨率冲印（或打印）该数字照片，则该照片的 宽：5616 Pixels/300 dpi= 18.72英寸=47.5488cm 高：3744 Pixels/300 dpi=12.48英寸=31.699
18、2cm 即用高分辨率300dpi可冲印（或打印）出18.72英寸12.48英寸(或者47.5488cm31.6992cm)的照片。 如果用72 dpi输出分辨率冲印该照片，则该照片的 宽：5616 Pixels/72dpi=78英寸=198.12 cm 高：3744Pixels/72 dpi=52英寸=132.08 cm即用低分辨率72 dpi可冲印出78英寸52英寸的照片。3. DPI 和 PPI的区别ppi(pixelsperinch)：图像的采样率（在图像中，每英寸所包含的像素数目）dpi(dotsperinch)：打印分辨率（每英寸所能打印的点数，即打印精度）打印尺寸、图像的像素数与打
19、印分辨率之间的关系可以利用下列的计算公式加以表示：图像的横向像素数=打印横向分辨率打印的横向尺寸，图像的横向像素数/打印横向分辨率=打印的横向尺寸。或: 图像的竖向像素数=打印竖向分辨率打印的竖向尺寸图像的竖向像素数/打印竖向分辨率=打印的竖向尺寸。针对特定的图像而言，图像的像素数是固定的，所以，打印分辨率和打印尺寸便呈现反比的关系。例如：希望打印照片的尺寸是4*3inch，而打印分辨率横向和竖向都是300dpi，则需要照相机采集的像素数至少为（300*4）*（300*3）=1080000像素，约一百万像素。采集的像素数过低会降低图像的打印质量，过高也不能提升打印质量。 ppi :ppi(pi
20、xelsperinch)是图像分辨率的单位，图像ppi值越高，画面的细节就越丰富，因为单位面积的像素数量更多，数码相机拍出来的图片因品牌或生产时间不同可能有所不同，常见的有72ppi，180ppi和300ppi,默认出来就是这么多。dpi:dpi(dotsperinch)是指输出分辨率，针对于输出设备而言的，一般的激光打印机的输出分辨率是300dpi-600dpi，印刷的照排机达到1200dpi-2400dpi，常见的冲印一般在150dpi到300dpi之间。 随着数字相机的技术水平不断提高，现在低于1 000万像素的数字相机已经很少了，普遍都高于1000万像素，即使是便携式的数字卡片机也达到
21、1200万像素。 对于普通摄影者来说，完全不必过于求新求贵，够用就可以。同样理由，对于发烧友和专业摄影师，由于其作品可能需要进行大倍率的放大，影像的质量问题和相机的控制性问题变得非常突出，这时，往往需要更多的手动功能和较高的像素及镜头质量等等，数字相机的价格也大幅度上升。4、 传感器的大小（CCD和CMOS） 影像传感器的大小表示方法主要有：对角线表示法和长乘宽表示法两种。前者主要用于家用消费级数字相机，后者则是单反相机中常用的。对角线的长度表示，单位为英寸，比如：现在市面上的消费级数字相机主要有1/1.7英寸、1/2英寸、1/2.3英寸、1/2.7英寸几种；另一种是直接表示为：传感器尺寸的长
22、乘宽的方式。 传统胶片135相机的成像面积是3624mm，120相机的成像面积是5670mm。而APS相机则有P型为(9.530.2mm)、H型为(16.730.2mm)、C型约为(15.022.5mm或者15.823.6 mm)三种画幅。对于数字相机的传感器的大小基本援用了传统相机的规格作参照，但又不完全统一，不同厂家、不同品牌的规格也略有不同，但它们都会用基本相同的方式表示出来。比如：佳能600D，APS-C规格数字单反，传感器尺寸：14.922.3mm CMOS。传感器尺寸为3624mm，相当于传统135胶片的成像面积，专业上称作全画幅数字相机。在专业单反数字相机中，很多都拥有35mm的
23、CCD/CMOS尺寸，例如尼康D3X，传感器尺寸达到35.924.OmmCMOS，有效像素2450万。比起消费级数字相机要大很多。 一般认为，在相同像素、同等制作工艺条件下，影像传感器的面积越大越好；面积相同，像素多、感光元件密度大的影像清晰度高、图像大。但是，像素不是决定其质量的唯一因素，更何况对于数字相机，还有镜头、模数转换器、数字信号处理器等重要构成部分。单纯提高像素，有时并不能获得理想的数字影像，这就是为什么我们时常会发现消费级1400万像素的数字相机还不如1200万像素的数字单反相机拍摄质量好的重要原因。 所以，我们在挑选数字相机时需要综合考虑，一般家庭使用、入门级爱好者，传感器的尺
24、寸选APS的就可以了；如果是专业级、发烧友就可考虑全画幅数字相机；要求更高的可以考虑120数字相机或者数字后背。四操控性能 数字相机的操控性能至关重要。虽然数字相机的原理都大同小异，但其操作性能却差别巨大，选购的时候一定要注意适合自己对性能的需求。比如：如果你需要拍摄速度快，佳能1D Mark IV可能是你的选择而不是佳能5D Mark II。佳能5D-II是全画幅，但是1D-IV是APS-C格式的传感器：27.918.6mm CMOS，不如5D-II传感器：约3624mm CMOS；1D-的价格还比5D-II贵很多，但关键就在性能、可控性上：1D Mark的连拍是10张秒，而5DMark I
25、I是3.9张秒，连拍速度的提高非常困难：存在处理器的处理速度、照片的像素、电池供电能力，以及储存卡速度、机械承受能力等众多方面因素。所以1DMark的1610万像素，还能到达10张秒，是非常了不起的，这是其配备了双处理器的效果，是技术的高峰。但如果你想图片和日渐主流的视频都拍，那么5D-II可能就是你的选择，它支持30rp贞秒1080p的视频格式，并且具备最高25600的ISO拍摄能力。EOS-1D Mark IV（2.23万元）5DMark II（1.21.7万元） 亲自试用一下相机，看看相机按键操作是否顺手，变焦方式是否合你意，对焦速度是否又快又准，菜单是否方便，也可以适当考虑个人偏好，当
26、然，对于普通用户来说，重视数字相机的实用性与拍摄质量，而不必过分追求各种花哨的功能。一般说来，数字相机，尤其是家用数字相机的附加功能比较丰富，例如许多数字相机有视频输出功能，可以接到电视上浏览照片，有的可以像手机一样自行设置开机图片和快门声音等，对于这些附加功有功能，不必太在意。对数字相机的闪光灯控制，应在光线不足的地方可以自动闪光，也应有强制闪光（比如阳光下的补光）、强制关闭等设置，慢门同步闪光功能也很重要，该功能可以在拍摄夜景的人物照片时，让人物和背景都能得到准确的曝光。 另外，还要注意机身与镜头的匹配，这里主要是说精度和分辨率的匹配，要考虑同一级别的机身和相同级别的镜头匹配，成像的清晰度
27、是与最低级别的成像质量对应的。五、数字相机的摄像功能关于数字相机的发展，另一个变化就是数字相机摄像功能的强化。用数字相机“兼职”摄像本来并不稀奇，很早以前主流的数字相机就具备了“短片”录制功能，不过在2008年之前，大多数产品一般只能拍摄640480像素的标准视频，而到了2008年以后，数字相机高清视频在格式和清晰度上都有了可喜的进步，做到了与高清时代同步，多数主流高清视频数字相机普遍能够以30fps的速率拍摄1280720像素的视频短片，符合720P的高清视频格式标准，获得的画面清晰流畅，而一些最新的数字相机甚至支持到更高的19201080像素规格，代表作是尼康D90和佳能EOS 5D Ma
28、rk。前者是世界首台带视频功能的数字单反，可以拍摄720P高清视频格式的数字短片；而后者，则是第一款在高端全画幅产品中实现了全高清视频影像摄录功能的机型，达到了19201080/30fps的全高清数字视频水平，对我们平时习惯于普通电视画面效果的观众来说，的确非常震撼。并且，在视频摄录过程中依然可以手动选择AF对焦点，还能实现相差检测式自动对焦。如今推出的各个品牌的新品，在视频方面的最大特点便是1080p的全高清视频拍摄占主导，用一个器材就能拍摄静态的照片和动态的短片，同时具有的视听效果确实令人着迷，如果这代表着一个数字摄影的方向，就为构建新型多媒体的表现手段提供了难以言表的巨大机会。要知道有人
29、已经用佳能EOS 5D Mark来拍广告、电视剧了，而且，国内首部全片使用佳能EOS单反系列相机拍摄的长篇电影追踪章鱼保罗，已登上大片云集的贺岁档院线。对于传统电影工业来说，无疑开辟了一个电影的新天地。 思考题：1.数字相机工作原理？2.数字相机分那几类？3.数字相机的基本结构是什么？4.简述数字相机的成像原理？5.我们最常见的数字相机影像传感器是哪两类？其作用是什么？6.你的数字相机是多少像素的？7.你的照片使用200dpi的输出分辨率，最大能放到多大?8.希望打印照片的尺寸是43 inch，而打印分辨率横向和竖向都是300dpi，则需要照相机采集的像素数至少为多少像素？9.什么是像素、有效
30、像素和最高像素？10.什么是分辨率？影像分辨率、打印分辨率及英文代号？11.一般人们的眼睛能分辨出的最大分辨率是多少dpi？12.数字相机的存储介质有哪些？目前最常用的是什么卡？13.佳能5D Mark II数字单反相机的图像传感器：尺寸为35.823.9 mm的全画幅CMOS传感器，总像素为2110万，请你计算冲印（或打印）该数字照片最大尺寸（按长宽4：3计算）知识链接1什么是像素？ 简单的说，我们通常所说的像素，就是CCD/CMOS上光电感应元件的数量，一个感光元件经过感光，光电信号转换，A/D转换等步骤以后，在输出的照片上就形成一个点，我们如果把影像放大数倍，会发现这些连续色调其实是由许
31、多色彩相近的小方点所组成，这些小方点就是构成影像的最小单位“像素”（Pixel）。像素分为CCD像素和有效像素,现在市场上的数码相机标示的大部分是CCD的像素而不是有效像素。 2什么是分辨率？ 说到像素就不得不说说分辨率了。因为两者密不可分！所谓的“分辨率”指的是单位长度中，所表达或撷取的像素数目。和像素一样，分辨率也分为很多种。其中最常见的就是影像分辨率，我们通常说的数码相机输出照片最大分辨率，指的就是影像分辨率，单位是ppi（Pixel per Inch） 打印分辨率也是很常见的一种，顾名思义，就是打印机或者冲印设备的输出分辨率，单位是dpi（dot per inch），显示器分辨，就是Windows桌面的大小。常见的设定有640x480、800x600、1024x768等。屏幕字型分辨率：PC的字型分辨率是96dpi，Mac的字型分辨率是72dpi。 3.有效像素数有效像素数英文名称为Effective Pixels。与最大像素不同，有效像素数是指真正参与感光成像的像素值。最高像素的数值是感光器件的真实像素，这个数据通常包含了感光器件的非成像部分，而有效像素是在镜头变焦倍率下所换算出来的值。以美能达的DiMAGE7为例，其
