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相机小述
本文作者: dfine · 2020-07-19 · via 阁子

看了看,好像自己确实是太懒了,不过虽然这样,说的时候还是要把锅甩给疫情的,想起以前接触相机这么久了,不如就还记得的一点东西,介绍一下,水一点东西,混一次提交。
不过不知道有没有帮助,不是介绍什么拍摄三要素(快门、光圈、感光度)的控制,也不是什么九宫格拍摄法之类的,说实话,那些五花八门的拍摄方法我也不太熟悉,就讲讲相机结构。

传感器类型

图像传感器主要有两种,线阵和面阵,平时看到的线阵相机和面阵相机就是因为用的Sensor类型不同。
线阵Sensor以CCD为主,一行的数据可以到几K甚至几十K,但是高度叧有几个像素,行频很高,可以到每秒几万行,适合做非常高精度、宽画幅的扫描。
面阵Sensor,包含CCD和CMOS,单行数据宽度远小于线阵,优点是成像快,一次可以成像很多行,即单次扫描的像素高度比线阵高很多。另外开发简单,成像快,不用进行每行数据的拼接。而且价格便宜不少,这个大概是应用更广泛的决定性条件。

快门类型

CMOS

CMOS传感器的大致结构如图,由于其感光方式不同,因此有两种类型快门。



Rolling Shutter(滚动快门)

滚动快门在感光时是逐行进行的,从第一行开始,一边曝光一边输出图像,一直滚动到最后一行,模数转换器则是逐行共用。这样,实际上每一行曝光的时间点会不一样,时间上存在一个位移,这样导致每行图像会有一些位移偏差,特别是当对象是高速运动物体时更明显,会导致图像的扭曲变形。这种变形和平时拍摄运动物体的拖影不一样,拖影是由于拍摄物体运动速度太快,而且曝光时间设置太长造成,会带有一些图像模糊。滚动快门的变形是每行时间上的不同步拍摄而造成的变形,图像清晰度不会受到影响。

Global Shutter(全局快门)

为了改善这种变形,则可以在每个像素处增加采样保持单元或者模数转换器。增加采样保持单元可以短暂保存得到的模拟数据,再等待模数转换器进行逐行转换,转换期间可以继续进行拍摄。而这种方案会浪费比较多的CMOS面积来摆放这些用来短暂保存的像素,使得填充系数降低,而且采样保持单元还引入了新的噪声源。因此在每个像素处增加模数转换器则是一种新的方案(如索尼做的),每个像素采集到了就可以直接转换,不用等待,实现真正意义上的全局快门。

CCD

CCD(电荷耦合器件)的结构大致如图,其结构决定了CCD具有“免费全局快门”的优点,所有像素在同一时刻曝光,所有像素同时移入传输寄存器,曝光完成后,每个像素被串行传输到单个模数转换器中,因此其传输帧率受限于单个像素数字化速率和传感器中的像素数量。



光学尺寸

光学尺寸是指其感光区域的大小,通常高分辨率的面阵相机或者线阵相机的相机芯片尺寸要大于低分辨率的,其尺寸没有特定标准,是有其分辨率和像素大小决定的。从理论上讲,可以有无数种类型,只要价格到位。尺寸通常用感光元件的对角线来表示,单位是英寸,不过由于历史原因,这里的1英寸是16mm,不是25.4mm。常见的有1/4”、1/3”、1/2.5”、1/2.3”、1/2”、2/3”、1”、1.1”等。
介绍光学尺寸的原因是,通常为相机选择镜头的时候要考虑到,镜头靶面尺寸要配合其光学尺寸。

靶面尺寸

靶面尺寸,或者靶面直径,单位也是英寸,理想情况下,1/2”的镜头应该安装在1/2”的光学芯片上,这样可以尽可能的利用靶面,但是如果安装在2/3”的芯片上,由于感光区域大于感光范围,那么感光区域中无法感光的部分则会在最终的图像中出现暗角或者晕影。不过如果采用2/3”的 镜头匹配1/2”的芯片,则可以完全利用光学尺寸,实际上使用大的镜头可以形成更大的靶面,图像从中心到边缘的锐化可以保持一致,但这种情况下,很大一部分罢免无法使用,造成浪费。图像的大小是有光学尺寸决定的,而镜头越大,则价格越贵,如果想节约点,对于比较小的光学尺寸,还是选择较小的镜头。

镜头接口

镜头接口是连接镜头和相机的接口,有螺纹接口和卡口两类。比较常见的C口、CS口等都是螺纹接口。
最常见的C口和CS口的工业相机,接口实际上比较相似,也有其转换环,因为它们的接口直径、螺纹间距都一样,只是法兰距不同。C接口的法兰距是17.526mm,CS接口的法兰距为12.5mm。因此所谓转接环,就是一个5mm左右的垫圈了。
此外,螺纹接口还有M12、M45、M58等,具体规格在需要的时候查询即可,这里不在赘述。
至于卡口相机,平常见到的单反基本上都是卡口,如尼康的F口或者佳能的EF口,这俩外观上也不容易区分,不过F口的法兰距比EF口的要长。

分辨率

分辨率,泛指量测或显示系统对细节的分辨能力。相机制造商一般直接用像素数目表示分辨率,实际上这是分辨率上限。
因为这种情况,是当镜头能够解析像素大小时候才成立。只有使用高分辨率镜头,才能最终得到高分辨率图像。
镜头的分辨率通常通过每毫米线对数衡量,表示每毫米中可以相互分离的行的数量。每毫米线对数越多,分辨率越高,镜头质量越好。镜头分辨率确定了可以解析的像素大小,方便起见,一般情况下直接指定镜头可以解析的百万像素数,当镜头分辨率可以完全解析感光元件的所有像素点时,则可以获得最高分辨率。
表示镜头分辨率性能的指标有MTF曲线(调制传递函数),描述了镜头从图像中心到边缘的分辨率性能,通常可以找制造商要到这些曲线。

焦距

焦距是镜头光学中心和焦点之间的距离,通常长焦镜头适合拍远景,但视场小;短焦适合拍广角,常用的鱼眼或者微距镜头就是。

光圈

光圈的参数通常用F Number来表示,是焦距与光圈直径的比值,表示光圈全开时的宽度。
光圈的选择直接影响的是进光量,最终影响的是图像质量和亮度。F值越高,则光圈越小,最终感光元件获得的进光量越少,反之亦然。通常可以根据光源亮度调整。

减小光圈,可以减少相机光晕效果,景深越大,不过光圈太小,容易产生衍射模糊。

帧存和缓存

带帧存功能的相机,是指该相机内部具有保存一帧完整图像的能力,当传输带宽不够或者不稳定时,由于缓存了整个图像帧,所以仍然可以断点续传之后重建图像。
带缓存功能的相机,是指该相机内部具有缓存一部分图像数据的能力,但是无法缓存一整个帧,当传输带宽不够或者不稳定时候,有可能造成缓存溢出,最后无法重建图像从而造成丢帧等问题。
平常见到的工业相机一般都是带缓存的,不一定有帧存,在结构和价格上也有区别。只带缓存的相机结构简单,价格便宜。

此外,还有一些简单的参数,如相机图像的帧率FPS,图像的亮度、饱和度、对比度等等,由于比较常见,顾名思义,就不继续赘述。
先偷个懒,改天想到了啥,再续狗尾。