數(shù)碼照相課程(一)實驗講義解答

1、實驗二十四數(shù)碼照相技術基礎9照相不僅在生活中不可缺少，而且也是科學實驗的基本手段之一。在核物理、天體物理、航天、生物、力學、微電子學等現(xiàn)代科學領域中，照相都是一種不可或缺的重要研究方法。它的作 用不僅在于保存信息， 而且也是人類延伸自己的感觀，以獲取非直觀信息的重要手段，比如記錄物體內部的應力分布、內部缺陷、氣流和溫度分布等。也可對物體的運動或物體狀態(tài)的變化過程 進行記錄。因而照相技術不僅在日常生活中，而且在科技領域中的應用也是分廣泛。照相分為傳統(tǒng)和數(shù)碼兩類。前者通過光學系統(tǒng)（相機）將被攝景物成像于底片之類的記錄介 質上，并通過化學作用把影像記錄下來；后者則是把光學成像系統(tǒng)與光電轉換技術和計算

2、機技術結合的產物。由于數(shù)碼照相符合現(xiàn)代數(shù)字技術和計算機網(wǎng)絡技術的需要，近年來發(fā)展十分迅速。兩類照相的基本原理在許多方面都是相同的。本實驗中將著重介紹這些基本的原理并通過 較全面的訓練，為熟練掌握數(shù)碼照相技術打下基礎。1 .2.3.了解數(shù)碼照相的基本原理和一些重要概念； 學習數(shù)碼相機在科技照相中常用的一些高級功能； 練習數(shù)碼照相基本操作和某些特定環(huán)境下的攝影技巧。驗原理數(shù)碼相機的工作方式是：拍照時，來自被攝物體的光線通過鏡頭成像于光電轉換器CMOS ）的感光面上。CCD直接輸出的是模擬 信號，由A/D轉換器轉換為數(shù)字信號后，經(jīng) 數(shù)字信號處理器（DSP）的處理，保存到存儲 器中。最后，通過數(shù)字接口

3、轉給計算機、打印 機等設備以及網(wǎng)絡中。鏡頭CCD(CMOS)CCD (或i LCDI液晶顯示器存儲器輸出接口1.數(shù)碼相機的光學成像系統(tǒng)圖24 -1數(shù)碼相機原理結梅鏡頭的焦距相機的成像是由鏡頭完成的。成像指把射入鏡頭的光線聚焦于感光面上，如圖23-2所示。鏡頭焦距（focal length ）是衡量鏡頭的一個重要參數(shù)，不同焦距的鏡頭適應于不同的拍攝需要。固定焦距的鏡頭一般分為標準鏡頭、廣角鏡頭 和遠攝鏡頭。被攝物體數(shù)碼相機 鏡頭II光圈/鏡頭圖24-2數(shù)碼照相原理光路標準鏡頭是指焦距大約等于感光面（CCD 或CMOS對角線長度的鏡頭。其“看”（拍攝） 對象的視角和人眼的視角非常相近，視場角為 4

4、0°60°,相對孔徑（下文介紹）F2.8F3.5。對于傳統(tǒng)的135相機而言，其感光面尺寸為 36 mnX 24mm對角線長度為 43mm習慣上焦距 50mn左右的鏡頭就稱為標準鏡頭。焦距小于標準鏡頭的稱廣角鏡頭，而大于標準鏡頭的稱遠攝 鏡頭。按50mm考慮，標準鏡頭的視角（感光面對角線兩端點到鏡頭中心的連線所成的角度）為 47°。廣角鏡頭的視場角比標準鏡頭的大，為60 °80 °,用于拍攝場面較大的場景。缺點是操作不當時易產生透視畸變和邊緣畸變。遠攝鏡頭的視角比標準鏡頭的小，視場角為10°30°，拍攝的范圍也小，適于拍攝遠處

5、景物的細部或拍攝不易接近的物體。其缺點是景深（見下 文）較短、透視效果差，有明顯壓縮空間縱深距離和夸大后景的特點。一個簡單的規(guī)則就是，焦 距越大視角越小，焦距越小視角越大。數(shù)碼相機由于其感光面 （CCD或CMOS的尺寸是隨相機不同而不同的 （不像135相機那樣感光面固定不變） 。僅以數(shù)碼相機鏡頭的真實焦距是難以比較不同相機的拍攝范圍的，所以都換算3：2，也就是與 135 相機的感光 基本上都是專業(yè)相 和計算機顯示器屏幕長寬比相同的數(shù)碼相到等價的 135相機的鏡頭焦距， 然后才進行比較。 到目前為止， 除了個別幾款相機和 135相機有 相同的感光面積外，其余的都比 135相機的小。換算焦距分為兩

6、類，一類是針對感光面尺寸的長寬比例為面的長寬比例相同的數(shù)碼相機。 這一類相機都是一些單反可交換鏡頭的相機 機） 。另一類是針對感光面尺寸的長寬比例為4：3，機。家用相機大部份都是這類相機。變焦鏡頭是利用鏡頭光學系統(tǒng)中兩個或兩同時保持像面位置不變。 對于家用相機來10 X。如果需要超過鏡頭變焦范圍去拍攝，多數(shù)數(shù)碼相機的鏡頭是可以變焦 （焦距可調） 的。 個以上透鏡組相對位置的變化， 來改變系統(tǒng)組合焦距， 說，通常知道其鏡頭的變焦倍數(shù)即可。一般為 3X也可通過在鏡頭前附加廣角鏡、近攝鏡等鏡片的方法去解決。廣角鏡頭是一種焦距短于標準鏡頭、 視角大于標準鏡頭的攝影鏡頭， 視場角為 60° 8

7、0 廣泛用于拍攝較大的場景。其缺點是使用不當時易產生影像的透視畸變和邊緣畸變。鏡頭的光圈要想獲得層次豐富的影像，就得控制投射到 CCD 上的光量。過多的光線照射，導致曝光過 度，影像明顯偏亮， 照片上的細節(jié)不鮮明； 反過來， 則會曝光不足， 照片灰暗， 圖像的細節(jié)缺失。 可見在拍照時，得到合適的曝光量是個非常重要的環(huán)節(jié)。 CCD 接收通過鏡頭的光通量，需要由 鏡頭的所謂“孔徑光闌” （ Diaphragm ）來控制?？讖焦怅@，通稱光圈（ Aperture ），都是設于鏡頭 內部，通常由多片可活動的葉片組成，開孔可變大或者縮小，以達到控制光通量的目的。調節(jié)光圈的作用是：1）控制進光量由于光圈控制

8、鏡頭進光量的作用，在暗弱的光線下拍攝，需要使用大光圈，以獲得更多的 進光量；而在明亮的場合，則使用小光圈，避免曝光過度?？傊?，可以通過光圈的調節(jié)，達到準 確曝光的目的。（2）控制景深 光圈的作用除了控制進光量外，另外一個很重要的作用是控制拍攝畫面的景深（見下文）。（3）控制像質由于光學原理和制造成本的限制，攝影鏡頭在全開光圈時的像質并不是最佳的，通常在收 縮光圈后，像質有明顯的改善。為獲得優(yōu)質的拍攝效果， 感光器件（CCD）接收的光能必須適當， 這取決于選取適當?shù)钠毓饬俊?曝光量H的大小由照度E和曝光時間t決定，且定義(24-1)H = E "tCCD上的照度E正比于相機鏡頭進光孔的

9、面積 A1，反比于像的面積 A2,故(24-2)eAA進光孔徑大小由光闌直徑d決定，如圖24-3所示。設透鏡焦距為f,照相時物距相對來說都X d2，故()2tf(24-3)式中d稱為“相對孔徑”。其倒數(shù)稱為“光圈指 f圖24-3鏡頭光圈數(shù)”（f-Stops），用F表示，貝U1 2 H十口可見，t 一定時，光圈數(shù)越小，的長短。通常說的光圈多少，指的就是這個光圈指數(shù)的多少。一般來說，鏡頭的光圈排列順序是：-1.4、2.0、2.8、3.5、4.0、5.6、8.0、11、16、22、32等等。隨著數(shù)值的增大，其實際光孔大小也就隨之減小，而其在相同曝光時間內的光通量也就隨之減小?？梢钥闯觯好恳粋€數(shù)值都與

10、相(24-4)CCD獲得的曝光量越大；光圈固定時，曝光量則取決于曝光時間1、是足夠大的。這時像成在透鏡的焦平面上，像的面積正比于鄰數(shù)值有一個72的關系，表明后一個數(shù)值的通光量為前一個的一半，前一個數(shù)值的通光量是后F數(shù)的平方成反比。并使二者的組合結果決定適度的曝光量。面一個的兩倍。因為根據(jù)計算，鏡頭通過的通光量與 照相時，應根據(jù)條件選取適當?shù)墓馊?shù)和曝光時間,快門速度手工設置快門， 有1s、1/2 S、1/4 S、1/1000曝光時間是由相機“快門”（Shutter）控制的。S等一系列曝光時間可以選擇。對于一定的曝光量，曝光時間（快門速度）與光圈大?。ü馊χ笖?shù)）可以有多種組合，應根 據(jù)拍攝的具體

11、要求去決定選取哪種組合。景深不能不考慮到攝影中的另一個重要概念一CCD上能清晰成像的范圍。從理論在決定選取怎樣的快門速度與光圈指數(shù)的組合時，“景深” （depth of field）。景深是指拍攝有前后縱深的景物時，遠近不同的景物在上講，當鏡頭對某一位置的景物聚焦時， 只有這一位置上的物點能在成像面上成清晰的像點，此位置前后的物點都將在成像面上呈大小不同的彌散圓斑狀，但人眼的分辨能力有限， 在聚焦位置前后一定范圍內的景物所成的像仍可被看作清晰的，這個范圍就稱為“景深”。景深的大小主要與光闌的孔徑以及物距有關。一般說來，物距一定時，光闌孔徑越大（數(shù)?。吧钤叫。还怅@孔徑一定，則物距越大，景深越

12、大。所以，拍攝時可根據(jù)對景深的要求（如是否要求背景清晰）先確定光圈指數(shù)的大?。灰部筛鶕?jù)對曝光速度的要求（景物運動的速度） 先決定快門速度，然后再根據(jù)需要的曝光量，選取適當?shù)墓馊χ笖?shù)。景深的大小，還與鏡頭焦距有關，焦距長的鏡頭，景深小，焦距短的鏡頭景深大。這對于 數(shù)碼相機與傳統(tǒng)相機的這些道理是一樣的。2.圖像的光電轉換系統(tǒng)數(shù)碼相機的重要核心之一是進行光電圖像轉換的器件。目前多數(shù)數(shù)碼相機采用的是電荷耦合器件CCD （Charge Coupled Device）。它的作用相當于傳統(tǒng)照相中的鹵化銀膠片。CCD是按一定規(guī)律緊密排列的“金屬絕緣體半導體”（MIS ）電容陣列（線陣或面陣）。MIS電容結構是

13、CCD的基本組成部分，圖像轉換就是依靠在MIS電容器上存儲荷電載流子和轉移荷電載流子而實現(xiàn)的。MIS電容器受到光照時，產生的電荷數(shù)與光照強度有關，當這些電荷轉移時，就會產 生強度不同的模擬信號，再經(jīng)模數(shù)轉換（Analog to Digital Converter ）,輸出數(shù)字信號。CCD直接輸出的只是灰度信號，并不能表現(xiàn)出圖像的顏色。有兩種方案可以實現(xiàn)彩色照相：一種是在CCD芯片上覆蓋三基色濾色片陣列（如圖 24-4）;另一種是采用分光光路（如棱鏡）將入射光線 分成三種顏色（RGB）的三束光，然后用三塊CCD分 別接收和轉換。后者性能優(yōu)于前者，但成本較高。除了 CCD外，還有一類圖像光電轉換器

14、件，就是互補金屬氧化物半導體集成電路CMOS（CompI eme ntary Metal-Oxide Semic on ductor ）。它把光 電轉換和放大電路集成到一起，甚至可以做到每個光 電轉換單元都集成上一個預放電路。目前使用CMOS的相機還比較少，但隨著一些技術難題的解決，可預 見到也許不久的將來 CMOS在相機中的應用就會超過聚光透銃陣列分色慷饋陣列感光豁件陣列24-4彩色CCD的三層結構DSP (Digital Signal Processor)。 DSP 要CCD，原因是它的集成度高、成本低。數(shù)碼相機的另一個核心部分是它的數(shù)字信號處理器對圖像信號進行大量、快速地計算和優(yōu)化處理。

15、本質上它就是一個運算速度極高的單片微型計算 機。數(shù)碼相機的圖像信號是存儲在內存或可移動存儲器上的。后者多用各種閃存卡，如CF卡（Com pact Flash Card ）、SM 卡（Smart Media Card）、SD 卡（Secure Digital Card ）等，隨著卡的 容量不斷提高（由若干Mbit，到若干Gbit），一次可以拍照的高分辨率照片數(shù)量也越來越大。數(shù)碼相機還有圖像數(shù)據(jù)壓縮、輸出接口、總體控制等單元。3.數(shù)碼相機的幾個重要概念分辨率分辨率是與圖像相關的一個重要概念，是衡量圖像細節(jié)表現(xiàn)力的技術參數(shù)。而數(shù)碼相機的 分辨率作為數(shù)碼相機的一個很重要的性能指標， 它是用來衡量數(shù)碼相

16、機拍攝記錄景物細節(jié)能力的 大小的。具體地說，分辨率是用于度量位圖圖像內數(shù)據(jù)量多少的一個參數(shù)。通常表示成 ppi （每英寸 像素數(shù) Pixel per inch ）和 dpi（ 每英寸點數(shù) Dot per inch） 。包含的數(shù)據(jù)越多，圖形文件的長 度就越大，也能表現(xiàn)更豐富的細節(jié)。但更大的文件也需要耗用更多的計算機資源，更多的內存， 更大的硬盤空間等等。在另一方面，假如圖像包含的數(shù)據(jù)不夠充分（圖形分辨率較低），當需要 把圖像放大為一個較大尺寸觀看或打印的時候，就會顯得相當粗糙。通常，“分辨率”被表示成每一個方向上的像素數(shù)量，比如640 X 480 （30萬象素）等。而在某些情況下，它也可以同時表

17、示成“每英寸像素數(shù)”（ppi ）以及圖形的長度和寬度。比如72ppi ， 8X 6 英寸。數(shù)碼相機標稱的像素數(shù)， 一般指它的最高像素數(shù)。 實際使用時可選擇低于它的不同像素數(shù)進 行拍攝。感光靈敏度（等效感光速度）傳統(tǒng)照相所用的膠卷性能指標中有一個重要的參數(shù)感光速度。 這是一個與感光材料的光化 學反應速度有關的性能。感光快的膠卷，對于同樣的曝光量，感光效果就強烈?；蛘哒f，要獲得 同樣的照相效果，用感光快的膠卷，所需的曝光量可以小一些。在光照暗的條件下，適于用感光 速度快的膠卷。CCD 本沒有膠卷那樣的“感光速度”問題，但同樣存在感光靈敏度問題。數(shù)碼相機通常仍 具有感光靈敏度選擇功能。 其所依據(jù)的原

18、理與傳統(tǒng)相機相同。 只不過它是通過調整輸出增益實現(xiàn) 相當于使用不同感光速度膠卷的功能的。AUTO 、ASA100感光速度在國際上多以 ASA 制標度。 數(shù)碼相機設置的感光靈敏度通常分為 ASA400 等幾擋。指數(shù)越大感光靈敏度越高，每差100，靈敏度相差一倍。即是說，在相同拍攝條件下， 所用的曝光量可以相差一倍。 當在光線較弱條件下照相時， 可將感光靈敏度設置得高 一些。但是要知道，這樣做的代價是照片的“噪聲”會加大。白平衡由于不同光源的光譜特性（色溫）不同1，在這些光源照明下拍出的照片常常會偏色。例如，盡管日光燈和白熾燈在我們看來都是白色的， 可在日光燈下拍得的照片會偏藍、 在白熾燈下 拍得

19、的照片會偏黃。這是因為在看東西時，人的視覺系統(tǒng)會對色彩進行修正處理，而CCD本身卻不具備這種功能。為了消除或減輕這種顏色偏差， 數(shù)碼相機和攝像機可根據(jù)不同的光線條件調節(jié)色彩設置，針對不同光源，對CCD俞出的信號進行不同的修正，使照片的色彩盡量不失真，就象人眼看到景物的色彩一樣。其做法就是以人眼認為的“白”為基準，調整輸出信號中三基色的亮度分布，使照 片的色彩分布與人眼觀察的一致。因為這種調節(jié)以白色為基準，故稱白平衡（White Balance） ?，F(xiàn)在的數(shù)碼相機都具有自動白平衡功能，設置了一些白平衡的模式供你選擇，如天空晴朗、 陰天、傍晚、白熾燈、 熒光燈等。 一般情況下設置后就可以把白平衡工

20、作交給相機去自動處理了。 但這自動白平衡在許多場合下效果并不理想。 必要時可進行手工調節(jié)， 較好的相機都具有這一功 能。做法是在拍攝現(xiàn)場讓相機對準白色物體（白墻、白紙等）進行白平衡設置。這就對“白色” 給予了定義，使對其他顏色進行的修正有個基準。注意所設定的白平衡，對閃光燈照明是不一定起作用的。實驗設備1數(shù)碼相機2計算機3模擬攝影棚實驗內容1認識數(shù)碼相機（ 1）了解數(shù)碼相機的基本結構 熟練掌握基本操作：鏡頭蓋、電源開關、功能選擇（靜態(tài)拍攝、程序拍攝、鏡頭變焦、照片 瀏覽）、閃光燈開關、聚焦拍攝按鍵、菜單調出、屏幕顯示圖表、數(shù)字的意義等。（ 2）學習數(shù)碼相機的基本操作了解數(shù)碼相機的以下主要功能：

21、 像素選擇、 聚焦模式選擇、 手動設置（光圈優(yōu)先快門優(yōu)先） 感光靈敏選擇、白平衡設置、連拍選擇、自拍、近拍、照片瀏覽等。練習基本操作（全自動） ，拍照（靜物照相） 。（ 3）了解數(shù)碼相機的高級功能（選做）白平衡手動調整、 照片清晰度調節(jié)、 曝光補償、 色彩深度增減、 對比度增減、 連拍模式選擇、 閃光模式選擇、圖像存儲質量選擇等。（ 4）數(shù)碼相機的保護措施（含省電操作）2高級拍照練習（1）利用高級功能設置的拍照 根據(jù)指導教師指定的拍攝任務，在以下幾項中選擇： 不同光源環(huán)境拍照 不同環(huán)境亮度拍照 不同速度移動物體拍照 逆光拍照 近拍 連拍濾光鏡、偏光鏡的使用 自由拍照abcdefg2）拍照內容及

22、手法由學生自行設計和完成。注意： 在所有的拍照過程中，都要對拍攝場景、條件、相機設置等參數(shù)進行完整的記錄。3數(shù)碼相機輸出及圖像處理基礎練習 學生在預習時自學。圖像的簡單處理 （使用 Photo Express、 ACDSee 、Photoshop 等，或相機廠家隨機帶來的任一圖像處理軟件） 。討論題1你在本實驗中使用到了那些數(shù)碼相機的高級功能；報告中2對實驗中拍攝的照片（每個項目一張或一組）的拍攝條件和效果進行分析討論。 所用照片可自行打印，也可通過網(wǎng)絡傳給指導教師） 注意事項12o，或通過網(wǎng)絡及時轉移和保護好相機等器材（請在預習時著重了解對數(shù)碼相機的保護措施） 學生自備數(shù)據(jù)轉移器材，如移動硬

23、盤、優(yōu)盤等（非必備條件） 保存自己的實驗數(shù)據(jù)。附錄對數(shù)碼相機的保護措施千萬不要用紙巾 一不小心會嚴 以避免灰塵顆粒磨鏡頭的保護 相機在使用中， 必須十分注意對鏡頭的保護。 需杜絕用手觸碰鏡頭透鏡表面， 防止風沙灰塵 落入鏡頭，防止雨水或其他液體濺入鏡頭。相機使用后，鏡頭多多少少也會沾上灰塵，最好的方 法是用吹氣球吹掉， 或者是用軟毛刷輕輕刷掉。 如果吹不去也刷不掉， 那就要使用專用的鏡頭布 或者鏡頭紙輕輕擦拭， 但要記住一個原則， 那就是不到萬不得已不要擦拭鏡頭。 等看似柔軟的紙張來清潔鏡頭， 這些紙張都包含有比較容易刮傷涂層的木質紙漿， 重損害相機鏡頭上的易損涂層。 在擦拭之前， 要確保表面

24、無可見的灰塵顆粒， 花鏡頭。擦拭時輕輕地沿著同一個方向擦拭，不要來回反復擦，以避免磨傷鏡片。如果這樣還是 不行，市面上也有相機專用清洗液，但要注意，使用清洗液時，應該將清洗液沾在鏡頭紙上擦拭 鏡頭，而不能夠將清洗液直接滴在鏡頭上。另外， 絕對不能隨便使用其他化學物質擦拭鏡頭， 而且只有在非常必要時才使用清洗液， 平 時注意蓋上鏡頭蓋和使用相機包， 以減少清洗的次數(shù)， 清洗液多少還是會對鏡頭有害而且有可能 帶來一些潮濕問題。液晶屏的保護 彩色液晶顯示屏是數(shù)碼相機重要的特色部件， 不但價格很貴， 而且容易受到損傷， 因此在使 用過程中需要特別注意保護。 首先要注意避免彩色液晶顯示屏被硬物刮傷， 彩

25、色液晶顯示屏的表 面有的有保護膜， 有的沒有， 沒有保護膜的彩色液晶顯示屏非常脆弱， 任何刮傷， 都會留下痕跡。 可以考慮使用掌液晶屏保護膜，這對保護彩色液晶顯示屏有一定的作用。另外， 要注意不要讓彩色液晶顯示屏表面受重物擠壓，同時還要特別注意避免高溫對彩色液晶顯示屏的傷害，隨著溫度的升高，彩色液晶顯示屏會變黑，達到一定的溫度后，即使溫度降到 正常的狀態(tài)， 彩色液晶顯示屏也無法恢復。 而有些彩色液晶顯示屏顯示的亮度會隨著溫度的下降 而降低，溫度相當?shù)蜁r，液晶顯示屏顯示的亮度將會很低，一旦溫度回升，亮度又將自動恢復正 常，這屬于正?，F(xiàn)象。此外， 彩色液晶顯示屏的背后有一個無法從表面看到的燈，如果

26、彩色液晶顯示屏顯示的影像變暗，或顯示的影像上有斑斑點點，或根本就不能顯示影像，多半是燈泡老化所致，遇到這種情 況，一般只要更換相應的燈泡即可。 如果彩色液晶顯示屏表面臟了， 清潔的方法可以參考清潔鏡 頭的方法，清潔完后，應該用干燥的棉布擦干。存儲卡的維護和保養(yǎng)使用者 但有些相機的儲存速度較慢， 但事實上， 儲存動作仍在繼 必須在關閉相機后等對于數(shù)碼攝影而言， 存儲卡在攝影過程中扮演著相當重要的角色。 但是， 由于存儲卡的使用 比較簡單，經(jīng)常會由于用戶漫不經(jīng)心地使用、處理而導致存儲卡損壞。注意相機是否有足夠的電Win dows XP之類的操作系統(tǒng), FAT格式。保護存儲卡的首要原則是， 永遠只在數(shù)碼相機已經(jīng)關閉的情況下安裝和取出存儲卡。 常犯的錯誤是， 急著要將儲存卡從相機中取出， 雖然電源已經(jīng)關閉， 或是圖檔較大要花較長的時間， 相機也許看起來已經(jīng)處于停止狀態(tài)， 續(xù)，這時存到一半的檔案毀了不說，還可能造成儲存卡的永久毀損