二、相关知识
（一）图像传感器的种类与性能
图像传感器是数码相机的核心部件之一，它在数码相机的整个工作流程中起着非常关键性的作用，其性能直接影响着数码相机的成像质量。众所周知，传统相机在曝光时，光线通过镜头后是由胶片来记载影像的潜影。而数码相机则完全不同了，镜头采集到的光线，需要经过光电转换器件把采集到的明暗不同的光线转化成不同强弱的电荷。这个转换器件就是我们所说的图像传感器。目前数码相机上使用的图像传感器主要有CCD和CMOS两种。
1.CCD
CCD （Charge Coupled Device），意为电荷耦合器，又称为“图像传感器”“光电转换器”，等等。CCD实际上是一个半导体组件，主要由几百万或几千万只光电二极管组成，其作用是将来自镜头的光信号转变为电荷。
CCD的基本原理是由光敏元件通过光电效应将来自镜头的光线转换为电荷并储存在电荷储存区内，来自镜头的光线越强，产生的电荷就越多，判断光线的强弱主要是由电荷的多少来决定的。数码相机在曝光的时候，光线通过镜头聚焦形成影像，影像的不同明暗部位在CCD便会转换为不同强弱电荷，模数转换器将其转换成数字信号，再经过图像处理芯片的处理，最终形成图像数据并储存在数码相机的存储介质上。
就CCD本身而言，它只能记录光线的强弱，而无法分辨色彩。色彩的记录是利用在CCD上镶嵌滤光器来实现，即采用红、绿、蓝三原色的单色滤光器，通过加色法彩色合成原理来记录彩色影像。部分高档数码相机则在CCD上采用青、品红、黄三补色单色滤光器，通过减色法彩色合成原理来记录彩色影像。
在CCD上排列的每一光电二极管即为一个像素，像素是构成影像的基本单位，像素越多，图像清晰度越高。如果要提高清晰度，就必须增加CCD像素。但是，在增加像素的同时，也会带来一系列的问题，比如，像素灵敏度降低、动态范围减少和信号噪音下降等。如果采用增大CCD的面积又会导致CCD的制造成本剧增。为此，日本富士公司的科技人员在CCD设计思路上进行了创新，对CCD的结构与排列上进行了优化，这就是该公司的于2000年3月推出的“超级CCD（Super CCD）”。
图5-2 CCD图像传感器
图5-3 CMOS图像传感器
超级CCD的创新主要体现在三个方面：一是将以往CCD上光电二极管的正方形排列改变为正八边形蜂窝状排列，有效地提高了CCD空间利用率，同等面积内像素载有量明显增多；二是在CCD上采用面积较大的光电二极管，使得感光度得到提高；三是改进了信号噪音比的性能，使得动态范围得到有效的加宽。
2.CMOS
CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）,意为互补性氧化金属半导体。CMOS的作用和CCD一样，都是数码相机的光电转换的半导体器件。CMOS图像传感器由美国航空航天局（NASA）的喷气推进实验室在1970年推出，但是运用到数码相机上则比CCD要晚了许多。在数码单反相机中，最早使用CMOS作为图像传感器的是佳能公司2000年推出的EOS-30D数码相机。
CMOS与CCD这两种图像传感器，虽然都是利用感光二极管进行光电转换，将图像转换为数据，但在数据传输方式却不相同。CCD传感器中每一行中每一个像素的电荷数据都会依次传送到下一个像素中，由最底端部分输出，再经由传感器边缘的放大器进行放大输出；而在CMOS传感器中，每个像素都会邻接一个放大器及A/D转换电路，用类似内存电路的方式将数据输出。造成这种差异的原因在于：CCD的特殊工艺可保证数据在传送时不会失真，因此各个像素的数据可汇聚至边缘再进行放大处理；而CMOS工艺的数据在传送距离较长时会产生噪声，因此，必须先放大，再整合各个像素的数据。
由于CMOS与CCD在数据传送方式上不同，因而，在效能与应用上也有诸多差异，概括起来看：CMOS传感器具有成本低、功耗低以及高整合度的特点；而CCD传感器在灵敏度、分辨率、噪声控制等方面优于CMOS传感器。不过，随着CMOS传感器技术的不断改进，两者的差异已逐渐缩小。目前，CMOS图像传感器大有取代CCD图像传感器之势并广泛应用于数码相机之中。
除了CMOS与CCD传感器外，新型的图像传感器正在不断的研发之中，已用于数码相机上的有“JFET LBCAST”和“Foveon X3”。前者用于适马SD10、SD14数码单反相机上，后者用于松下DMC-L10和奥林巴斯E-3等数码相机上。由于目前采用较少，这里不再赘述。
（二）图像传感器的像素与插值
1.像素与像素表示法
在传感器上有许许多多光敏单元（光电二极管），它们可以将光线转换成电荷，从而形成对应于景物的电子图像。而在传感器中，每一个感光单元对应一个像素。因此，“像素”（Pixels）实际上是传感器像素的简称，也是构成图像的最小单位。一般来说，像素越多，就越能分辨出景物的细节，图像的清晰度就越高。
像素多和少的表示方法有两种，一种是像素总量表示法，通常标注在数码相机的机身上，比如，“12.1 MEGA PIXELS”，表示该相机拥有1210万像素；另一种是纵横像素乘积表示法，这种表示法通常在数码相机的菜单中反映出来，当你选择最高分辨率时，实际上就是该相机的像素总量。比如最高分辨率显示为3200×4500，两者乘积后说明该相机像素总量为1440万像素。
2.最大像素与有效像素
数码相机的最大像素（Maximum Pixels）有两个概念：一是指经过插值运算后获得的最高像素；二是指CCD/CMOS传感器的真实像素。
数码相机的有效像素数（Eあective Pixels）与最大像素并不是一个概念，有效像素数是指真正参与感光成像的像素值，而最大像素包含了传感器中的非成像部分。以美能达 DiMAGE7为例，其CCD最大像素为524万，因为CCD有一部分并不参与成像，因此，有效像素只为490万。
3. 图像传感器的插值
所谓插值运算是指通过设在数码相机内部的DSP芯片，在需要放大图像时，经过一系列的插值运算，添加图像放大后所需要增加的像素，比如800万像素经过插值运算可提高到1000万像素。但是，插值后获得的图像质量不能够从根本上提高图像最终质量。
（三）图像传感器的面积与画幅
1.图像传感器的面积
图像传感器的面积， 也可称图像传感器的尺寸。图像传感器的面积越大，成像效果就越好。理想数码相机的图像传感器的面积应与传统的135相机胶片面积相同，这样的话，无论是使用多少毫米的镜头，无论是安装在传统胶片相机上，还是安装在数码相机上，它们所得到的视角与画幅就都相同了。但遗憾的是数码相机的图像传感器的面积和画幅大小不一、多种多样（如表5-4所示）。
图表5-4 图像传感器规格一览表
对图像传感器面积与画面质量的认识，应从多方面因素来考虑。通常来看，图像传感器的面积越大，所能容纳的像素就越多；图像传感器面积越大,获得的灵敏度、动态范围和信噪比就越高，对图像细节表现、色彩层次、画面纯净度、曝光宽容度等越能产生良性影响。那么，图像传感器的面积和像素以及画面清晰度的关系又如何呢？事实上，并非图像传感器面积大的就一定要比图像传感器面积小的要好，图像传感器本身的质量也有优劣之分，在同等质量的前提下，应把图像传感器面积与图像传感器像素结合起来，具体分析对画面质量的影响。如果工艺技术都相同的情况下，可以认为：当图像传感器面积相同时，像素高的，画面清晰度就高；当图像传感器面积不相同时，只要像素多，画面清晰度也就高；当像素相同，影像分辨率相同，而图像传感器面积不相同时，则以图像传感器面积大的画面质量为好一些。
（1）传感器面积与焦距转换系数
众所周知，传统135胶片照相机使用的感光材料是胶片，而数码相机使用的感光元件是CCD/CMOS芯片。由于大多数数码相机的CCD/CMOS面积通常要小于135相机的胶片面积，因而，配用同样焦距的镜头，数码相机的视角比135胶片相机的视角要小，视角小的程度因CCD/CMOS芯片面积不同而不同。而要想使CCD/CMOS面积不同的数码相机在镜头焦距上等效于135胶片相机镜头的焦距，便要乘以焦距转换系数。
（2）焦距转换系数的计算
一般而言，焦距转换系数主要是针对数码单反相机与135胶片相机在使用同等焦距镜头时所产生的视角差异而采用的计算方式。比如，一只50mm的镜头，在图像传感器规格为APS-C的数码单反相机上，与135胶片相机的等效焦距为75mm。50mm为何变为了75mm，这是因为50mm乘以了一个1.5的系数才得到了75mm，即：50mm×1.5=75mm。那么，这个1.5就是所谓的“焦距转换系数”。如果还是这只50mm的镜头，用在图像传感器规格为4/3英寸的数码相机上，与135胶片相机的等效焦距变成了100mm。因为，该数码相机的转换系数为2，50mm×2=100mm，那么与135胶片相机的等效焦距就是100mm了。
上述提到的焦距转换系数为“1.5”和“2”系数，又是怎么得来的呢？需要我们进一步地了解。焦距转换系数既然是针对数码单反相机与135胶片相机在使用同等焦距镜头时所产生的视角差异而采用的计算方式，那么，必然与135胶片的尺寸相关联。135相机胶片的长宽尺寸是36mm×24mm，是一个长方体，其对角线尺寸通过计算得出为43.27mm。因此，43.27mm便是数码相机的焦距转换系数的基数，即：焦距转换系数C=43.27mm。将数码相机的实际焦距乘以镜头焦距转换系数C，即得出等效的135胶片相机的焦距。
例如，一台数码相机的实际镜头焦距为24mm—70mm，CCD的有效成像范围的对角线尺寸为28.3mm，（23.6mm×15.6mm）。则：焦距转换系数C=43.27mm÷28.3mm≈1.5。再用1.5分别乘以24mm和70mm，得出该镜头等效于135胶片相机的焦距为36mm—105mm。
在论述焦距转换系数的过程中，时常出现“等效焦距”这个词汇，等效焦距的含义是：把面积不同的图像传感器所得到的成像视角，转化为135胶片相机上同样的成像视角所对应的镜头焦距，就是等效焦距。等效焦距同样是针对数码相机与135胶片相机而言的。
尼康 DX 画幅的数码单反相机（D3200、D5200、D90、D7000、D7100、D300S）的焦距转换系数是1.5，尼康D600、D800、D4等，焦距转换系是1（全画幅）；佳能的EOS三位数、二位数（如750D、60D）等系列均为1.6，1D是1.3，5D系列、6D、1DS和1DX焦距转换系是都是1（全画幅）；松下、奥林巴斯的4/3系统，转换系数是2；索尼NEX系列的焦距转换系是1.5。
对于数码单反相机来说，焦距转换系数可以在一定程度上反映出相机的档次。目前，焦距转换系数在1.5或1.6的数码单反相机为中低端产品，焦距转换系数在1.3或1的数码单反相机为中高端产品。
2.数码相机常见的画幅
（1）全画幅
所谓全画幅指的是传感器CCD/CMOS的尺寸大小同传统135胶片相机的尺寸几乎完全一样，或为36mm×24mm，或为35.6mm×23.6mm。一般用在专业级或准专业级数码单反相机上，如尼康全画幅标注为“FX”，再如佳能EOS-5D 系列等。非常可喜的是数码无反相机也有了全画幅专业级的相机，如索尼ILCE-7等。
（2）APS画幅
APS画幅，原是传统胶片相机的一种规格，APS（Advanced Photo System）意为“先进摄影系统”，是20世纪90年代投入市场的新型相机，使用的是配套的APS胶卷。这种APS胶卷有三种画幅可供选择，分别为：H型画幅（30.2mm×16.7mm）；C型画幅（25.5mm×16.7mm）；P型画幅（30.2mm×9.5mm）。数码相机图像传感器采用了APS-C和APS-H两种规格，不过在尺寸上并非完全一样，只是接近，因而定义为“APS-C画幅”和“APS-H画幅”。
①APS-C画幅：是采用最多的一种传感器尺寸规格，长宽比为3∶2，但不同厂家的标准略有不同，比如，佳能的APS-C画幅为22.0mm×15.0mm，焦距转换系数为1.6；尼康的APS-C画幅为23.6mm×15.6mm，焦距转换系数为1.5。
②APS-H画幅：其面积小于全画幅，大于APS-C画幅，长宽比为16∶9。目前使用的有佳能EOS-1D MarkⅣ数码单反相机上，尺寸为27.9mm×18.6mm。另外，德国的徕卡也曾在M8数码相机上使用过APS-H画幅的传感器。
（3）4/3画幅
4/3画幅其尺寸标准为18mm×13.5mm，长宽比为4∶3，面积略小于APS-C。较有代表性的相机是2012年初佳能推出的旗舰级消费类数码相机G1X。
（4）小型传感器
小型传感器的画幅尺寸主要有：1/2.3、1/2和1/1.7英寸等规格。常用于数码非单反卡片相机上。长宽比为多为4∶3。
（5）中画幅
这类数码相机传感器的面积大于全画幅规格，其实际尺寸各厂家各有不同。以目前市面上两款常见产品为例：宾得645D采用的图像感应器尺寸为44mm×33mm，德国徕卡S2则使用面积为45mm×30mm的传感器。
（6）画幅的长宽比
数码相机传感器的画幅长宽之比基本上以3∶2和4∶3为主，同时还都支持16∶9画幅，但是，支持16∶9画幅并不代表相机的图像感应器的物理长宽比也是16∶9，它实际上是对传感器上下两端进行一定比例的遮挡来实现宽幅画面的效果。如果数码相机采用的是APS-H画幅，才是真正意义上的16∶9画幅。
无论数码相机画幅长宽之比是多少，各有各的用武之地，16∶9画幅比较适合于拍摄辽阔的场景，以凸显场景的宽阔感；3∶2画幅适合于拍摄一般场景的画面；4∶3画幅比较适合拍摄人像，特别是在竖幅构图时，显得更为协调。总之，适合于你的拍摄要求和表现意图的，就是最适合的。