数码相机，英文全称：Digital Still Camera ，是一种利用电子传感器把光学影像转换成电子数据的照相机。与普通照相机在胶卷上靠溴化银的化学变化来记录图像的原理不同，数码相机的传感器是一种光感应式的电荷耦合器件(CCD)或互补性氧化金属半导体(CMOS)。在图像传输到电脑以前，通常会先储存在数码存储设备中。通常是使用闪存;软磁盘与可重复擦写光盘(CD-RW)已很少用于数码相机设备。

　　2.数码相机成像原理--结构

　　无论是哪种款式的数码相机，大都包括镜头、闪光灯、取景器、影像传感器以及按键几部分。

　　镜头----是一部相机的重要组件之一，可以说是相机的灵魂，数码相机采用什么镜头是一个非常重要的参数，也是区分不同档次相机的重要指标。

　　闪光灯----是增加曝光量的方式之一，尤其在光线较暗的场合，利用闪光灯可以使景物更加明亮。数码相机内置的闪光灯一般有三种模式，即自动闪光、强制闪光和关闭闪光，有的相机还具有消除红眼、慢速同步闪光等功能。

　　取景器----数码相机上使用的取景器有多种类型，包括LCD取景器、单反式取景器、旁轴式取景器等，现在数码相机几乎同时配备有普通光学取景和LCD取景，用户可根据具体的情况进行选择。

　　影像传感器----目前数码相机所使用的影像传感器有CCD和CMOS两种类型。CCD被广泛应用于大部分数码相机上，它由大量独立的光敏元件组成，这些光敏元件通常按矩阵排列。

　　按键----在进行拍摄工作时，传统相机大都通过按键或者转动转盘来实现，而数码相机是通过菜单来选择功能的，若在进行抓拍时，直接按按键比使用菜单进行设置更加快捷。

　　3.数码相机成像原理

　　数码相机是集光学、机械、电子一体化的产品。它集成了影像信息的转换、存储和传输等部件，具有数字化存取模式，与电脑交互处理和实时拍摄等特点。

　　当打开相机的电源开关后，主控程序芯片开始检查整个相机，确定各个部件是否处于可工作状态。如果一切正常，相机将处于待命状态;若某一部分出现故障，LCD屏上会显示一个错误信息，并使相机完全停止工作。

　　当你对准拍摄目标，并将快门按下一半时，相机内的微处理器开始工作，以确定对焦距离、快门的速度和光圈的大小。当按下快门后，光学镜头可将光线聚焦到影像传感器上，这种CCD/CMOS半导体器件代替了传统相机中胶卷的位置，它可将捕捉到的景物光信号转换为电信号。

　　此时就得到了对应于拍摄景物的电子图像，由于这时图像文件还是模拟信号，所以还不能被计算机识别，需要通过A/D转换成数字信号，接下来微处理器对数字信号进行压缩，并转换为特定的图像格式，最后以数字信号存在的图像文件会以指定的格式存储到内置存储器中，此时通过LCD可以查看所拍摄到的照片。

　　手抖无所不在，只要是手持相机摄影,多多少少都存在着抖动的问题，差别是每个人的稳定程度不同。这里涉及到安全快门的概念,简单来说,安全快门就是焦距的倒数,也就是快门速度达到或超过安全快门(曝光时间小于安全快门的曝光时间),这样比较容易拍出比较清晰的图片。在长焦距拍摄 ,低光源环境拍摄,微距拍摄的情况下,由于曝光时间远远大于安全快门的曝光时间,故需要有防抖动的技术去补偿,不然一般摄影的结果都是不清晰的。

　　数码相机的防手抖技术一般分为三类:电子防抖,镜头防抖(也称为光学防抖),CCD防抖。电子防抖一种是提高感光度(High ISO),从而提高快门速度(减低曝光时间),使快门速度超过安全快门来避免抖动。这种方法变化了快门速度,不仅能改善相机方面的抖动,也能对移动的物体进行更好的捕捉,但由于提高了感光度,由于元器件的限制,相应的图片噪声会提高,影响图片的质量。表一为国际标准组织定义的条件系统,在感光度( ISO)提高一个级数,快门时间就可以减少一半。电子防抖另一种是对图像进行分析,依据抖动对边缘进行处理,属于后端处理,对图片帮助不是很大。镜头防抖是通过镜片的移动来补偿相机的抖动,它由传感器,微处理器,补偿镜片控制组,驱动控制部分组成,依靠补偿镜片的移动来校正手抖引起的光线偏移,如图1,镜头不同,设计上有差异,但基本上都是透过补偿镜片组来补偿。CCD防抖是通过感光元器件CCD(或CMOS)放在一个可移动支架上来,通过传感器感知相机的抖动,由微处理器计算相应的移动量,由驱动部分对CCD移动,以达到防抖目的。目前,一般相机的防抖(CCD防抖或光学防抖)不是无限可以补偿,一般为2~~3级,按表一来说,假设安全快门1/125,2级,快门速度1/30,快于此速度,容易拍清晰的照片,由此类推,3级,快门速度为1/15。表2为三种防抖方式的比对表

　　图1 光学防抖结构示意图

　　图2 CCD防抖示意图

　　表1 摄影组合级数

　　表2 防抖方式比对表

　　MEMS陀螺仪(Gyro), 微机电系统(MEMS)技术的飞速发展已经允许制造商在微型芯片上制造出完整的陀螺装置。MEMS陀螺仪背后的物理现象就是科里奥利效应(Coriolis)。如图3,微型块在旋转面上(ω),微型块m将前后振动，因此产生相同频率的垂直科里奥利力。这些力的幅度等于±2ωvm，并直接正比于整个系统的角速度ω。这些力将导致图3所示部件的物体从一边推向另一边，这些位移可以被检测为电容的变化。 此时陀螺仪(Gyro)所需的就是用相关电路去检测电容的振荡，并将它转换为电压，再经整流后输出直流电压。这种电路的目的是将旋转速度转换为电压。MEMS陀螺仪(Gyro)产品最主要特色是整合了MEMS机械设计和制造、混合信号ASIC设计，以及晶圆级封装等技术，开发出兼具小尺寸、低成本与高效能的陀螺仪产品。

　　图3 MEMS陀螺仪的实现。

　　由图2看出，在3D图面上,Z轴有自动聚焦功能，Z轴移动对成像基本没有影响,有影响是在X轴(PITCH)与Y轴(YAW)。图4为在晚上拍照，无防手抖与有CCD防手抖的结果。图5为CCD防抖系统框架，CCD防抖是在镜头上增加CCD支架,利用步进马达对X轴，Y轴的驱动，使CCD移动来补偿CCD的抖动。MEMS陀螺仪选用要有X，Y轴Gyro 芯片，内部含放大，低通,高通滤波,这样可以大大减少相机的尺寸。Gyro 信号连DSP 的AD port，DSP的AD是10bit,满足设计要求。资料运算用相机本身的DSP处理,可以减少一微处理器(Micro),降低成本。DSP 对Gyro传来的ω信息进行运算,计算补偿量,通过马达驱动电路驱动X，Y移动来达到补偿的目的。X轴，Y轴的PI信号是Lens反馈DSP 信息来校正CCD与Lens中心重合，避免补偿过程超出Lens设计的补偿范围。

　　图4 左边照片为没有打开防手抖，右边打开防手抖

　　图5 CCD防抖系统方块图

　　实验证明，一般人手持相机拍照时手抖频率0~20Hz(资料来源：日文版数字摄影杂志 2006/12 )，DSP 对GYRO取样频率设为500~1KHz能够满足系统的要求。图5为抖动的位移示意图，黑色为原来的位置，红色为偏移位置。

　　按Lens的spec可知步进马达每相的移动量(如1.44um)。由公式3可知GYRO感知角速度，就可以计算出CCD的偏移量。

　　d = f * sinθ ------(1)

　　When θ < 20° d = f *θ

　　θ = ∫ω dt -----(2)

　　θ = Σωi * dt

　　→ d = f*Σωi * dt -----(3)

　　d ：偏移量 f :焦距 ω:角速度

　　图6 抖动光路的变化

　　CCD的防抖动系统采用PID自动控制系统(PID就是比例微积分调节)，如图7，P(比例)控制是Gyro侦测的抖动按比例移动CCD,I(积分)控制是调节对时间积分误差，D(微分)是抑制误差产生的超前，如低频power noise补偿。通过调整PID参数,使系统稳定可靠运行,达到设计的目的。同时也要考虑部件对系统的影响,如Power noise对Gyro sense造成的测试误差，步进马达能否达到要求的1000pps，Gyro的低通，高通滤波器等等。

　　图7 PID方块图

　　结论

　　CCD防抖技术可以克服手抖引起的图像模糊，但不是万 能，目前业界补偿的标准也就是安全快门的2~3级，遇到长焦或快门时间过长，超过补偿极限时，带三脚架拍照才是最有效。