第1章 探索数码单反相机的结构和原理

数码单反相机的发展历史

数码相机诞生后，发展很快，从最初的功能单一、画质粗糙、耗电巨大，发展到了现在的价格低廉、画质精细。数码相机作为一种新家电、新产品，普及的速度极快。

数码相机与传统相机相比，最大的进步就是用感光元件代替了胶片。1970年，美国贝尔实验室发明了CCD，它是一种将光信息转换成电信号的装置。最初，它被用于航天和科学研究领域，美国宇航局将CCD 装配在登上月球的“阿波罗”号飞船上，而这正是数码相机的原形。阿波罗号登上月球的过程中，美国宇航局接收到的数字图像如水晶般清晰。

1981年，索尼将CCD 应用于电视摄像机中。同年，还发布了第一款用磁记录方式工作的电子静物相机样品MABIKA。虽然它没有成为商品，却引起了广泛关注，它意味着全新照相系统的诞生。

1995年，数码相机作为商品正式对公众发布。3月10日，卡西欧推出了Casio QV-10，它包含一颗25万像素的CCD，能拍摄分辨率为320×240ppi 的数码照片，相机拥有2MB 的存储容量，能存储96 张照片。因此，这款相机成为第一款真正意义上的商业化数码相机。同年，传统影像大鳄柯达公司也向市场发布了其研制成熟的数码相机产品DC40，这款产品的发布被视为数码相机市场成型的开端。

此后，数码相机推陈出新，像素不断增加。20世纪90年代，数码单反相机开始逐渐登上历史舞台，功能也越来越强大。如今，数码单反相机已突破千万像素。随着数码单反相机的普及，摄影这门艺术被越来越多的人所接受和喜爱。

数码单反按性能和用途分类

入门级数码单反相机

入门级数码单反相机的价格已经降到了3000 元左右，是普通民众都可以接受的水平。虽然价格低廉，但入门级单反相机仍然具备了数码单反相机的一切核心功能，足以应对绝大多数的拍摄场景。

相比更高档次的数码单反相机，入门级单反在成像品质上并没有打任何折扣，低廉的价格所带来的档次差异仅仅体现在机身材质、操作手感以及拍摄速度等对日常拍摄影响不大的方面。因此，数码摄影初学者完全可以放心地购买一款入门级单反，并将省下来的钱用于添置镜头等其他相机配件。

准专业级数码单反相机

准专业级数码单反相机在售价上，相比入门级单反要高出不少，适合有一定经济实力的摄影爱好者选购。准专业级数码单反相机在操作手感、机身材质、拍摄速度以及测光和对焦精度等方面，相比入门级数码单反相机有很大的提升。

操作手感：这个级别的数码单反相机机身更大，手柄更高，握持手感更加饱满。机身大部分区域也配备了蒙皮，摩擦系数更高，机身在手中长时间工作时，不会因为出汗而滑落。

机身材质：准专业级数码单反广泛采用镁铝合金外壳及骨架，比入门级单反的塑料机身更加坚固，机身的防水性、防尘性也有所提高，增强了恶劣环境下的适应能力。

操作速度：由于配备了容量更大的缓存，以及具有一些更先进的机械设计，准专业级数码单反相机在连拍速度以及数码照片的存取速度等方面都得到了大幅的提升。对于一些专业摄影领域，如体育摄影，准专业级单反相比入门级单反有明显的性能优势。

专业级全画幅数码单反相机

专业级全画幅数码单反相机是数码单反相机中的顶级产品。它们拥有与竖拍手柄一体化的机身设计、坚固耐用的金属外壳及骨架、超过15W 次的快门寿命、经过严格测试的防水防尘性能，以及超快的连拍和存储速度，并具有100% 的取景器视野率。

专业级数码单反相机的对焦系统也经过特别优化，更多的双十字对焦点可以在大光圈拍摄时更准确地进行对焦操作。在画质方面，专业级全画幅数码单反相机的感光元件尺寸也更大。相比APS-C 画幅的入门级单反，在成像品质和像素数上也有明显的提高。

专业级数码单反大多价格昂贵，它们的客户群体是专业摄影师和新闻记者，售价也在2W 元以上。对于刚开始学习摄影的人，不建议配备这个级别的摄影器材。初学者应该把更多的精力用在摄影技术的提高上。

数码单反的重要组件

LCD显示屏

数码单反相机的LCD 显示屏最大的功能是在照片拍摄完成后，回放查看照片的拍摄效果。随着技术的不断进步，LCD 显示屏的尺寸和像素数不断提升。现在，LCD 显示屏的像素数已经普遍达到90万像素，可以更清晰地显示出照片的细节。

同时，近两年推出的许多数码单反相机，其LCD 显示屏还具有实时取景的功能，摄影师可以像使用消费级数码相机那样通过LCD 显示屏进行取景和构图，一些机型甚至安装了可以翻转、变换角度的LCD 显示屏，让用户在一些特殊角度拍摄时也可以做到从容自如。

五棱镜与光学取景器

数码单反相机的顶部有一个重要的装置，它的名字叫五棱镜。光线进入镜头后，经过反光板的反射，再通过五棱镜的一系列反射，最终进入光学取景器，使摄影师能够看到清晰的影像，进而实现取景和构图工作。

正是因为有五棱镜，数码单反相机的外形无法像消费级数码相机那样做到顶部平直，而必须有一个明显的凸起。

数码单反相机一直坚持使用光学取景器，因为进入镜头的光线通过五棱镜反射，最终进入光学取景器，可以做到所拍即所见，取景范围的误差很小。同时，光学取景器在明亮度、清晰程度等方面，相比于电子取景器具有明显的优势，是数码单反相机的不二选择。

图像处理芯片

图像处理芯片是数码单反相机内部的“大脑”，因而也成为各个厂商技术竞争和市场宣传的重要阵地。

在数码影像生成和存储的过程中，图像处理芯片发挥着重要的作用。它可以将感光元件接收到的原始数字信号进行各种修正和纠偏，包括色彩校正、白平衡校正、降噪处理等一系列步骤，最后将处理完成的照片存入存储卡中。

图像处理芯片的性能主要体现在两个方面：一是照片处理的效果，二是图像处理芯片自身的处理速度。各个厂商的图像处理芯片都有自己的性能特点和处理倾向，其中噪点控制是各家厂商技术竞争的焦点。同时，一些具有较强高速连拍性能的数码单反相机，为了实现较快的图像处理速度，甚至采用了双图像处理芯片的配置。

感光元件

感光元件取代了传统胶片，它是数码单反相机的心脏。感光元件并非单独存在，它的前方是低通滤镜。光线在成像光路中容易发生多次反射，对某些图案会产生摩尔纹。低通滤镜的主要作用是消除摩尔纹，降低“紫边”现象。新一代的单反相机感光元件的组件还具有自动清洁灰尘的功能，在野外更换镜头时，不必担心灰尘进入。

供电系统

数码单反相机用电力驱动，它的耗电量相当惊人。在数码相机刚刚诞生时，电池的工作时间短是数码相机的一大劣势。

随着技术的进步和大容量锂电池的应用，数码单反相机的续航时间延长了许多。现今的数码单反所配备的电池电量相当强劲，有些高端数码单反相机可以在不更换电池的情况下完成一千张照片的拍摄量。

通常喜爱旅游摄影和风光摄影的影友，只要在外出时携带充电器以及一块备用电池，就可以基本满足需要了。

数码单反配备的锂离子电池最大的优势就是没有明显的“记忆效应”，可以随用随充。同时，其内部的芯片通过与相机传递信息，能提供精确的电量显示，以及剩余电量可拍摄照片张数的显示，使摄影师在拍照时能够心中有数。

关于数码单反电池的知识有两点需要掌握：一是许多单反相机的竖拍手柄内可以装两节电池，提高续航能力；二是原厂电池价格高昂，如果囊中羞涩，不妨选购名牌副厂电池，它们和原厂电池相比，性能略有逊色，但价格却便宜得多。

感光元件详解：数码单反的心脏

数码单反相机的核心部件就是被称为感光元件的图像传感器，它取代了传统相机中的胶片。光线穿过镜头，在感光元件上成像，通过电信号的复杂转换生成影像。感光元件决定着数码相机的成像品质。目前，CCD和CMOS是两种被广泛采用的感光元件材质。

CCD感光元件

一个世纪以来，美国贝尔实验室诞生了许多伟大的发明，CCD（Charge Coupled Device）感光元件就是其中的一项。1969年，当CCD 感光元件刚刚发明时，它还存在许多缺陷。但是，随着时间的推移和科技的进步，CCD 技术不断完善，在突破了百万像素之后，CCD 的分辨率不断提高，面积越来越小，直至被应用到数码单反相机上，从而取代了胶片的地位，迎来了数码相机的普及，也宣告了数码摄影时代的到来。

CCD 是一种具有高感光度的半导体材料，通过光电转换，将光信号转变成电荷，再转换成数字信号，来生成影像。在数码单反相机的成像过程中，数字信号经过压缩和处理，被存储在数码相机的存储卡中，成为摄影师可以看到的直观的照片。CCD 由许多感光单元组成，当光线透过镜头照射在CCD 上时，每个感光单元的成像信号组合在一起，一张数码照片就诞生了。

CMOS感光元件

CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）作为一种新兴的感光元件，近些年大有后来居上之势。它的工作原理更加简单：利用硅和锗这两种材料组成半导体，通过自带负电和正电的晶体管实现基本功能，这两个互补效应所产生的电流经过图像处理芯片的处理，最终生成数码影像。

早期，CMOS 感光元件存在一些缺点，例如容易出现噪点，散热问题不好解决，等等。随着技术的进步，这些问题已经解决。现在，顶级数码单反相机都采用CMOS 作为感光元件，可见CMOS 的技术已经成熟。

CMOS 相比于CCD 具有大规模生产的成本优势，这有利于降低数码单反相机的售价，推动数码单反相机的普及。

CMOS 技术最先被佳能采用。现在，索尼、尼康也将它应用到自己的顶级机型上。CMOS 大有超过CCD 的态势。

CMOS 在生产和加工过程中，可以在成本不增加太多的情况下提高感光元件的像素数。因此，它的发展潜力较CCD 更大。

感光元件的大小：APS-C VS 全画幅

什么叫相机的画幅

数码单反相机感光元件的尺寸大小称为画幅。从左图中，读者可以清晰地看到数码单反相机的3 种画幅（全画幅、APS-C、4/3）与两种消费级数码相机的大小区别。由于相机的种类、价格、性能的差异，感光元件的面积大小也存在着明显的差异。

APS-C画幅的普及

APS这种规格诞生于胶片时代，富士、柯达、佳能、美能达等厂商在135mm胶片的基础上进行改进和创新，减小了感光元件的尺寸，设计了与之配套的一系列光学产品。

数码时代，由于全画幅感光元件成本居高不下，各个厂商纷纷推出基于APS-C 画幅的数码单反相机，配备了尺寸约为22.5mm×15.0mm 或23.6mm×15.8mm 的感光元件。

感光元件面积的缩减，降低了制造成本和售价。APS-C 画幅的数码单反迅速普及，现在已经成为大多数入门级数码单反相机的的标准规格。

全画幅的优势

全画幅是指与135mm 胶卷面积相同的一种感光元件的尺寸规格。

全画幅数码单反相机与胶片单反的镜头系统具有最佳的兼容性。由于胶片与感光元件面积一致，原先用在胶片单反相机上的镜头装配在全画幅数码单反相机上时，镜头焦距转换率达到1 ∶ 1，不受焦距转换系数的影响，使传统用户更容易适应和上手。

全画幅与APS-C 画幅相比，由于感光元件尺寸更大，受光量也更大，感光元件上感光点的分布更加舒缓，曝光更充分，记录细节的能力也更强。所以在最终成像的色彩层次、宽容度、细节方面，画面品质都更胜一筹。图像的紫边现象也更加轻微。使用这种尺寸的感光元件，相机也可以达到更高的感光度。

全画幅数码单反虽然具有诸多优势，但由于成本和售价的高企而迟迟不能得到普及。佳能、尼康、索尼等各个厂商的顶级专业单反相机均采用此规格。随着技术的进步和成本的降低，平民化的数码单反有望在未来得到普及。

4/3系统

为了获得更小、更轻便的机身设计，奥林巴斯、柯达、富士等厂商联手推出了一种新的数码单反相机标准，被称为4/3 系统。

4/3 系统的关键是采用了4/3 型的感光元件，以这种感光元件的尺寸为基础，研发了包含镜头、机身、闪光灯等一系列摄影器材。

4/3 系统感光元件的面积虽然只有全画幅感光元件面积的一半，却远远超过消费级数码相机1/1.8 英寸的感光元件，因此，成像品质和APS-C 画幅数码单反相比区别不大。4/3 系统的焦距转换系数为2，使用最新推出4/3 系统专用镜头。

为了获得更多厂商的支持，4/3 系统的卡口是统一的，并开放技术标准。随着这种系统的普及，腾龙、适马也会推出支持这种系统的镜头，扩大用户的选择。4/3 系统还有超声波感光元件除尘等创新技术，是数码单反技术的新星。

数码单反生成影像的过程

小孔成像原理

胶片、数码，无论是哪种相机，影像的生成过程都充满着奇妙的原理，其中最根本的原理就是小孔成像。

当一个物体透过有针孔的暗箱，在其内部的平面上可以产生一个左右上下颠倒的影像。如果在暗箱内部，和进光点相对应的一个平面上放上一种可能留下影像的感光介质，这个暗箱也就成为了一台照相机。这正是摄影术发明时照相机的雏形。针孔的大小决定了进光量的多少，它相当于现代摄影概念中的光圈。

以小孔成像方式得到的影像不够清晰，且无法对景深等一系列拍摄参数进行控制，因此镜头诞生了。通过各种设置，现代摄影术中的镜头可以控制画面的进光量、景深、取景范围等一系列参数，生成完美的数码影像。

一张数码照片的生成过程

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触发快门后，反光板抬起，光线通过镜头照射到数码单反相机的感光元件上

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相机在曝光完成后，光电二极管受到光线的照射和激发，释放出电荷，感光元件的电信号便由此产生

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感光元件将一次成像产生的电信号收集起来，统一输出。将经过放大和滤波后的电信号转换为数字信号，最后就变成了真正意义上的未经加工的数字图片

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将得到的原始数字照片通过图像处理芯片，根据用户的设置进行修正，包括色彩校正、白平衡处理等后期处理，并且将其编码成DSLR，以可以读取的数据格式保存下来

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将最终产生的图片保存在存储卡中

搞懂数码照片的像素、解析度和画质的关系

像素数是数码单反相机的一项十分重要的性能指标，它与照片的解析度、尺寸和画质密不可分。下面为您解析数码相机的像素和解析度。

像素点

数码照片是由无数个小的像素点汇聚而成的。像素点，英文译为：Pixel，它是数码照片最基本的组成单位。

不同于传统胶片记录模拟信号的方式，数码照片是由数字信号组成的，一张照片中的每一个像素点都是清晰明确的。

使用放大镜观察电脑显示器上的数码照片，可以清晰地看到这些像素点的组合结构，轻易地分辨出它们的单位以及颜色。当放大倍率过大时，照片中的像素点就会变成一个个马赛克式的颗粒。此时，照片不再清晰，也没有更多的细节可以呈现出来。因此，像素点是数码照片的基本单位，像素点越多的照片，其记录的细节也越丰富。

除了照片的像素点以外，显示器，甚至LCD 显示屏都是由固定的像素点构成的。高端数码单反所采用的拥有更多像素点的LCD 屏幕，可以更好地显示照片丰富的细节。

解析度

数码照片的解析度，也称为照片的尺寸，它的大小取决于数码照片在横竖两个方向上拥有多少个像素点。而横竖两方向上的像素点的数量的乘积，就是数码照片的总像素数，也称解析度。一台数码单反相机所能拍摄的数码照片的最大像素数，就是这台数码相机的最高像素。

现在，数码单反相机普遍可以达到一千多万像素的解析度。除了最大尺寸的设定以外，数码单反还提供不同解析度的选择，以适应不同的拍摄需要。但其最大解析度是确定的，也是最常用到的。数码照片的解析度越大，其像素数越高，照片中记录的影像信息也越丰富，照片画质也越出色，最终进行打印输出的尺寸才可以越大。

数码照片解析度的设定还会影响相机可拍摄张数。如果电池电量和存储卡空间有限，可以采用降低照片尺寸设定的方式进行拍摄，以节约存储卡空间和电池电量。

几种照片格式剖析：JPEG,TIFF,RAW

拍摄完成的数码照片最终要存储到存储卡中，这时就遇到了照片格式的选择问题。数码单反一般都支持两到三种存储格式，它们分别是 JPEG、TIFF、RAW。

这三种图片格式各有特性，优缺点都非常鲜明。本书对这三种图像格式进行解读：

JPEG图像格式

JPEG 图像格式的文件扩展名称为jpg，其全称为Joint Photograhic Experts Group。这是目前网络上和计算机上最常用的一种文件格式。作为一种失真的图像压缩方式，它可以储存在很小的空间里，通常的压缩比在10∶1~40∶1 范围内。这种图像的文件占有相对较小的存储空间，且具有很好的兼容性。几乎所有的软件都可以辨别它。

JPEG格式的图像对色彩的信息保留较好，因此也普遍应用于需要展示连续色调变化的照片中。

相比于其他照片格式，JPEG 可以节省很大一部分存储卡的空间，提高存储卡的利用率。同时，也可以缩短照片在相机内部处理和存储的时间。因此，在拍摄时可以获得更多的连拍张数。对新闻、纪实、体育摄影等题材来说，提高相机的拍摄和处理速度有着重要的意义。

TIFF图像格式

TIFF 图像格式全称是Tagged Image File Format。它是真正意义上的非失真的压缩格式。这种格式的数码照片，其文件的拓展名是tif。

TIFF 格式也可以做到2~3 倍的压缩比，它能够保持原有图像的所有颜色及层次。在存储过程中，可做到完美无损，因此是一种以完美画质为主要诉求的照片存储格式。

TIFF 格式的缺点也非常明显，那就是它需要占用很大的存储空间。同一张照片，使用JPEG 格式和TIFF 格式进行存储，你会发现它们的文件容量往往相差几倍。

TIFF 存储格式由于占据存储容量太大，且受到了新兴的RAW 格式的挤压，现在许多数码单反相机已经没有TIFF 存储格式可供选择了。它目前主要用于对画质要求较高的商业以及出版行业。作为没有任何细节损失的文件格式，它在影响后期处理、输出大画幅的图片方面很有帮助。另外在格式的通用性上，TIFF 格式仅次于JPEG 格式。

RAW图像格式

RAW 图像格式文件并不是一种通用的图像存储格式，而是一个特殊的未经加工处理的数据包。对于各个厂商的数码单反相机而言，RAW 格式的文件扩展名也不尽相同。

RAW 并不能被称作一种图片格式，也不是数码照片。它是感光元件记录的原始感光数据包。被导入电脑后，它需要经过专用的软件进行处理，并转换为JPEG 或TIFF 格式文件才能使用。

相比于传统的TIFF 格式，RAW格式的最大好处是可以对数码照片的原始信息进行修改和处理，包括照片的对比度、色温值、曝光补偿、清晰度、眩晕度、阴影、高光、镜头暗角等。甚至可以随时对图片中的暗部细节进行强化，以及削弱画面的紫边现象，等等。它未经相机内部图像处理芯片的处理，而是保留了原汁原味的照片信息，因此在后期处理中拥有更大的余地和空间。通常情况下，经过精细的修饰，RAW 格式文件可以提炼出高品质的数码照片。同时，RAW要比TIFF 的文件数据量小一点，更有利于文件的保存和存储成本的降低。

RAW 格式的缺点也很明显，那就是兼容性差。通常情况下，要查看和处理RAW 格式照片，只有两种常见的方法：第一，使用数码单反相机自带的RAW 解压缩处理软件，经过处理，将其转换成TIFF 等普通格式；第二，使用第三方图像处理软件处理RAW。拥有此项功能的软件很多，其中Photoshop 和Lightroom 就是不错的选择。专业的图像处理软件可以打开不同品牌相机的RAW 格式文件。由于各品牌新品相机上市速度太快，新相机的RAW图片格式也会升级变化。Photoshop 的使用者为了正确地读取它们，需要对软件进行升级。