摘要：本文力图用最简单的语言介绍相机成像原理，从光影反射，经过透镜，sensor感光到AD转换，DSP数字信号处理，再经过后期算法得到最终效果。接下来，阐述了各模块功能和处理方法，最后介绍一些图像效果评价概念和方法。本文适用于摄影初学者，初次购买单反以及图像效果相关领域的人做初步了解。

首先，我们来简单认识一下单反，对于单反而言，主要分为两个部分，机身和镜头。镜头的作用主要是用来聚焦和成像，不同的场合需要不同的镜头，主要跟其焦段有关，比如说拍摄大场景，除了拍摄者离画面尽可能远从而获得较大视角之外，还可以采用广角焦距，大的FOV（视场角）可以保证尽可能多的场景囊括在画面当中。同时，镜头上还有一个很重要的参考指标：光圈大小，光圈越大，色散和结构控制越难，价格越贵，但是其景深越浅，还能够实现更短的快门时间。另外，在镜头上还有一个重要的组件——对焦系统，比如镜头上标注的USM（超声波马达）/STM（步进马达）。而对于机身而言，主要功能是完成光电信号转换，数字图像处理，以及实现最终JPG/RAW图的输出，购买单反主要参考的指标包括Sensor大小（全画幅/半画幅），图像处理器，像素大小等，其中，sensor大小尤为重要。那么单反是如何完成成像的呢？图像质量好坏该如何评价呢？

单反机身和镜头

一光成像原理

本部分内容主要解释几个问题：1，光是如何成像的呢；2，为什么可以成像并记录下来；3，如何形成彩色图像。4，感光基本单位是像素，像素是否可以无限小？

1.1，光是如何成像的呢？

相机成像过程经常和我们的眼睛系统进行类比，当我们眼睛看到一个画面时，其实是太阳光线的反射，然后反射光经过晶状体聚焦，将画面落到视网膜上，此时人眼中的视锥细胞（颜色）和视感细胞（亮度）分别感受到光线，再经过大脑神经系统处理形成画面，最后传输给我们。而同样的，当我们要拍摄一个建筑物时，取景框选中建筑物，选择合适的曝光参数以及对焦点，此时按下快门，建筑画面光线经过镜头聚焦到相机底片上感光，形成画面，基本原理同小孔成像。

小孔成像原理

光线进入单反镜头线路图

1.2，为什么可以成像并被记录下来？

对于眼睛而言，视锥细胞（颜色）和视感细胞（亮度）分别能对不同波长的光进行相应，从而实现可见光的有效识别。但是对于sensor而言，并不能智能筛选，因此，需要其他的方法。首先，人眼主要是能够有效感知波长在380nm-760nm，即可见光，因此镜头里面通常会有IR CUT滤光片，主要作用就是滤除红外光。其次，sensor主要材料是Si，硅有一个非常好的特点在于，其禁带宽度为1.12 eV左右，因此，根据能带理论，波长小于1200nm的电磁波都能使之有效的响应。另外，因为拍摄的时候主要的光线为反射光，大部分紫外光（短波）都被吸收掉了，因此si材料能够很好的实现可见光范围内的响应。SI材料价带里面的电子吸收光子能量之后，发生跃迁，穿过禁带，到达导带，形成自由电子，从而产生电荷信号，实现了光信息到电信号的转变。这些电信号即像素的亮暗信息，经过被放大，数模转换，以及后续DSP处理成像raw图信息存储下来，之后再经过一系列图像处理技术输出成JPG。

$λ=C/ν=C⁄(E/h)=ch/E$

不同颜色光波长对应图

1.3，如何形成彩色图像。

彩色图像对应的是黑白图像，上个世纪中期，法国人达盖尔发明了第一台可携带式照相机，当时使用碘化银显影技术，但只能拍摄黑白光影，并且需要很长的曝光时间，约20分钟左右。

“达盖尔银版摄影术相机图

实际上，对于现阶段的CCD或者CMOS而言，也只是能够感应光的信号强弱，并不能区别不同的波长/颜色。曝光时间越长，感应的信号电荷越多，电流信号越大，灰度值就越大，亮度值就越高。如果是8bit储存亮暗信息，即最暗是0，全黑，最亮是255，全白，不同信号强度就对应不同的灰度值，但最终也只是灰度图片，并不能形成颜色信息。为了实现彩色影像记录，工程师们发明了滤色片，即白光经过滤色片之后，只能保留某一种颜色的光，而所有颜色的光都可以通过三原色（红R、绿G、蓝B）混合而成，因此如果在某一个像素上覆盖RGB三种滤色片，经过三次曝光然后将三次电荷信息合在一起即可实现彩色信息输出。但是工艺上需要做三层底片，且技术处理复杂，价格昂贵，后续逐渐被其他方法取代，其中Bayer阵列是最为成功的一种方法。简单地来说，就是通过设置RGGB阵列滤色片，然后通过插值计算，还原每个像素应该记录某场景最原始的颜色信息。

Bayer Pattern

具体来讲，即在每个像素上面覆盖一种滤色片，每一个像素都会对应一种颜色亮暗信息，如下图所示，以GRRB bayer为例，R滤色片经过光线过滤，只允许红光穿过，因此该像素只记录红色信息，G/B原理类似，最终形成RGGB马赛克的图形。

拜耳滤色片光线示意图

形成马赛克图像之后，需要进行去马赛克处理，即Remosiac基础，其实就是一个插值算法，猜像素原始正确的颜色信息，比如说最邻域插值，双线性插值等等。

马赛克图像和去马赛克之后的图像

1.4 认识像素，是否存在极限分辨率？

图像最小单元是像素，最开始银盐胶片最小单元/像素是卤化银晶体颗粒，其直径范围为20～50微米到50纳米间，大部分直径大小在0.1～4微米，因此135胶片相机的像素大约为4-16M像素。随着CCD工艺的发展，人们指定了相同大小的像素尺寸，假设24*36mm（35mm）的sensor大小，随着像素尺寸的缩小，能够实现更大的像素分辨率。但是，单pixel面积越小，需要更大的光圈来减小可见光衍射对几何光学的影响，主要跟艾里斑有关，因此存在极限分辨率。

卤化银底片电子显微镜图

$sin⁡θ=1.12λ/D$

光的衍射(Diffraction)指光在传播路径中，遇到障碍物或小孔(狭缝)时，偏离直线绕过障碍物继续传播的现象。光经过圆形口径后成像，并不会汇聚成绝对的点，而是形成明暗相间，距离不等的同心圆光斑，其中中央斑最大，集中了84%的能量，可以看作衍射扩散的主要部分，被称为Airy Disc(爱里斑)。因此如果两个相邻点形成的Airy Disc的角距离小于一个Airy Disc角距离时，这两个点无法分辨。也就是说如果两成像点如果混合在一块的时候，理论上人眼就分不清了。因此对于光圈为圆形或类圆形的镜头，其衍射极限分辨率就是AiryDisc的直径。

$DLA=P/1.12λ$