数码相机的成像原理
数码相机的成像原理
1.1 数码相机的成像原理在对数码相机的特点和基本组件了解之前，下面来了解一下数码相机是如何工作的，这有利于更好地理解和掌握相机的各项关键参数，深入了解相机的性能。
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。
当用户对准拍摄目标，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，还不能被计算机识别，所以需要通过A/D（模/数转换器）转换成数字信号，然后才能以数据方式进行储存。
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，常用的用于描述二维图像的文件格式包括Tag TIFF（Image File Format）、RAW（Raw data Format）、FPX（Flash Pix）、JFIF（JPEG File Interchange Format）等，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，那么一张数码相片就完成拍摄了，此时通过LCD（液晶显示器）可以查看所拍摄到的照片。
前面只是简单介绍了其大致的过程，下面结合图1-1来详细地介绍相片成像的整个过程。
图1-1 成像原理示意图（1）当使用数码相机拍摄景物时，景物反射的光线通过数码相机的镜头透射到CD上。
（2）当CCD曝光后，光电二极管受到光线的激发而释放出电荷，生成感光元件的电信号。
（3）CCD控制芯片利用感光元件中的控制信号线路对发光二极管产生的电流进行控制，由电流传输电路输出，CCD会将一次成像产生的电信号收集起来，统一输出到放大器。
第4章 数码相机的工作原理
第四章数码相机的工作原理及性能第一节数码相机的电原理框图通过数码相机下面的电原理框图我们就可以了解数码相机的摄影原理上图就是数码相机的主要部件组成和工作原理图。
由图可见，被测景物的光线通过相机的光学镜头传送到CCD图像传感器，CCD将光的强弱光信号转换为相应强度的电量信号再传送至A/D模数转换器，A/D模数转换器再将电量模拟信号转换为二进制数字信号，再传至相机的DSP数字信号微处理器，经过数学处理后的数字信号同时传至相机内部的静态/动态存储器存储和传至图像控制器处理，再由图像控制器将图像数字信号处理后再传至LCD液晶显示器显示被拍摄景物的图像，另外还传至图像压缩器将图像压缩成JPEG等格式后，再传至外接存储卡（闪存卡）以及通过USB连线将图像传至电脑或照片打印机。
由上述可知，数码相机之所以被称为数码相机，其主要道理就是它把二进制数码信号成像，所以称为数码相机。
第二节数码相机的的光电传感器与传统相机相比，传统相机使用“胶卷”作为其记录信息的载体，其原理是胶卷底片上的无数银盐颗粒感光成图像。
而数码相机的“胶卷”就是其成像光电传感器，其原理是光电传感器上的大量光电器件（光电二极管）感光成电图像。
传统相机的底片可以从相机内取出来，但数码相机的光电传感器却是与相机固定一体不可取出的。
光电传感器是数码相机的核心，也是最关键的部件之一。
在数码相机内起着特别重要的作用。
数码相机的发展道路，可以说就是光电传感器的发展道路。
目前数码相机的核心成像部件有两种：一种是广泛使用的CCD（电荷藕合）元件；另一种是新开发的CMOS（互补金属氧化物导体）器件。
⑴ CCD光电传感器CCD光电传感器是电荷耦合器件图像传感器CCD（charge coupled device）. 它是用一种高感光度的半导体材料制成的感光器件，在该器件上集成了数以百万计以上的数目的光电二极管，这些大量光电二极管能各自把接受到的来自被摄景物的不同亮度的光线转变成相应强弱的电荷，这些强弱不同的电荷量再通过A/D模数转换芯片转换为相应大小不同的数字量，最后再由相机内的微处理器将这些数字量处理成像。
数码相机原理简介
注意
注意事项
• 方式必须在三相交叠脉冲的作用下，才能 以一定的方向逐单元地转移。 • 另外必须强调指出，CCD电极间隙必须很 小（一般应小于3um），电荷才能不受阻 碍地从一个电极向另一个电极转移，CCD 便不能在外部脉冲作用下正常工作。 back
CCD特性参数
• 转移效率 • 不均匀度 • 暗电流 • 灵敏度 • 噪声 • 分辨率
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分辨率
• 分辨率是摄像器件是重要的参数之一， 它是指摄像器件对物像中明暗细节的分 辨能力。测试时用专门的测试卡。目前 国际上一般用MTF来表示分辨率。 • 数码相机分辨率的高低，取决于相机中 CCD芯片上像素的多少，像素越多，分 辨率越高。
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CCD在数码相机中的应用
• 批量 信号电荷的转移 • 当CCD的单元电容（也叫光敏二极管）由光照激发产生 电荷并且已经存储在其势阱中，这个时候，需要把这些 信息电荷按次序地批量传输转移到A/D转换器中去。 • 首先要把CCDH上的一个个电容近一定的方式连接起来 ，如图是一种连接 方式。为获取转移功能，在每组电 容器的电极上分别加上V1、V2、V3时钟驱动脉冲，其 波形如图所示。
低通滤光器
低通滤光器是光学滤光器的一种，作用 是滤除空间频率的高频成分中，让低频成分 通过，使图像发晕。 其改变入射光束将会形成差频的目标频 率，达到减弱或消除低频干扰条纹的目的， 特别是彩色CCD出现的伪彩色干扰条纹的目 的。
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红外截止滤光器
红外截止滤光器大多采用镀层或外加滤 镜的形式，它的主要功能是提高成像质量， 以防止CCD对红外线的敏感特性。
数码相机
主讲人：吴厚亚
目录
一.数码相机概述 二.数码相机工作原理 三.性能指标
影响数码相机成像质量的几个因素
影响数码相机成像质量的几个因素文/ 曹 前1.C C D 的分辨率 数码相机的分质量的关键因素。
镜头的功能是将光线聚集到感光面上，它好比相机的“ 眼 睛”。
镜头越好，聚焦点越准确，拍出 的照片越清晰。
在数码相机的选购中对 于镜头的考察主要是考察镜头材质、焦 距大小和变焦能力这三个参数。
随着数码相机的普及及其拍摄的辨率使用图像的绝对像素数来衡量（ 而 不采用每英寸多少像素 D P I 的指标）， 像素数常被用作划分数码相机档次的主 要依据，像素的大小直接决定所拍摄的 图像的清晰度、色彩还原的准确性。
图像质量的提高，印刷公司获取的由数码相机拍摄的原稿越来越多，数码相机逐步成为获取原稿图像的重要 途径之一。
数码相机的成像原理, 简单 的说就是景物通过镜头光学成像系统把 影像聚焦在 C C D 芯片的表面上,再经过 高速 A /D 转换成二进制表示的数据,二 进制数据能够被计算机所识别。
影响数 码相机成像质量的因素是多方面的, 本 文将其归纳为四部分：C C D 芯片的综合 性能、镜头质量、数码相机的色彩深度 和其它因素。
2.个数3C C D 要比单 C C D 的数1. 镜头材质目前数码相机的镜码相机好很多，因为单 C C D 采用单片色还原，而 3C C D 采用每一片还原一种 颜色，这样三片分别负责红、绿、蓝， 不会造成像单片集中还原的相邻像素偏 色的情况，而且 3C C D 无论防抖功能还 是最低照度都要比单 C C D 性能好，所 以在可以承受的价位情况下，当然要选 择 3C C D 。
头材质主要有玻璃和塑料两种。
虽然全玻璃镜片投射图像最清晰，但并不是说 玻璃透镜的相机就一定比塑料材质的机 种好。
这是因为光学的成像相当复杂， 一定程度上还要受到透镜组设计的影 响，而且玻璃材质较塑料材质更重，还 可能影响相机整体的重量。
一、C C D 芯片对成像质量的影响2. 焦距大小焦距这个参数在数3.面积 C C D 的面积与图像质量码相机的技术规格上一般会标示为 F 值(代表最大光圈)和 f 值(代表焦距长度)。
数码相机成相的原理
数码相机成相的原理数码相机成像的原理是利用光学、电子和图像处理技术，将物体反射的光线转化为电信号，并通过数字处理将其转换为数字图像。
具体而言，数码相机的成像过程主要分为光学采集、光电转换和数字图像处理三个阶段。
首先是光学采集阶段。
数码相机的镜头系统通过对光线的折射、聚焦和控制，将来自被摄对象的光线收集并聚焦到感光元件上。
镜头通过调节焦距来调整画面的清晰度和放大倍数，光圈大小则控制进入相机的光量。
镜头中的镜片会通过折射和反射来纠正光线的各向异性和色差，以保证成像的质量。
光学采集后，光线到达感光元件，也就是光电转换阶段。
感光元件主要有两种类型：CCD（Charge Coupled Device）和CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）。
CCD是一种由很多带电荷的晶体管组成的芯片，它将光线转化为电荷信号。
当光线通过透镜系统进入CCD，被感光元件上的光敏区域吸收后，光子会激发其中的电子，使其跃迁到较高的能级上，从而在该位置形成电荷。
感光元件上的晶体管阵列将这些电荷收集并转化为电压信号，再通过模数转换器（ADC）将其转化为数字信号。
CMOS则是一种基于硅制成的有源式感光器件，与CCD相比，CMOS有着更低的功耗和更快的数据读取速度。
CMOS图像传感器上的每一个像素都有一个光电二极管及其相应的电荷转换、放大和读取电路。
当光线进入CMOS感光元件，每个像素中的光敏元件会产生一定的电荷，这些电荷会被传感器上的转换电路转化为电压信号。
每个像素的电压信号被转换为数字信号，并通过数据线传送到后续的处理电路。
经过光电转换后，数码相机会产生一幅由数字信号构成的原始图像。
然而，由于光线的散射和干扰等因素，原始图像会出现一些噪点、失真和色差等问题。
因此，还需要进行数字图像处理来提高图像质量。
数字图像处理阶段主要包括图像增强、去噪和色彩校正等过程。
其中，图像增强主要通过增加对比度、调整亮度和锐化边缘等方式，使图像更加清晰和细腻。
数码相机成像过程
数码相机成像过程1．经过镜头光聚焦在CCD或CMOS上2．CCD或CMOS将光转换成电信号3．经处理器加工，记录在相机的内存上4．通过电脑处理和显示器的电光转换，或经打印机打印便形成影象。
具体过程：照相机的工作原理(4张)对胶片相机而言，景物的反射光线经过镜头的会聚，在胶片上形成潜应影，这个潜影是光和胶片上的乳剂产生化学反应的结果。
再经过显影和定影处理就形成了影像。
数码相机是通过光学系统将影像聚焦在成像元件CCD/ CMOS 上，通过A/D转换器将每个像素上光电信号转变成数码信号，再经DSP处理成数码图像，存储到存储介质当中。
光线从镜头进入相机，CCD进行滤色、感光（光电转化），按照一定的排列方式将拍摄物体“分解”成了一个一个的像素点，这些像素点以模拟图像信号的形式转移到“模数转换器”上，转换成数字信号，传送到图像处理器上，处理成真正的图像，之后压缩存储到存储介质中。
编辑本段分类划分照相机一般可按其使用技术特征如：画幅大小、取景方式、快门形式、测光方式来分类，也可按照相机的外形和结构来分类。
具体分类情况如下：汤姆900照相机1、照相机根据其成像介质的不同可以分为胶片相机与数码照相机以及宝丽来相机。
胶片相机主要是指通过镜头成像并应用胶片记录影像的设备。
而数码照相机则是应用半导体光电耦合器件和数字存储方法记录影像的摄影设备，有使用方便，照片传输方便，保存方便等特点。
宝丽来相机又称一次成像相机，是将影象直接感光在特种像纸上，可在一分钟内看到照片，合适留念照等。
2．按照相机使用的胶片和画幅尺寸可分为35mm照相机(常称135照相机)、120照相机、110照相机、126照相机、中幅照相机、大幅照相机、APS相机、微型相机等。
135照相机使用35mm胶片，其所拍摄的标准画幅为24mm X 36mm，一般每个胶卷可拍照36张或24张。
3．按照相机的外型和结构可分为平视取景照相机(VIEWFINDER)和单镜头反光照相机（单反相机）。
数码相机成像原理
电子知识相机成像(1)数码相机(269)数码相机成像原理传统相机使用碘化银感光材料(即胶片)作为保存影像的载体。
人们通过镜头将影像的光线汇聚，再通过按动快门打开快门帘将汇聚的光线投射到胶片上，胶片中的碘化银会根据光线中不同的颜色波长凝结成不同的图像保存在胶片上。
相机机身的作用是一个暗箱。
数码相机使用的是CCD或者CMOS等感光电子元件作为感光介质。
使用它们可以使镜头聚焦的光线由光信号转变为电信号，再经过模拟数字转换器转换成数字信号，压缩和存储为特定图像格式保存在存储介质上(可以反复使用)。
对于数字相机，成像过程远远比胶片上复杂。
但不管数字成像技术如何发展，成像原理和基本要素还是和胶片成像过程相类似的。
数字相机也有镜头，但通过镜头的光线不再像胶片相机中那样投射到胶片上，而是直接射在感光器的光敏单元上，这些感光器由半导体元件构成，由数字相机的内臵智能控制装臵对入射光线进行分析处理，并自动调整合适的焦距、暴光时间、色度、白平衡等参数，然后将这些数据传送给模/数转换器ADC(Analog Digital Converter)，ADC最后把这些电子模拟信号转换成数字信号。
数字相机的内部还具有若干智能处理器，包括一些特定用途的集成电路(ASIC)和主CPU。
按照这些内部处理器预设的运算法则和标准处理程序，所有数据经处理最终生成一个图像文件，然后存储在相机内部的电子存储器中。
当这些过程结束后，图像文件就能够传输到计算机中，经由打印机输出或者显示在电视屏幕上。
同时图像文件也能够在相机内部显示，通过自带的LCD显示屏进行预览，并利用相机LCD显示屏的操作菜单进行处理，对于不满意的图像可以删除后重新拍摄。
摄像者能够通过相机控制面板上的众多开关、按钮来进行参数预设，数字相机的智能控制设备则经过如上步骤繁琐的过程不断调整操作系统设臵，从而精准记录图像。
这一切繁杂的数据处理的全部过程就发生在你手掌中那个轻灵而精致的相机中。
数码摄影实验报告原理(3篇)
第1篇一、引言随着科技的不断发展，数码摄影技术已经成为了人们生活中不可或缺的一部分。
数码摄影实验是学习摄影技术的重要途径，通过实验，我们可以深入了解数码摄影的原理，掌握摄影技巧，提高摄影水平。
本文将围绕数码摄影实验的原理进行探讨。
二、数码摄影的基本原理1. 光学成像原理数码摄影的基础是光学成像原理。
当光线通过镜头进入相机内部，经过一系列的光学元件（如光圈、快门、焦平面等）的作用，最终在感光元件上形成图像。
光学成像原理主要包括以下三个方面：（1）物距和像距的关系：根据光学成像原理，物距和像距之间存在一定的关系，即物距越大，像距越小，成像越清晰。
（2）成像规律：当物距大于二倍焦距时，成像为倒立、缩小的实像；当物距等于二倍焦距时，成像为倒立、等大的实像；当物距小于二倍焦距时，成像为正立、放大的虚像。
（3）景深：景深是指被摄物体在照片中能够清晰成像的范围。
景深的大小取决于光圈、焦距和拍摄距离等因素。
2. 数码成像原理数码相机的感光元件将光学成像转换成数字信号，再经过图像处理，最终输出为数码图像。
数码成像原理主要包括以下三个方面：（1）感光元件：数码相机的感光元件通常为CCD或CMOS，它们将光信号转换成电信号。
（2）模数转换：将模拟信号转换成数字信号的过程称为模数转换。
数码相机通过模数转换器将感光元件输出的电信号转换成数字信号。
（3）图像处理：数码相机对数字信号进行一系列处理，如白平衡、对比度、锐度等，以优化图像质量。
三、数码摄影实验原理1. 光圈、快门、ISO的关系在数码摄影实验中，光圈、快门和ISO是三个重要的参数，它们共同影响着曝光和成像效果。
（1）光圈：光圈大小决定了进入镜头的光线量。
光圈越大，进光量越多，成像越亮；光圈越小，进光量越少，成像越暗。
（2）快门：快门速度决定了光线照射到感光元件的时间。
快门速度越快，曝光时间越短，画面越清晰；快门速度越慢，曝光时间越长，画面越容易产生模糊。
（3）ISO：ISO值表示感光元件对光线的敏感程度。
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1.1 数码相机的成像原理
在对数码相机的特点和基本组件了解之前，下面来了解一下数码相机是如何工作的，这有利于更好地理解和掌握相机的各项关键参数，深入了解相机的性能。
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。
当用户对准拍摄目标，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，还不能被计算机识别，所以需要通过A/D（模/数转换器）转换成数字信号，然后才能以数据方式进行储存。
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，常用的用于描述二维图像的文件格式包括Tag TIFF（Image File Format）、RAW（Raw data Format）、FPX（Flash Pix）、JFIF（JPEG File Interchange Format）等，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，那么一张数码相片就完成拍摄了，此时通过LCD（液晶显示器）可以查看所拍摄到的照片。
前面只是简单介绍了其大致的过程，下面结合图1-1来详细地介绍相片成像的整个过程。
图1-1 成像原理示意图
（1）当使用数码相机拍摄景物时，景物反射的光线通过数码相机的镜头透射到CD上。
（2）当CCD曝光后，光电二极管受到光线的激发而释放出电荷，生成感光元件的电信号。
（3）CCD控制芯片利用感光元件中的控制信号线路对发光二极管产生的电流进行控制，由电流传输电路输出，CCD会将一次成像产生的电信号收集起来，统一输出到放大器。
（4）经过放大和滤波后的电信号被传送到ADC，由ADC将电信号（模拟信号）转换为数字信号，数值的大小和电信号的强度与电压的高低成正比，这些数值其实也就是图像的数据。
（5）此时这些图像数据还不能直接生成图像，还要输出到DSP（数字信号处理器）中，在DSP中，将会对这些图像数据进行色彩校正、白平衡处理，并编码为数码相机所支持的图像格式、分辨率，然后才会被存储为图像文件。
（6）当完成上述步骤后，图像文件就会被保存到存储器上,我们就可以欣赏了。
1.2 数码相机的基本部件
无论是哪种款式的数码相机，大都包括图1-2、图1-3出示的基本组件。
图1-2 数码相机正面
图1-3 数码相机背面
1.2.1 镜头
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。
如图1-4所示为索尼DSC-F828机型上采用的卡尔·蔡司镜头。
图1-4 索尼DSC-F828机型上采用的卡尔·蔡司镜头
虽然由于感光元件分辨率有限，对镜头的光学分辨率要求也比较低，但由于普通数码相机的影像传感器要比传统胶片的面积小得多，因此镜头的解析度需要很高，一般来说，数码相机采用的光学镜头的解析能力一定要优于感光元件的分辨率。
例如，对于某一确定的被摄目标，水平方向需要100个像素才能完美再现其细节，如果成像宽度为10mm，则光学分辨率为10线/mm的镜头完全能够胜任；若成像宽度为1mm，则要求镜头的光学分辨率必须在100线/mm以上。
传统胶卷对紫外线比较敏感，进行外拍时经常需要加装UV镜，而CCD对红外线比较敏感，在镜头上增加特殊的镀层或外加滤镜会大大提高成像质量。
另外，镜头的物理口径也是一个需要考虑的因素，无论镜头的相对口径如何，其物理口径越大，光通量就越大，成像质量也就越好。
一个好的镜头可以使影像清晰细腻、色彩准确、减小变形，若要想得到较高品质的图像效果，可选择具备大口径、多片多组、包含非球面透镜和优质镀膜的高质量镜头，可加装滤镜的数码相机。
镜头表面的标志如图1-5所示。
图1-5 镜头
目前市场上数码相机的镜头主要包括两个系列，一个是佳能、尼康等品牌的日本镜头，其性能好，价格高；另一个是卡尔·蔡司、莱卡等品牌的德国镜头，该类产品的成像质量很高，其价格也相对较昂贵。
1.2.2 闪光灯
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。
图1-6、图1-7示出了数码相机的内置闪光灯。
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，下面分别介绍一下这些闪光灯的不同模式。
1．自动闪光
一般情况下，普通数码相机在默认设置时，闪光灯模式都预置在“自动闪光”模式下。
这时，相机会自动判断拍摄周围的光线是否充足，如果检测到光线不足，在拍摄时就会自动打开闪光灯进行闪光，以弥补光线不足。
在该模式下可以完成大部分的拍摄任务。
2．强制闪光
它是指无论在强光或弱光环境中，都开启闪光灯进行闪光。
该模式常用于对背对光源的人物进行拍摄。
例如拍摄一个光线较暗房间内的人物，若人物背对着明亮的窗户，人物正面的光线不足，这样拍摄出来人物可能处于阴影中，图像不太清晰，遇到这种情况时，可以启动强制闪光模式，给主体正面补光，这样就可以得到受光均匀的照片。
图1-6 索尼数码相机的内置闪光灯
图1-7 内置闪光灯
3．关闭闪光
它是指无论周围拍摄环境的光线强度如何，都不启动闪光灯，该功能适用于一些禁止使用闪光的场合，如音乐会、博物馆等。
如果需要拍摄一些特殊效果的相片，关闭闪光灯后在黄昏或光线微弱的环境中拍摄，可以得到氛围自然的画面。
4．消除红眼
所谓红眼，是指数码相机在闪光灯模式下拍摄人物特写时，在照片上人眼的瞳孔呈现红色斑点的现象。
要避免红眼发生，可打开数码相机的“消除红眼”模式，先让闪光灯快速闪烁一次或数次，使人眼瞳孔缩小并适应之后，再进行正式的闪光与拍摄。
5．慢速同步闪光
慢速同步闪光是相机与闪光灯配合而实现的一种高级功能，当在光线较暗的环境下拍照时，如早晨、傍晚或者有一定灯光照明的晚上，如果使用闪光灯加较快的快门速度进行拍摄，可能会出现前景主体太亮，而背景灰暗，无法辨认更多细节的现象，而启用慢速同步闪光功能则会降低相机的快门释放速度，以闪光灯照明前景，配合慢速快门为弱光背景曝光，这样，可以保证主体曝光正常的同时使背景适当曝光，以拍摄出前后景都和谐曝光的照片。
慢同步具有前同步和后同步两种模式，前同步是指在快门完全开启后立即闪光，它便于捕捉拍摄时机，适合于一般情况下使用，如拍摄人物的神态等；后同步是指在快门将要关闭的时候闪光，它可以拉出动态物体的运动轨迹，形成强烈的动感效果，所以适合于拍摄动态的对象。