第11章数码相机分析.docx
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第11章数码相机分析
第11章 数码相机
内容提要
数码相机作为数字图像采集的主要工具，常应用于广告、摄影、日常办公等业务领域，同时数码相机也是娱乐消费电子产品，主要产品早已进入寻常百姓家。
本章结合日常办公的业务领域讲解数码相机的基本原理、使用以及常见故障的简单处理。
11．1 数码相机的种类和技术指标
11．1.1 数码相机的种类
数码相机的种类很多，按照使用领域的不同，大致可分成3种：
普通数码相机、高档数码相机（见图11 1）和专业数码相机。
图11 1 数码相机
普通数码相机的特点是价格低廉，适合于拍摄家人、朋友、宠物或度假的相片。
高档数码相机的价格一般都在万元以上，生产高档数码相机的厂家相对要少一些，比较著名的品牌有Canon、Nikon等。
高档数码相机可以更换镜头，使用连动闪光灯，如果配合上多用途附件可以用在更多的场合，满足更多的拍摄需求。
专业数码相机的售价更贵，有些甚至高达5万美元，其分辨率可以达到几千万像素，快门速度可以到万分之一秒，连拍速度也很快。
11．1.2 数码相机的技术指标
1．CCD
CCD同传统相机的底片一样，是感应光线的电路装置，是数码相机的最核心技术指标。
CCD的像素点数越多、面积越大、片数越多，采集到的图像也就越清晰，色彩还原越好。
因此，同样都是400万像素的CCD,2/3in的比1/2in的成像质量就要好得多，3CCD的成像质量比单CCD的成像质量也强许多倍。
2．焦距
数码相机镜头是由数组镜片组成的，在相机的规格中，通常用“f＝n”来表示相机的焦距。
例如，“f＝8－24mm,38－115mm（35mmequivalent）”，指这台相机的焦距长度最小为8mm，最大为24mm，相当于传统35mm相机的38mm～115mm焦长。
3．变焦
变焦是数码相机镜头的一个重要功能，即可以在一定的范围内改变焦距，使摄取的景物达到需要的效果。
变焦分为光学变焦（OpticalZoom）和数码变焦（DigitalZoom）两种。
光学变焦与传统相机一样，取决于镜头的焦距可变范围，其分辨率及画质不会受到影响。
数码变焦只是将原来的图像进行局部放大，虽然可以得到尺寸更大的图像，但会损失画质，并不会使细节更加清晰。
4．光圈
光圈是用来表示数码相机进光量的参数，一般以f/2、F2或1∶2等形式表示。
f/2表示光圈的大小为镜头直径的1/2，f/8表示光圈的大小为镜头直径的1/8。
较小的光圈值表示较大的镜头直径，一般镜头上会标示出该数码相机的最大光圈值。
5．ISO感光度
ISO感光度是传统相机底片对光线反应的敏感程度测量值，通常以ISO数值进行表示。
ISO感光度越大表示感光性越强，常用的感光度有ISO100/400/800等。
一般，在光线不足时，感光度越高，会得到更加清晰的图像，但同时底片的颗粒也会越粗，放大后的效果就会变差。
6．连拍速度
数码相机拍摄时要经过光电转换、A/D转换及图像文件存储等过程，其中，无论是转换还是图像文件存储都需要花费时间，特别是图像文件存储花费的时间较多，因此大部分数码相机的连拍速度都不是很快。
连拍速度对于摄影记者和体育摄影爱好者是必须重视的技术指标，而在普通摄影中可以不做过多考虑。
11．2 数码相机的结构和工作原理
11．2.1 数码相机的基本结构
数码相机使用镜头、光圈、快门来聚焦图像，这与传统光学胶卷相机并无区别，但数码相机增加了光电传感器、液晶显示器、电源开关、图像存储器、输出控制单元（连接端口）等部件。
（1）镜头
数码相机镜头主要的作用是把光线汇聚在光电传感器形成一个清晰的“影像”。
数码相机镜头根据焦距值能否调节，分为定焦距镜头和变焦距镜头两类。
定焦距镜头就是镜头是固定的，只有一个焦距；变焦距镜头可以来回伸缩，焦距是可以变化的。
目前大部分数码相机使用变焦距镜头。
（2）光圈与景深
镜头的光圈是由许多活动的金属叶片组成的，装在镜头的透镜中间，在数码相机的菜单或设置中设定光圈系数大小能使其均匀地开合，调整成大小不同的光孔，控制进入镜头到达光电传感器的光线，以适应不同的拍摄需要。
数码相机的光圈大小是用光圈系数表示的。
如图11 2所示，光圈系数越小，光圈越大，进入镜头到达光电传感器的光线越多；光圈系数越大，光圈越小，进入镜头到达光电传感器的光线越少。
光圈变化一级（挡），光电传感器接受的曝光量也变化一级。
图11 2 光圈与光圈系数
数码相机使用的变焦距镜头分为两种：
恒定孔位的变焦距镜头，如35mm～105mm的变焦距镜头，1∶2.8的恒定光圈就是无论在35mm端，还是在105mm端，其最大光圈都是f/2.8。
另一种是可变光圈孔径，如35mm～105mm的变焦距镜头刻有“f/2.8－4.9”，就说明在35mm端时，其最大光圈是f/2.8，而在105mm端时，其最大光圈只有f/4.9。
光圈可调节控制进入镜头的光线，与快门配合达到正确曝光，光圈还可控制影像的景深范围。
景深就是影像前后的清晰范围，景深分为前景深和后景深，当镜头对有限远的物体对焦时，后景深大于前景深。
光圈和景深的关系是：
光圈越大景深越小，光圈越小景深越大。
摄影时为了突出主体，可以用大光圈虚化背景。
景深除了和光圈有关外，还与拍摄距离和镜头的焦距有关。
镜头的焦距越长，景深越小；镜头的焦距越短，景深越大。
拍摄距离越近，景深越小；拍摄距离越远，景深越大。
（3）快门
照相机的快门是从时间上控制曝光的一种计时装置，计时单位为s。
平时用来遮挡光线避免光电传感器感光，可以说快门是可动的遮光屏。
快门的开启时间称为快门速度。
快门速度在数码相机的菜单或设置中可以找到。
快门速度的标记数值一般如图11 3所示。
图11 3 速度调节面板
“1”代表1s，其他的数字表示的是分数的分母值，即“2”表示的是1/2s；“125”表示的是1/125s，“2000”表示的是1/2000s。
有些数码相机上还标出了比1s还慢的快门速度，一般用其他颜色标出以示区别。
数值越小，快门速度越慢，进入镜头的光线越多；数值越大，快门速度越快，进入镜头的光线越少。
快门可与光圈配合，共同控制进入镜头的光线，以便正确曝光。
镜头的光圈只能起到控制光电传感器曝光量的部分作用，不开启快门，光线则不能照射到光电传感器，快门的开启和关闭控制着光电传感器曝光所经历的时间。
所以，快门和光圈一起构成光电传感器正确曝光的两个关键因素。
快门还可用来控制运动物体的动感。
不同的快门速度能产生不同的动感，甚至可以将运动状态“冻结”。
使用高速快门拍摄动体时，就可以得到动体清晰的影像。
如图11 4所示，可以清晰地看到子弹穿过苹果的瞬间。
若使用低速快门拍摄，则可以得到动体较为模糊、动感较强的某一瞬间影像。
如图11 5所示，可以看到模糊的水流。
图11 4 子弹穿透苹果的瞬间
图11 5 模糊的水流
（4）光电传感器
传光电传感器是数码相机的核心部件，主要有CCD（电荷耦合）和CMOS（互补金属氧化物导体）两种。
光电传感器的作用是用来捕捉光线，它代替了胶卷的“感光”作用。
CCD使用一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数码信号，数码信号经过压缩以后由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存，因而可以轻而易举地把数据传输给计算机。
CMOS和CCD一样同为在数码相机中可记录光线变化的半导体。
CMOS的制造技术和一般计算机芯片没什么差别，主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体，使其在CMOS上共存着带N（带负电）和P（带正电）级的半导体，这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片纪录和解读成影像。
然而，CMOS的缺点就是太容易出现杂点，这主要是因为早期的设计使CMOS在处理快速变化的影像时，由于电流变化过于频繁而会产生过热的现象。
在相同分辨率下，CMOS价格比CCD便宜，但是CMOS器件产生的图像质量比CCD要差一些。
到目前为止，市面上绝大多数的消费级别以及高端数码相机都使用CCD作为感应器，CMOS感应器则作为低端产品应用于一些摄像头上。
（5）取景器与液晶显示器
取景器是用来构图的装置。
大部分数码相机采用机背上的彩色LCD显示屏取景，取景直观方便，能达到“所见即所得”的效果。
LCD还可以回放存储在存储卡里的照片或动画。
（6）存储卡
存储卡是数码相机必不可少的外部存储器，用于记录数码影像文件。
存储卡内的图像文件下载到计算机后，可以删除卡内图像文件，释放空间。
存储卡这种反复使用的优点，使其使用成本低于使用胶卷的相机。
大部分数码相机所用的图像存储器为可移动的存储卡。
存储卡随时可装入数码相机或从相机中取出，存满后可以随时更换。
目前在数码相机上使用的存储卡有CF卡、SM卡、SD卡、记忆棒、微型硬盘、XD卡等。
存储卡的容量有1GB、2GB、3GB、4GB、8GB、16GB等，可以根据需要选用。
（7）输出控制单元（连接端口）
数码相机拍摄的照片可以通过输出接口下载到计算机上或传输到电视上观看，接口的类型主要是USB接口。
USB接口支持计算机系统与不同外部设备之间的数据传输，是计算机系统连接外部设备（如键盘、鼠标、打印机、扫描仪等）的输入输出接口标准。
USB允许外部设备在开机状态下插拔使用。
11．2.2 数码相机的工作原理
数码相机的成像原理可以简单地概括为感光器接收光学镜头传递来的影像，经模数转换器转换成数字信号后存于存储器中。
数码相机的光学镜头与传统相机相同，将影像聚到感光器件上。
光电转化器替代了传统相机中的感光胶片的位置，其功能是将光信号转换成电信号。
光电转化器将被摄景物的光信号转变为电信号——电子图像，这是模拟信号，还需进行数字信号的转换才能为计算机处理创造条件，由模数转换器来完成转换工作。
数字信号形成后，由微处理器（MPU）对信号进行压缩并转化为特定的图像文件格式存储。
与传统相机相比，传统相机使用“胶卷”作为其记录信息的载体，而数码相机的“胶卷”就是其成像感光器件，而且是与相机一体的，是数码相机的心脏。
数码相机的发展道路，可以说就是感光器的发展道路。
11．3 数码相机的使用
11．3.1 数码相机的操作
1．数码相机的正确曝光
摄影时控制相机的光圈和快门速度，让适量的光线通过镜头到达图像传感器形成影像，这个过程就称为曝光。
曝光是摄影过程的基本技术。
曝光量由通光时间（快门速度决定）、通光面积（光圈大小决定）以及底片对光线的灵敏度3个要素决定。
正确曝光有两种含义：
第1层含义是真实客观地记录现场的光线、色彩、影调；第2层含义是正确表达作者的创作思想、意图和感情，使画面有较强的艺术感染力。
曝光正确的照片清晰度高，色彩还原好，能够充分记录被摄景物的明暗关系及所有细节。
曝光不足在照片上表现为影像灰暗，不通透，景物反差较小，暗部无层次，色彩不鲜艳，色调偏冷。
曝光过度的照片影像浅淡，景物高光部分全是白的，分不出层次，色彩亮度较高但饱和度差，像褪了色一样，色调偏暖。
常见的曝光模式有以下几种。
（1）快门优先（AperturePriority）和光圈优先（ShutterPriority）
为了得到正确的曝光量，就需要正确的快门与光圈的组合。
快门快时，光圈就要大些；快门慢时，光圈就要小些。
快门优先是指由机器自动测光系统计算出曝光量的值，然后根据选定的快门速度自动决定用多大的光圈。
光圈优先是指由机器自动测光系统计算出曝光量的值，然后根据选定的光圈大小自动决定用多少的快门。
拍摄的时候，用户应该结合实际环境把曝光与快门两者调节平衡。
（2）手控曝光模式
手控曝光模式每次拍摄时都需手动完成光圈和快门速度的调节，这样的好处是方便拍摄者制造不同的图片效果。
如需要运动轨迹的图片，可以加长曝光时间，把快门减慢，曝光增大；如需要制造暗淡的效果，快门要加快，曝光要减少。
（3）AE模式
AE（AutoExposure，自动曝光）模式大约可分为光圈优先AE式、快门速度优先AE式、程式AE式、闪光AE式和深度优先AE式。
光圈优先AE式是由拍摄者人为选择拍摄时的光圈大小，由相机根据景物亮度、CCD感光度以及人为选择的光圈等信息自动选择合适曝光所要求的快门时间的自动曝光模式，即光圈手动、快门时间自动的曝光方式。
这种曝光方式主要用在需优先考虑景深的拍摄场合，如拍摄风景、肖像或微距摄影等。
照相时还会用到曝光补偿。
曝光补偿就是在相机测光后，可作不同级数的调整，以达到出来的影像和实际的光线近似。
例如，在户外光线充足的地方拍摄，不过主体却是深色的物体，相机就会以为不够光而自动放大光圈，所以拍出来的照片，深色的主体便会显得灰灰白白，不够真实，而其他的环境，更显得曝光过度，这时利用曝光补偿减低1级或2级，主体的颜色便可真实一点，而四周的环境又不会产生曝光过度现象。
相反，在沙滩雪地上拍摄人物时，相机的测光因雪地的反射，以为环境过分光亮，便自动收细光圈，而人物当然因光圈收细了而变得暗黑了。
2．数码相机的测光
测光指数码相机根据环境光线依靠特定的测量方式而给出的光圈快门组合的方式。
简单地说，就是对被摄物体的受光情况进行测量。
一般来说，测光主要是测定被拍摄物体反射到镜头中的光亮度，然后再根据这一亮度给出一定的光圈快门速度组合。
与传统相机相同，数码相机的测光方式为反射式测光，即光线照射被摄物体后，反射到镜头内，再通过镜头投射在CCD感光片上，CCD再将光线的信号传送给数码相机内的CPU做计算，CPU根据既有光线的强度，计算适当的曝光量。
拍摄画面中任何一点的亮度都会影响CPU的计算结果。
测光模式分类有以下几种。
（1）点测光
一般来说，在点测光模式下，测光元件仅会测量画面中心很小的范围。
摄影时把相机镜头多次对准被摄主体的各部分，逐个测出其亮度，最后由摄影者根据测得的数据决定曝光参数。
这种测光模式大多应用于拍摄者希望将拍摄主体充分表现的情况下使用。
（2）中央部分测光模式
在中央部分测光模式下，相机的测光元件会对画面中心处约占画面12%的范围进行测光并最终进行平均加权而得出测光数据。
这种测光模式非常适合被拍摄主体在画面中心位置或环境光线反差不大的风景照片的拍摄时使用。
（3）中央重点测光模式
一般来说，当使用中央重点测光模式时，相机会把测光重点放在画面中央（约占画面的60%），同时并兼顾画面的边缘。
目前，许多单反数码相机都会具备这种测光模式。
使用这种测光模式的好处是当画面出现高反差或色彩迥异的情况时，相机会对多个区域进行测光，并根据拍摄者的需要强调对某个区域进行重点测光，然后进行加权平均，这样所获得的图像会很少有某个区域欠曝或过曝的问题出现，但对于一些重点主体部位，图像却能很清晰的进行反映，因此，非常适合于拍摄各种具有大反差光照的风景或运动照片。
（4）平均测光模式
平均测光模式是所有数码相机中最常见的一种测光模式，它测量整个画面的平均光亮度，比较适合于画面光强差别不大的情况，可以满足大多数情况下的测光需要。
这种模式的缺点是当环境光线复杂或光线亮度反差过大时，其所获得的测光数据，仅仅是一个平均数值而已，很容易出现图片暗部过曝，而亮部却欠曝的情况。
（5）多区测光模式（矩阵测光模式）
多区测光模式的实质其实就是将整个画面划分成多个区域，然后各自使用独立的测光元件进行测光，再由数码相机内部的微处理器进行数据处理，以求得合适的曝光量的方式。
3．数码相片的下载
连接数码相机与计算机，在计算机中安装数码相机的驱动程序，这时在桌面上出现数码相机图像下载图标（以数码相机CanonS30为例），双击打开图像下载图标，数码相机的图像会以缩略图方式显示在相机视窗中。
单击选中要从相机视窗下载的图像，然后单击“下载”按钮，选中的图像就会下载到自动建立的以拍摄日期命名的文件夹内。
同时根据需要也可以指定或新建文件夹，用来下载图像。
11．3.2 数码相机的设置
1．分辨率和文件格式设定
可以根据要拍摄的影像种类，选择影像分辨率（像素数目大小）与影像质量（压缩比率）。
不同的分辨率和图像质量设置将直接关系到照片的质量：
分辨率为640×480，可拍摄大量的影像，可用于电子邮件、发布到网上、制作个人主页或打印小张标签；分辨率为1280×960，可用于打印明信片大小的影像；分辨率为2048×1536，可用于打印B5大小的影像；分辨率为2592×1944，可用于打印A4大小的影像；分辨率为3264×2448，可用于存储重要影像、打印A3大小的影像或较精细的A4大小的影像。
不压缩输出图像，可以选择RAW文件输出格式。
如果采用标准的JPEG格式，相机会在捕捉图像后进行处理，以产生最佳的效果。
JPEG格式会压缩图像，以便更多的图像可以存储在SD卡内。
但压缩后是不可以复原的，即经过处理后，再也无法取回原始的数据。
而RAW格式可以直接记录相机CCD捕捉的数据，不加任何处理。
虽然图像在记录时有压缩，但是原始数据可完全复原，在解压后可得到高画质的图像，画质并无任何损失。
虽然RAW格式图像文件比JPEG文件大，但它大约只有未压缩的RGB、TIFF格式文件的1/4。
2．白平衡设定
白平衡设定是数码相机最大的优势之一，胶片相机只有日光和灯光型之分，数码相机则有自动、日光、荧光、白炽灯、阴影、闪光等多种平衡条件。
在大多数的情况下，自动白平衡能够应对自如，基本可以达到色彩还原准确，如果欲求更为精确的表现，可以在不同的环境下分别设定日光、荧光、白炽灯等。
关键是要对环境光进行准确的判断。
例如，在荧光灯室内，如果没有察觉还有窗外自然光，那么，如果设定了荧光灯平衡模式，荧光灯照明区色彩准确，有自然光的地方就会偏品红。
因为荧光灯平衡模式是增加了品红以抵消荧光灯特有的青绿色，自然光区本身不偏色，倒反而被增加品红而偏色。
最好的是自定义白平衡，在当时的光照环境下，拍一张白纸，取此白色为基准，设定平衡点，会精确地再现色彩，在白纸上画几道蓝色的线条拍摄，会得到微黄的影调。
同样，用极淡的青色“调白”，能使照片出现补色——极淡的红色倾向。
3．曝光参数设定
无论简易型或单反型数码相机，都能自动对焦和自动测光，从理论上讲，数码相机应该达到准确曝光，但实际不然。
在使用数码相机拍摄时，当光线太暗或太亮时，就很难取得理想的影调效果。
设置曝光参数包括设置快门速度、光圈大小。
具体做法是：
调节相机模式调节旋钮，选择合适的曝光模式和曝光参数。
4．设定感光度
大部分数码相机都有感光度设定的范围，然而就在这一范围内，设定在不同的感光度上，得到的画面效果不同。
数码相机一般有ISO100 800的感光设定，感光度越低，图像的质量越好，其清晰度、色彩、层次越佳，当然，使用的光圈就大，速度就慢，拍摄的难度也越大；反之，感光度越高，拍摄的难度也小，但图像的质量稍逊，其清晰度、色彩、层次降低。
在光线好的情况下，要尽量设定低感光度。
5．反差设定
反差设定是数码相机的一大特点，胶片相机没有在拍摄时设定反差这个概念，根据画面的反差情况和自己的需要，调整反差以控制光比，实际上是控制宽容度。
高反差的拍摄对象，设定－1或－2，可以有效提升暗部层次；相反，设定＋1或＋2，可以把低反差的题材拍得有立体感。
当然，任何事物都有利有弊，估计画面反差不准和设定不当，可能会损坏图像。
11．4 数码相机常见故障及处理
1．闪光灯不发光
①未设定闪光灯。
按闪光灯弹起杆，在曝光模式中设定闪光灯。
②闪光灯正在充电。
等到橙色指示灯停止闪烁后方可使用。
③拍照物明亮。
当被拍摄物体明亮时，曝光模式自动禁止闪光，此时使用辅助闪光模式。
④在已设定闪光灯的情况下，指示灯在控制面板上点亮时，闪光灯工作异常，则可能是机器故障。
2．相机不动作
①电源未打开。
按电源键接通电源。
②电池极性装错。
重新正确安装电池。
③电池耗尽。
更换电池。
④电池暂时失效。
使用时，请保暖电池；在拍照间隙，暂时不使用电池。
⑤卡盖被打开。
关闭卡盖。
3．相机自动关闭
①如果数码相机突然自动关闭，首先原因可能是电池电力不足了。
数码相机是个耗电大户，它因为电池电力不足而关闭的现象经常出现。
应更换电池。
②如果更换了电池以后，数码相机还是无法开启，且此时照相机的机身发烫，则可能是因为连续使用相机时间过长，造成相机过热而自动关闭。
停止使用，等它冷却后再使用。
4．按快门释放键时不能拍照
①刚拍照的照片正在被写入存储卡。
等到绿色指示灯停止闪烁，并且液晶显示屏显示消失，此时放开快门释放键。
②存储卡已满。
更换存储卡，删除不要的照片或将全部相片资料传送至个人计算机。
③正在拍照时或正在写入存储卡时电池耗尽。
更新电池并重新拍照。
④拍照物不处于照相机的有效工作范围或者自动聚焦难以锁定。
按照标准模式和近拍模式的有效工作范围来设定手动聚焦。
5．刚拍摄的相片不能在液晶显示屏上呈现
①电源关闭或记录模式处于开启状态。
将记录/播放开关设定于播放位置，并接通电源。
②存储卡无相片。
查看控制面板，检查卡中是否存在照片。
6．液晶显示屏模糊不清
①亮度设定值太低。
在播放模式下，从菜单中选择“亮度”并进行调节。
②外部环境光太亮，如阳光照射在显示屏上，可用手等遮光观看。
7．液晶显示屏显示图像时有明显瑕疵或出现黑屏
加电后液晶显示屏能正常显示当前状态和功能设定，但不能正常显示图像，画面有明显瑕疵或出现黑屏。
出现这种情况，多数是CCD图像传感器存在缺陷或损坏所致。
此时应更换CCD图像传感器。
8．计算机不能正常下载照片
①计算机接口未插接好。
正确插接电缆。
②电源末打开。
按电源键接通电源。
③电池耗尽。
更换电池或使用交流电源转接器。
④未安装照相机驱动程序。
将数码相机随机附带驱动程序安装在计算机上。
9．相机无法识别存储卡
①使用与数码相机不相容的存储卡，不同的数码相机使用的存储卡是不尽相同的，且大多数数码相机不能使用一种以上的存储卡。
解决方法是换上数码相机能使用的存储卡。
②存储卡芯片损坏。
找厂商更换存储卡。
③存储卡内的影像文件损坏。
造成这种现象的原因是在拍摄过程中存储卡被取出，或者由于电力严重不足而造成数码相机突然关闭。
如果重新插入存储卡或者重新接上电源，问题依然存在的话，需格式化存储卡。
小 结
数码相机的设置和操作是本章的主要内容。
虽然数码相机的使用比较复杂，技巧也很多，但是通过本章学习，理解了数码成像的原理，掌握了数码相机的使用后，基本可以拍摄出满足日常办公需求的照片。
如果要拍出艺术性很强的照片，还需在充分了解相机的性能后不断实践才能不断提高。
习题11简答题
1．数码相机的分类有哪些？
2．数码相机的基本结构由哪几部分组成？
各部分的主要作用是什么？
3．数码相机操作的基本要领是什么？
曝光有什么含义？
4．数码相机的常用曝光组合有哪些？
如何选择不同的曝光模式？
5．如何正确使用数码相机？
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