数码相机影像原理基础.ppt

影像,石岳峻 博士,數位影像,數位影像 將圖片或照片等資料，利用電腦與周邊設備(如掃描器、數位相機)將其轉換成數位化資料影像 影像處理技術 主要是用來編輯、修改與處理靜態圖像，以產生不同的影像效果點 陣 圖,像素(Pixel, Picture Element) 就是螢幕畫面上最基本的構成粒子，每一個像素都記錄著一種顏色 影像是由螢幕上的像素所組成 像素的數目越多， 圖像的畫質就更佳解析度(resolution),決定點陣圖影像品質與密度的重要因素 像素密度愈高，影像則愈細緻，解析度也越高解析度：300,解析度：150,解析度：72,解析度單位,DPI (Dot Per Inch) 適用於平面輸出單位 例如：印表機解析度 PPI (Pixel Per Inch) 螢幕上的像素單位 例如：顯示器解析度點陣圖,優點─可呈現真實風貌 缺點─放大或是縮小處理後，容易失真點陣圖放大後會產生失真現象,向 量 圖,數學運算產生的幾何曲線所構成的繪圖方式，具有放大縮小均不會失真或產生鉅齒狀，檔案大小也通常不大 無法表示精緻度較高的圖案，適合表示一般的卡通或漫畫圖向量圖放大時不會產生失真現象,RGB色彩模式,色光三原色，則為紅、綠、三種。

每個像素是由24 位元(3個位元組)表示，每一種色光都有256種光線強度(也就是28種顏色)三種色光正好可以調配出224=16,777,216種顏色，也稱為24位元全彩CMYK色彩模式,稱為印刷四原色，屬於印刷專用，適合印表機與印刷相關用途 C是青色，M是洋紅， Y是黃色， K是黑色，以減法混色所形成，將此三色等量混合時，會產生黑色CMYK v.s. RGB,CMYK模式所能呈現的顏色數量會比RGB模式少 RGB模式中，色光三原色越混合越明亮，而CMYK模式，色料三原色越混合越混濁，這是兩者間的主要差別HSB模式,是指人眼對色彩的觀察來定義 用H(色相,Hue)、S(飽和度,Saturation)及B(亮度,Brightness)來代表顏色，在螢幕上顯示色彩時，會有較逼真的效果色彩深度,影像是以位元來儲存，當位元數目越高，就代表影像所能夠具有的色彩數目越多，相對地，影像的漸層效果就越柔順黑白模式,像素用1個位元來表示，只有黑色與白色 可以製作黑白的線稿 (Line Art) ，或是只有二階(2位元)的高反差影像 圖檔容量小， 影像比較單純灰階模式,像素用8個位元來表示，亮度值範圍為0~255，0表示黑色、255表示白色，共有256(28)個不同層次深淺的灰色變化，也稱為256灰階。

16色模式,像素用4位元來表示，共可表示16種顏色，為最簡單的色彩模式，如果把某些圖片以此方式儲存，會有某些顏色無法顯示256色模式,像素用8位元來表示，共可表示256種顏色，已經可以把一般的影像效果表達的相當逼真，也是目前常用的彩色模式高彩模式,像素用16位元來表示，其中紅色佔5位元，藍色佔5位元，綠色佔6位元，共可表示65536種顏色 資料量過多，礙於儲存空間的限制全彩模式,像素用24位元來表示，其中紅色佔8位元，藍色佔8位元，綠色佔8位元，共可表示16,777,216種顏色 表現上非常的豐富、完整，但使用全彩模式及256色模式，光是檔案資料量的大小就差了三倍之多RGBA格式,像素用32 位元來表示，其中紅色佔8位元，藍色佔8位元，綠色佔8位元，另一個位元稱為Alpha，它代表不透明度(Opacity)，越高越不透明 影像就可以做半透明重疊影像的效果，稱這為Alpha Blending螢幕解析度,螢幕解析度是由顯示卡（Display Card）所決定的，並不是由螢幕所決定BMP檔案格式,BMP 是 Bit Mapped 的縮寫 是 Microsoft 為 Windows 發展的影像檔格式 Windows 中畫面的捲動、視窗開啟及恢復，均需高速運作，不能有太多的計算過程，因此真實的將螢幕內容一點一點地儲存在檔案內，避免解壓縮時浪費時間，因此有了 BMP 的誕生。

BMP檔案格式,BMP 格式是與裝置無關的，故又稱 DIB (Device-Independent Bitmap) 可以是 2 色、16 色、256 色或 16777216 色 每個影像檔都有兩部份 部份一是記錄影像相關資料的檔頭， 部份二是影像資料根據原始影像資料與某些演算法，來產生另外一組資料，方式可區分為 破壞性壓縮 壓縮比率大，但容易失真 JPG 非破壞性壓縮 壓縮比率小，不過還原後不容易失真 TIF、GIF 、 PNG,影像壓縮,TIF(Tagged Image File Format),所有圖檔的「母檔」，最高品質的檔案 非破壞性壓縮模式， 支援儲存CMYK的色彩模式與256色， 能儲存Alpha色版 檔案格式較大 ， 不同軟體與平台交換傳輸圖片， 為文件排版軟體的專用格式JPG(Joint Photographic Experts Group),副檔名為.jpg或jpeg 屬於破壞性壓縮 儲存後的影像會造成失真的現象 支援CMYK、RGB 和灰階色彩模式，但不支援Alpha 色版 壓縮比率可相當高 適合大自然或人物等連續色調的全彩相片,GIF (Graphics Interchange Format),副檔名為.gif GIF圖檔最多只能儲存256色(8 bits) 。

GIF 僅能顯示RGB 色彩，不能用於CMYK 不支援Alpha 色版 支援透明度、交錯顯示，以及多重影像圖片 (動畫 GIF) 適合卡通類小型圖片或按鈕圖示交錯顯示(Interlacing),圖形的顯示一般是由上而下一條線一條線地依序顯示，直到圖形資料下載完後，才能看到完整的圖形； 交錯顯示則是以相隔八條線的方式跳著顯示，可以讓瀏覽者在圖形未完全出現前，先對圖案有個概念 製作GIF動畫時，不適合 使用交錯顯示，會有鬼影 殘留的現象GIF 動畫(GIF89a),TIFF、JPEG、GIF 之比較,PNG (Portable Network Graphic),高階無失真壓縮 • 支援Alpha 色板透明度 支援Gamma 修正 (圖像亮度控制) 支援交錯顯示 新的網頁瀏覽器才支援 壓縮小於 JPG,gamma 值,人眼所能分辨的亮差層次是以對數方式分佈，而非以線性方式分佈 人眼對低亮度變化的感覺比對高亮度變化的感覺來得敏銳 ─>犧牲亮部層次來換取更多的暗部表現 亮度＝ 255  (RGB 值 / 255) Gamma,,PC 選用 2.2 Gamma 值,RAW,相機的CCD或CMOS將光信號轉換為電信號的原始數據的記錄 是未經處理、也未經壓縮的格式，可以把RAW比作“數位底片” JPEG、TIFF等是數位相機 在RAW格式基礎上，調整 白平衡和飽和度等參數， 產生的圖檔。

傳統相機 v.s. 數位相機,感光裝置,像傳統相機的底片一樣，是感應光線的裝置，負責把影像變成電訊號有兩大類: 電子耦合元件(Charge-Coupled Device,CCD) 當光線與影像從鏡頭透過、投射到CCD表面時，CCD就會產生電流，將感應到的內容轉換成數位資料儲存起來 優點是影像質素非常好， 缺點是生產成本較昂貴，耗電量也較大感光裝置,互補金屬氧化半導體(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS) 採用CMOS晶片製造技術生產的 優點是可令生產成本大大降低，只需CCD感光晶片的三分之一 缺點是噪音較多，影像質素不及CCD感光晶片 常被用於低階數位相機或Webcam CCD v.s. CMOS,傳統相機 v.s. 數位相機,數位相機─正面,快門 按鈕,模式轉盤 /電源,喇叭,閃光燈,觀景窗,鏡頭/鏡頭蓋,麥克風,感光器,自拍/錄影 指示燈,握持處,腕帶連接處,,數位相機─背面,數位相機內部構造,鏡頭組,鏡頭組,快門,電池組,記憶卡,快門鈕,快門,觀景器,閃光燈,拍攝物,成像,感光晶片,感光晶片,畫素,4”x 6”的相片以一般相片的解析度約300 dpi (相片長度*解析度) x (相片寬度*解析度)= (4 * 300) x (6 * 300)= 1200 x 1800= 2160000 (約2百萬像素) 目前已到千萬像素以上,重要操作,,,螢幕資訊,,照片拍的好要訣一,光線要充足 不可過多(曝光過量),照片過亮 不可過少(曝光不足),照片太暗,影響曝光的因素─ISO,傳統相機時指的是底片的感光度。

而數位相機的感光度則是在感光元件CCD上的能力 ISO值越高就越能在昏暗場合拍出明亮的照片 ISO值越高，放大後的效果較差 最高已有,ISO 80,ISO 400,ISO 200,ISO 100,影響曝光的因素─ISO,ISO值越高，放大後的效果較差影響曝光的因素─光圈,鏡頭內用來控制光線透過鏡頭，進入機身內感光面的光量的裝置 光圈f值 = 鏡頭的焦距 / 鏡頭口徑的直徑 光圈f值愈小，進光量便愈多，而且上一級的進光量剛是下一級的一倍影響曝光的因素─快門,鏡頭前阻擋光線進來的裝置，可決定曝光時間長短,快門速度快,快門速度慢,快門速度快,快門速度慢,光圈與快門,光圈就是水管的粗細 水管越粗水越多 光圈越大光線越多 光圈表示法 ：F2.0 > F2.8 (因為是倒數關係) 快門就是進水的時間 放水時間越久水越多 快門越長光線越多 快門表示法：1/500秒~8秒 消費型大部份最多到8秒,拍攝模式,,照片拍的好要訣二,影像要清晰影像清晰 (對焦) 影像模糊(失焦),變焦(zoom in/out),改變鏡頭的焦距，可望遠拍攝時放大遠方物體 一般基本焦距為35mm 20～35mm的鏡頭稱為廣角鏡 焦距更短的就是超廣角鏡,光學變焦(optical zoom),靠光學鏡頭結構來實現變焦，方式與傳統相機差不多，就是通過相機鏡片移動來放大與縮小需要拍攝的景物，光學變焦倍數越大，能拍攝的景物就越遠。

數位變焦(digital zoom),將CCD影像感應器上的像素用程式計算將畫面放大到整個畫面 數位變焦將拍攝的景物放大了，但清晰度會下降，所以數位變焦並沒有太大的實際意義智能變焦(smart zoom),SONY獨有，可放大變焦拍攝，不會將微粒放大，能保持畫質與原本影像相同3x optical zoom,1.8x smart zoom,4.7x smart zoom,防手震(Anti-Shake)系統,減少因照相時相機晃動所產生畫質不清的問題光學防手震,將防手震機構放置在鏡頭內，經由鏡頭內的角速度感知器，感應到鏡頭晃動程度，計算後將應補正量由鏡頭內的機械結構移動鏡片，往反方向回饋修正，以達成防手震的效果CCD防手震,又稱機身防手震，以仰賴CCD的補償移動，當角度速感知器察覺機身發生震動時(這個機構是裝置在機身內部，並與CCD影像感測器結合)，會啟動控制機構 ，將CCD往相對的方向 補償移動，以獲得穩定 的影像數位防手震,通過軟體計算的方法，利用成像掃描過程與機械快門開啟的過程相互配合校正震動的影響，獲取穩定的畫面 主要應用在體積更小的產品，例如輕薄型的數位相機、照相手機、迷你DV等等。

白平衡,不同的環境下有不同的色溫，就像是你開燈泡時，連白紙看來也變黃的日光燈模式,太陽光模式,自動模式,臉部自動對焦系統,,紅眼,用閃光燈拍攝人像時，由於被攝者眼底血管的反光，使拍出照片上人的眼睛中有一個紅點的現象 在比較暗的環境中，人眼的瞳孔會放大，此時，強烈的閃光燈光線如果通過人的眼底反射入鏡頭，眼底有豐富的毛細血管，這些血管是紅色的，所以就形成了紅色的光斑 防紅眼是閃光燈的一種功能，是在正式閃光之前預閃一次，使人眼的瞳孔縮小，從而減輕紅眼現象DSLR(Digital Single Lens Reflex),簡單的來說就是數位單鏡反光鏡式相機 透過反光鏡將影像反射到觀景窗，所照出來的影像會跟看到的一模一樣。