數位照相原理 授課老師：黃俊能.

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1 數位照相原理 授課老師：黃俊能

2 數位相機與傳統相機 簡單來說，相機就像是一個補捉影像的暗箱，基本構造有四個部份：鏡頭、快門、光圈及觀景窗，照像時，肉眼由觀景窗瞄準被攝影物體，鏡頭則蒐集從被攝物體反射的光源 經過光圈到快門，如果此時按下快門鈕，則光源便可到達軟片而曝光，被拍攝的物體便映在軟門上，照相機便完成拍攝的過程。

3 數位相機與傳統相機

4 數位相機與傳統相機 數位相機原理與傳統相機幾乎沒什麼不同，同樣是利用光學鏡頭將物體反射的光聚焦在相機的內部，差別只是在於所透過的媒介不同而已。 傳統相機是利用光線讓底片的感光劑受光，而將影像記錄在底片上。 資料來源：

5 數位相機與傳統相機 而數位相機則是利用ＣＣＤ（Charge Coupled Device ，感光耦合元件〉或是ＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，補充性氧化金屬半導體〉的影像感應功能。 將物體所反射的光轉換為數位訊號，壓縮後儲存於記憶體上。

6 數位相機與傳統相機 數位相機的優點在於能立即顯影，拍攝結果一目了然，省略了沖洗的步驟，不滿意可以立即重拍，且拍攝下來的已經是數位化的圖形檔案。 透過連線或其他方式把圖形檔送入電腦後，就可以直接進行後續的影像處理工作，或利用網際網路將圖檔直接傳送給遠方需要的人員。 更重要的是影像透過數位保存可永久保存原始色彩。

7 數位相機與傳統相機

8 數位相機與傳統相機 CMOS感測器架構， 資料來源：工研院 2001/09

9 CCD數位相機的畫質指標 CCD的畫素多寡，受光畫素越多，圖像的清晰度越高。
因為像素多，拍攝畫像的解像度就高。確實畫像被放大，看起來並不會覺得顆粒粗。 畫素再多，顏色低劣的話，仍不能獲得一幅高品質的畫像。

10 CCD數位相機的畫質指標 傳統的CCD/CMOS sensor是利用彩色濾光片(color filter)影像感測方式，在單一的感光層必須擷取 RGB 三個色光，因此，它被設計成馬賽克 的方式排列。 每個畫素各感應不同的顏色，然後再將這些顏色組合透過數學運算將色彩模擬組合成影像。

11 CCD數位相機的畫質指標 色光感測元件像素(Pixel) 中，只容許接納 (25% 紅和藍光，50% 綠光)，以作成像之用，餘下不能吸納的色光，則反射而造成流失。基于全色影像基礎上，必需含100% 三原色素(RGB)， 資料來源：

12 CMOS感測器 CCD感測器目前大部份被使用在數位相機上，近年來CMOS感測器也同樣被應用在數位相機市場中，並具備CCD影像感測所沒有的一些優點，例如：省電、晶片整合度、成本低…等等。 CMOS感測器的應用範圍非常的廣泛，包括低階數位相機、PC Camera、影像電話、第三代手機系統、視訊會議、智慧型保全系統、汽車倒車雷達、玩具，以及到工業、醫療等用途。

13 CMOS感測器 由於使用層面廣泛，非常有利於CMOS產品的普及，CMOS不但體積小，耗電量也不到CCD的1/10，售價也比CCD便宜1/3，畫質已接近低階解析度的CCD，相關業者已開始採用CMOS替代CCD 。

14 CMOS感測器 使用與傳統底片相似的新的CMOS使用多層感光技術，一個CMOS像素具有RGB 三個感光層，在不同的深度直接對光線擷取 RGB 色光，其優點媲美傳統底片。 由於摒棄了不規則分佈的彩色濾光片(mosaic color filter)，影像將更銳利。可以確保 RGB 色光都被擷取 100%。因此影像更鮮銳、色彩細節增加，可以避免不必要的紋狀效應...等。

15 CMOS感測器 上述方式1CCD是以1個CCD負責畫面全部的RGB感應擷取。而3CCD則是把光線用光學菱鏡分為R/G/B三種有色光，再利用三片R、G、B濾色CCD分別處理感應讀取R、G、B三原色光。 資料來源：

16 類比/數位轉換器(A/D Converter)
畫素是影像感測器的基本要素，以CMOS感測器的畫素為例，其包含一個光電二極體，用來產生與入射光成比例的電荷，也包含一些電晶體，以提供緩衝轉換和復位功能。 當從畫素電容所累積的電荷被抽樣緩衝並傳送給放大器(Gain Amplifiers)與類比/數位轉換器(A/D Converter)之後，所攝取影像的畫素色彩訊號才得以形成，具有這些功能才能形成一個影像畫素感測器。

17 類比/數位轉換器(A/D Converter)
光轉成電荷，電荷如何轉成畫素的色彩數位資訊？ 每個畫素能夠記錄的位元（bit）範圍取決於A/D轉換器的設計。如果它僅提供一個3位元的色階深度，那對於每個畫素來說，就有來自8個不同灰階等級（2的3次方）中一個的數據，可以被記錄下來。

18 畫素RGB色系24位元二進位表示方式 在連續色調影像中需要更多的色階分色，才能更逼真的表達真實影像。標準級數位相機都具有至少 8位元（256灰階 - 2的8次方）的處理器，這是大多數電腦螢幕所能顯示的範圍。 而消費和專業級的數位相機，需要更高的解像力，因此每個紅、綠和藍色輸出至少要達到 10位元以上（1024灰階）才行。

19 畫素RGB色系24位元二進位表示方式 電腦影像檔案一般以24位元的記憶空間來儲存一個畫素的色彩資訊，也就是R、G、B 三原色各使用 8位元，這樣 的色彩組成可達1,677萬色，達到人眼範圍的極限。 也就是說，數位相機只要配置 8位元 的 A/D 轉換器，就足敷所需。可是既然電腦只能接受 8位元 的色彩資料，為何數位相機要開發到 14位元 以上的轉換器呢?

20 畫素RGB色系24位元二進位表示方式 關鍵有二：一是配合數位相機廠商開發了自己的檔案格式，例如：RAW 檔案，RAW可以充份的紀錄下這款數位相機在拍攝這張照片時所有的原始資料，由於並沒有統一的 RAW 檔格式，各家廠商可以依據自身數位相機的設計，擺脫 JPEG 規格的束縛，讓色彩和畫質表現達到完美。 二是增加合併數位影像計算時的參考資料，部分數位相機的 DSP(Digital Signal Processor)程式中具有增強的解像力的功能，這個程式主要是參照取樣畫素之鄰近畫素之表現，做一統計而成。因此，位元數越高的 A/D 轉換器就具有更多的取樣參數，相對的合併計算出的 24位元 檔案的表現來得好。

21 LCD螢幕 數位相機大都配有LCD螢幕，由於LCD是可以用來構圖取景（編輯或儲存、刪除圖像）的小螢幕

22 資料來源 http://www.nhlue.edu.tw/~honda/photoshop/image/dcam/index.htm