數(shù)碼相機原理

1、數(shù)碼相機原理當幾年前有人提出數(shù)碼相機（下文昵稱DC）在未來必定取代傳統(tǒng)銀鹽相機時，很多人都對這一在當時看來頗為荒謬的論調(diào)嗤之以鼻，而現(xiàn)在看來隨著DC銷量的井噴式增長、傳統(tǒng)菲林銷量的下挫，DC在開創(chuàng)數(shù)字時尚玩物新概念的同時，也在潛移默化的改變著人們沿襲了多年的生活方式。筆者深感有義務讓更多的消費者了解與DC相關的一些技術原理，以便在選購乃至使用中愈發(fā)的得心應手，便由此萌發(fā)了撰寫這一系列文章的念頭。在當前的大環(huán)境下，“這款相機是多少萬像素”想必是我們最常聽到的一句話了，時至今日影像傳感器（Image Sensor）的“像素”仍是消費者選購DC的第一考慮因素，不可否認像素有著駕馭最終成像質(zhì)量的能力，

2、但DC商品化至今我們也逐漸感受到，像素的增加在某種程度上并未對畫質(zhì)提高起到積極的作用，這無疑與我們的傳統(tǒng)思維大相徑庭。索尼F828的800萬像素2/3英寸CCD與R1的千萬像素APS-C尺寸CMOS目前流行在數(shù)碼影像業(yè)中的影像傳感器主要分三種：幾乎被索尼和松下壟斷的CCD，富士獨家技術Super CCD，還有就是前不久才運用到DC產(chǎn)品中的CMOS。從上世紀七十年代世界上一臺數(shù)碼相機誕生以來，CCD從最初發(fā)展到500萬像素耗費了近三十年時間；而從500萬跳躍到800萬像素只用了1年多時間，打破了原本每1年提升100萬像素的慣例，之后又因畫質(zhì)原因開倒車推出了700萬像素，接著消費者等待了約兩年時間

3、，期間出現(xiàn)的900萬像素Super CCD讓我們對千萬像素到來的期待愈發(fā)強烈，不久前索尼終于引領我們跨過了這不可逾越的鴻溝，但主角卻變成了CMOS。往事歷歷在目，回顧影像傳感器的發(fā)展仿佛就是數(shù)碼影像業(yè)發(fā)展的血淚史！CCD物理結(jié)構與工作原理一、尺寸折算與物理結(jié)構我們常在DC的基本參數(shù)中看到該型號使用了多少英寸多少像素的CCD，比如1/2.7英寸300萬像素、1/1.8英寸500萬像素，這其中“1/X英寸”到底是怎么計算出來的呢？這時有人就參照電視機顯象管的尺寸標識，將這個參數(shù)理解成CCD對角線的長度，這是一種不太嚴謹?shù)恼f法。需要注意的是“1/X英寸”并不是CCD的尺寸單位，而是CCD的長寬比例。

4、這沿襲了上個世紀五十年代初電視顯象管規(guī)格的4:3標準，故我們不能說是CCD對角線長度的原因就在于此。由于CCD是在晶圓體上通過特殊工藝蝕刻出來的，遵循統(tǒng)一的4:3的長寬比例這一行業(yè)標準，能更有效的控制生產(chǎn)成本。但是當我們按這個標準折算CCD尺寸的時候就會發(fā)現(xiàn)，算出的面積往往比真實面積大出許多，這是因為“1/X英寸”表示的是包括電路部分在內(nèi)的整塊CCD的對角線長度，并非CCD中感光核心部分的對角線長。事實上我們現(xiàn)在所接觸到的CCD尺寸的說法是參考傳統(tǒng)攝像機內(nèi)的真空攝像管的對角線長短來衡量的，它嚴格遵守了Optical Format規(guī)范，中文譯名為光學格式，其數(shù)值稱為OF值，單位為英寸。因此CCD

5、尺寸的標準計算方法是其實際對角線長度（單位：mm）/16，我們以1/1.8英寸的CCD作例，這個1/1.8英寸就是計算公式中的OF值，161.88.89mm，這就是該CCD感光核心部分對角線的實際長度了，這下大家都心里有數(shù)了吧。現(xiàn)在讓我們來探討一下CCD的物理結(jié)構，CCD僅僅是一種在硅基板表面通過絕緣膜使大量獨立的、透明的光電二極管（下文簡稱電極）排列起來的固態(tài)電子元件（如圖1），若按CCD內(nèi)部的電極排列來分，現(xiàn)在DC中普遍采用的都為矩陣型結(jié)構，其特點是色彩表現(xiàn)力更強、光譜范圍更廣和色彩密度更高等諸多優(yōu)勢。圖1如傳統(tǒng)菲林膠片一樣，CCD也包含了多個結(jié)構層，由上至下分別為感光層、色彩還原層、信號

6、轉(zhuǎn)換層（如圖2）。圖2目前作為整個光電半導體行業(yè)老大的索尼將其專利技術融入其中，故業(yè)內(nèi)大部分品牌的DC中都裝載了索尼的Super HAD CCD，中文譯名為超級空穴堆積CCD。這里我們就結(jié)合出鏡率最高的索尼CCD來對其構成作進一步的說明，CCD頂部感光層的專業(yè)術語叫做“微透鏡”（Microlens），如圖3所示，Super HAD CCD改變了傳統(tǒng)CCD內(nèi)部微透鏡的形狀和排列，縮小了兩兩間的相鄰間距，增強了微透鏡下面感光電極對入射光線的吸收率，進而提升了電極對光線的敏感度，如圖4所示，紅色線條表示Super HAD CCD隨光線強度變化的敏感度曲線，藍色則為傳統(tǒng)CCD的敏感度變化曲線。圖4二、

7、信號的傳輸方式大家可能都對CCD的成像原理略有所知，但對于其內(nèi)部的信號傳輸方式卻知之甚少。在光電半導體行業(yè)內(nèi)CCD的輸出方式分相互傳遞型和單一傳遞型兩種，其中“相互傳遞方式”早已成為CCD制造中的主流技術，包括出貨量最大的索尼CCD。下面就對該技術進行分析。圖5圖5為我們揭示了CCD結(jié)構層中最底層的工作原理，可見圖中每一個感光電極都對應了一個信號垂直傳輸單元，當光線透過鏡頭射到CCD表面時，相應強度的電荷量就被蓄積在電極下面，每單位蓄積電荷量的多少取決于每單位感光電極受到光照的強弱，當我們按下快門釋放開關，各單位上的電信號（電流或電壓）被輸送到A/D（模擬/數(shù)字）轉(zhuǎn)換器上，這就完成了一次光電信

8、號的轉(zhuǎn)換與傳輸過程?，F(xiàn)在讓我們參照圖5，以電極排列是三行四列的模擬圖示具體理解相互傳遞型的工作方式。先從圖中的C行開始：第一步、DC集成電路中的時鐘發(fā)生器（Clock Drivers）發(fā)送驅(qū)動脈沖，使C行四列全部電極下蓄積的電荷往左邊的垂直傳輸單元輸送；第二步、時鐘發(fā)生器繼續(xù)對垂直傳輸單元發(fā)送驅(qū)動脈沖，使電荷縱向轉(zhuǎn)移至CCD的底部；第三步、重復上述兩個步驟后，整個C行的電荷被全部輸送到CCD底部的水平傳輸單元；第四步、時鐘發(fā)生器繼續(xù)對水平傳輸單元發(fā)送驅(qū)動脈沖，將c行四列的全部電荷順次輸出至集成電路上的A/D轉(zhuǎn)換器中，這時便完成了對整個C行電荷的輸出；第五步、重復上述四步將其余兩行的蓄積電荷量全

9、部輸出至A/D轉(zhuǎn)換器中。這就已經(jīng)完成了光信號到電信號的轉(zhuǎn)換了。CCD還原色彩的秘密一、彩色濾鏡的結(jié)構經(jīng)過上文剖析的信號轉(zhuǎn)換后，此時得到的還是一個灰調(diào)的影像，必須經(jīng)過色彩還原才是我們最終見到的絢麗多彩的數(shù)碼照片。CCD對環(huán)境色彩的還原過程有一個專業(yè)術語叫做“白平衡”。由于CCD中的感光電極只能感受光線的強弱，對光的色彩卻完全沒有分辨能力，因此CCD都使用了“彩色濾鏡”（Color Filter Array），這正是其結(jié)構中的色彩還原層，濾鏡的作用是只能讓特定波長的光線通過，從而達到攝取所需顏色的目的。通過前文的講解我們都已經(jīng)知道了在CCD內(nèi)部感光電極為矩陣形排列，因此一一對應對應的彩色濾鏡也為矩

10、陣型結(jié)構，其排列方式具有相當?shù)囊?guī)律性，按照過濾的色彩不同而被分為三種。在DC發(fā)展的初級階段，CCD中使用的都是補色（Complmentary）濾鏡，如圖6所示其也被成為“CMY濾鏡”，分別代表了可以過濾青、黃、綠、洋紅，四種顏色光線。圖6而現(xiàn)在原色（Primary）濾鏡為業(yè)內(nèi)通用的色彩還原技術，如圖7所示，其中包含綠色（G）、藍色（B）和紅色（R）濾鏡單元，故又被親切地稱為“RGB濾鏡”。圖7至于第三種我們可以當作是曇花一現(xiàn)的技術，它就是索尼在2003年底發(fā)布的800萬像素F-828中所使用的4color濾鏡技術，索尼認為傳統(tǒng)的RGB濾色方式是為了適應彩色電視機和電腦顯示器的色彩特性應運而生的

11、，但與人眼的視覺感受略有不同，才會出現(xiàn)顯示的顏色與真實顏色間有一定微妙的差異，因此4color濾鏡結(jié)構在原來的RGB三色濾鏡結(jié)構的基礎上添加了一組翡翠綠色（Emerald）的濾鏡單元（圖8）。圖8二、色彩還原的算法為了能更清楚地說明色彩還原這個過程，我們姑且先將一個電極加一片濾鏡構成的單元當作最終照片中的一個像素。例如使用500萬像素的DC拍照，最大可以拍攝分辨率為25921944的照片，這表示照片中有25921944個像素點，若我們將照片的分辨率設定在16001200，這時千萬不要誤認為這么多像素中只有16001200個像素點參與成像，而是整個CCD感光面積都感受光線，接下來以原色濾鏡為例具

12、體剖析CCD進行色彩還原秘密的時候就容易理解的多了。參照圖7的原色濾鏡結(jié)構示意圖，我們發(fā)現(xiàn)其排列為G-R-G-R（綠、紅、綠、紅）一行，另一行則為B-G-B-G（藍、綠、藍、綠），從而依次構成了分布均勻的RGB排列，這在影像工業(yè)中被稱為三原色，通過相互間加權運算的組合，幾乎能構成我們現(xiàn)實生活中的所有色彩。仔細一算這才發(fā)現(xiàn)紅色、藍色單元與綠色單元的比例為1:1:2，這是由于CCD本身材質(zhì)的光敏特性導致了其對綠色光線敏感度不及紅色與藍色光線，因此通常需要2個綠色單元配合1個紅色單元和1個藍色單元。經(jīng)過如圖9所示的光線濾色后，每個濾鏡對應的電極下都蓄積了相應的色彩信息。現(xiàn)在我們可以想象出經(jīng)過色彩過濾

13、后的“數(shù)碼照片”是個什么樣子了，應該是1/4為紅色、1/4為藍色，剩下的1/2為綠色的“馬賽克”式的圖案，這樣的照片與我們腦海中絢麗多彩的數(shù)碼照片的模樣相差甚遠，當然啦，色彩還原進行到這一步僅僅是提取了被攝場景中的紅、綠、藍三種元素。圖9在這里筆者先要說明的是對三原色進行加權計算就不完全是CCD的工作了，此時影像處理器（Image Engine）也在依照DC內(nèi)置的軟件算法配合CCD對色彩信息進行協(xié)同處理。可惜的是每單位像素點只能記錄三原色其中一種顏色的數(shù)據(jù)，必須湊足三原色才能進行相互間的加權組合，因此影像處理器就會通過某一像素點周圍其他像素的色彩信息來進行色彩還原。參看圖10所示的色彩還原示意

14、圖，以圖中B2像素為例，該像素只留有綠色信息，周圍分別有2個藍色像素（B1/B3），2個紅色像素（A2/C2）和4個綠色像素（A1/A3/C1/C3），影像處理器便利用周圍這8個像素點的色彩信息，再結(jié)合B2像素本身的數(shù)據(jù)進行環(huán)境色彩的還原，經(jīng)過色彩疊加后才能最終形成數(shù)碼照片中的一個真實像素。其他像素點的色彩還原同出一轍，可見每一個實際像素的生成都有周圍8個三原色像素點的參與，比如B2本身在被還原的同時也將色彩信息提供給周圍8個像素進行色彩還原，被加權計算了8次，正因如此數(shù)碼照片才會變得如此靚麗。圖10三、補色與原色的差異補色濾鏡技術早在2001年左右就已經(jīng)淘汰出了DC領域，但直到現(xiàn)在仍有相當多

15、的數(shù)碼攝像機（昵稱DV）仍在使用該技術進行色彩還原，這里就順便介紹兩種技術間的差異?，F(xiàn)在我們都知道了原色濾鏡在色彩還原時采用了色彩疊加的加權計算方式，如圖11的混色關系圖所示，補色濾鏡則進行的是減法運算。圖11由于三原色是進行色彩還原的前提條件，所以原色濾鏡直接就可以對環(huán)境色彩進行真實的還原，而補色濾鏡需要先通過減色法構成三原色之后，才能加權計算出更多的真實像素。加權計算的方法和原色濾鏡并無不同，其過程筆者就不再贅述了，但最終的色彩還原效果卻有著天壤之別，補色濾鏡還原出的畫質(zhì)整體對比度偏低、色彩飽和度不足，完全沒有原色濾鏡的艷麗效果（圖12）。圖12四、噪點與壞點筆者身邊相當多數(shù)量的朋友在選購

16、DC時，都對CCD是否會出現(xiàn)噪點（Noise Pixel）或壞點（Dead Pixel）心存顧慮，他們通常都會使用一些所謂的測試軟件進行檢測，先不討論這類軟件的有效性和測試結(jié)果的真實性，光是這樣的測試方法就已經(jīng)步入了誤區(qū)。所謂壞點就是拍攝后我們看見照片中出現(xiàn)了明顯不亮或是永遠亮著的點，這主要是在CCD的制造過程中產(chǎn)生的，也是不可避免的，就像LCD液晶顯示器一樣，無論怎樣改良生產(chǎn)技術，總會生產(chǎn)出一些不良品。無論怎樣最后被用來生產(chǎn)DC的CCD都是已經(jīng)在上游廠商那里經(jīng)過壞點測試的，因此對市場中正在銷售的DC進行各種各樣的CCD壞點測試相信都不會有任何不好的結(jié)果產(chǎn)生。若是在使用了幾年后突然某一天發(fā)現(xiàn)C

17、CD上有壞點產(chǎn)生，這種可能性反而更大一些，這是由于CCD中感光電極的光敏性能降低所致。而噪點如圖13中框住部分所示，則是因DC影像處理時電流變化頻繁過熱引起的，故噪點也被稱為熱點（Hot Pixel），尤其在拍攝夜景的時候特別容易發(fā)現(xiàn)，比如照片中夜晚的天空出現(xiàn)了白點或紅點。很多用戶都認為即使是噪點的話，如果每次總處于同一個位置，那么這個點還能不能算作是CCD上的壞點呢？參考DC廠商的解釋來說，噪點的位置也有始終處于同一位置的可能，因此我們并不能完全將它當作壞點來對待，但這也的確是由CCD中某幾個感光電極的光敏性能降低所造成的。那么對于這類位置固定的噪點，廠商內(nèi)部都是如何解決的呢？他們會用專用的

18、寫入軟件將CCD上固定的噪點在DC的Fireware程序中標注起來，當然我們也可以通俗的理解為屏蔽這個噪點，那么在色彩還原時該點有沒有色彩信息就已經(jīng)不重要了，而是通過周圍8個像素點的數(shù)據(jù)來加權計算出該點的真實像素。噪點只能盡量避免卻不能完全消除，但軟件的屏蔽總歸沒硬件改善來得徹底，只有改善DC內(nèi)部集成電路的設計，才能盡可能避免噪點的產(chǎn)生，這時我們可愛的廠商便開發(fā)成功了影像處理器（Image Engine）作為獨立的影像處理單元，無疑大大降低了包括CPU在內(nèi)的其他硬件回路的工作負荷，降低了因發(fā)熱而形成噪點的機率。Part 1：CCD毫發(fā)必現(xiàn)的奧秘一、解像力概念撥亂反正身為數(shù)碼愛好者的我們，也讀過

19、為數(shù)不少的DC評測了，不少媒體將其中一項重要的評測內(nèi)容稱為分辨率測試，其實Reslution這個詞在這里翻譯成“分辨率”并不合適，正確的中文譯名應該為“解像力”。所謂解像力就DC對被攝物體中細微點像的再現(xiàn)能力，通俗理解就是能夠通過肉眼從最終成像中分辯出很微妙的細節(jié)部分。解像力優(yōu)秀拍出的數(shù)碼照片必定是毫發(fā)必現(xiàn)般地清晰，反之解像力不佳的成像則容易將許多肉眼可見的細節(jié)部分變得模糊，當然這與“銳利度”（Sharpness）這一概念相近，但卻不是同一個概念，因為影像的銳化在某種意義上也依賴于DC內(nèi)部的成像算法。（圖1）ISO12233標準卡目前用于DC解像力測試的工具是業(yè)內(nèi)權威的ISO12233標準卡（

20、圖1），常用的分析軟件是日本奧林巴斯公司開發(fā)的HYRes。一般測試解像力的方法是使用DC拍攝標準卡中黑白相間的、密度越來越大的橫豎條紋，利用成像中線條的反差對比來評估解像力的優(yōu)劣。當拍攝出的照片中黑白線條的走勢越密集，而界線卻越清晰越分明時，我們就認為這款DC的解像能力越高。如圖2所示為HYRes軟件進行解像力評估的放大結(jié)果，將原圖中框住部分由上至下放大10倍、20倍、30倍后分別得到了右邊的三張小圖，結(jié)果顯示了黑白線條從最初的清晰可見到逐漸模糊再到最后混沌一片的漸變過程，可見當線條越是緊密反差也隨之衰減，最終變成全灰色，這就表明這款DC的解像力水平也到了極限。（圖2）解像力測試放大示意圖二、

21、數(shù)碼照片不如傳統(tǒng)膠卷清晰？當前仍有相當多數(shù)的消費者認為DC的成像質(zhì)量不高，甚至還不如傳統(tǒng)銀鹽相機拍攝出的照片毫發(fā)必現(xiàn)般地清晰，除了因拍攝者自身的攝影技術造成的成像模糊外，還與哪些因素有關呢？在這里有必要先對解像力的標示方法做一下解釋，我們常聽說這款DC的解像力達到50線或100線等等，這種數(shù)值標示指的是成像中1mm寬度的范圍內(nèi)可清晰再現(xiàn)的黑色線條的數(shù)目。眾人皆知傳統(tǒng)35mm膠片的面積比CCD要大上好幾倍，因此當同一場景分別被膠片和CCD曝光時，為了保證最終影像的清晰與完整，這就要求DC配備的鏡頭在解像能力方面比起傳統(tǒng)相機所使用的鏡頭素質(zhì)更高。這聽起來挺讓人費解的，為了讓我們弄明白這個問題，先來

22、看圖3所示的傳統(tǒng)膠片解像力示意圖，從圖示我們可知拍攝解像力測試標準卡后，在膠卷底片1mm的實際范圍內(nèi)，傳統(tǒng)相機的鏡頭能夠拍攝出50條黑線，說明這支鏡頭擁有50線的解像能力。再來對比如圖4所示的面積為6.4mm4.8mm的200萬像素CCD拍攝標準卡后的解像力示意圖，在1mm的范圍中該CCD上約有250個像素點，折算后等效于125條黑色線條，故該DC鏡頭的解像力就是125線。圖3 傳統(tǒng)相機解像力示意圖事實上我們可以感覺到一款DC在研發(fā)中，所配備的鏡頭并不是針對已裝載的CCD而重新設計的，比如200萬像素的佳能A60配備的三倍光學變焦鏡頭，到了500萬像素的A95機身上都仍在服役，其內(nèi)部結(jié)構大同小

23、異，頂多只是在原有基礎上進行小修小補。對于類似問題，廠商的解釋都如出一轍，說這支鏡頭在開發(fā)初期就考慮到足夠勝任未來多少萬像素的成像要求。需要注意的是廠商的說法也并非煙霧彈，他們并沒有欺騙消費者，但有時我們甚至發(fā)現(xiàn)同一款DC在成像的清晰度方面存在著個體差異，除了因鏡頭制造過程中允許出現(xiàn)的加工誤差外，這又是什么原因造成的呢？圖4 DC鏡頭解像力示意圖三、毫發(fā)必現(xiàn)的奧秘之前多數(shù)人都將核心部件CCD比作DC中的“心臟”，筆者認為這樣的比喻并不恰當，整部DC與人類眼球的結(jié)構極為相似，如果我們把鏡頭當作“晶狀體”的話，那么CCD就好比最終聚焦的“視網(wǎng)膜”，而整個硬件回路就是“視神經(jīng)”?？梢妼C來說CCD

24、承擔了對焦聚焦的工作，要知道CCD面積相對膠片大幅縮小的同時像距也在縮短，CCD的物理位置幾乎是貼著鏡筒末端的，試想假如CCD前后位置稍有差池的話，勢必會影響到最終的成像效果，通常給我們的感覺就像是成像模糊，當然我們更愿意稱之為對焦不準，但千萬別誤認為這是因拍攝時的抖動造成的。兩者間微妙的距離就決定著整部DC的最終解像能力，如圖5所示，兩者間銜接的空隙完全由背部三顆螺絲的松緊來決定。前文也說到鏡頭在制造過程中無可避免的存在加工誤差，因此理論上每臺DC都必須在工廠內(nèi)部進行CCD解像力的調(diào)整。為了降低本文的閱讀難度，這里就簡單介紹一下大致的調(diào)整方法，以便消費者都能清楚一臺DC經(jīng)過了怎樣的內(nèi)部調(diào)整才

25、最終流到你的手上。圖5 CCD的物理位置在工廠內(nèi)部CCD解像力調(diào)整總共由廣角端水平、垂直解像力調(diào)整，長焦端水平、垂直解像力調(diào)整，這四個主要項目構成。圖6為工廠內(nèi)部的調(diào)整軟件截圖，軟件中的五組CH（下文稱之通道）數(shù)據(jù)分別對應著圖5中CCD背面標注的五個位置。CH-0表示CCD中心的解像力，CH-1、CH-2、CH-3、CH-4分別表示除中心位置外CCD其余四角的解像力。在調(diào)整過程中軟件對CCD的解像力水平進行實時測試與分析，進而反饋給工程師哪個通道的解像力水平不在規(guī)格范圍內(nèi)，工程師隨即對固定螺絲的松緊度進行調(diào)整。比如當圖7中CH-1通道出現(xiàn)紅色的標有“”的數(shù)值時，說明對應的CH-1位置的固定螺絲

26、較緊需適當放松，反之出現(xiàn)紅色的“”數(shù)值則需要擰緊。想必大家已經(jīng)注意到了CH-2位置并無固定螺絲，那么該通道的解像力如何調(diào)節(jié)呢？很簡單，由于CH-2與CH-4成對角線關系，故CH-2的解像力水平由CH-4固定螺絲的松緊度來決定，同樣的CH-0位置的解像力調(diào)節(jié)由三顆螺絲的松緊度共同決定?？傊瓹CD解像力的調(diào)整是件異常繁瑣的工作，只要保證了這五個重點位置的解像力素質(zhì)就能保證CCD整體的解像力水平在標準規(guī)格范圍內(nèi)了。圖6 工廠內(nèi)部調(diào)整軟件截圖可能大家在日常使用中都會有這樣一種感覺，那就是數(shù)碼照片中央位置的成像質(zhì)量比邊緣位置要好一些，這又是怎么回事呢？讓我們結(jié)合圖6左下部分的解像力測試曲線來理解，紅色曲

27、線對應的是CH-0通道，也就是CCD中心位置的解像力曲線，依此類推各曲線對應相同顏色的通道，理想狀態(tài)下各通道的解像力曲線最好重合在一起，但想要達到這種效果基本上很難，因此只要其他通道曲線的波峰在CH-0曲線內(nèi)，我們就算這個解像力結(jié)果在標準的規(guī)格范圍內(nèi)，正是因為如此CCD四個角的成像素質(zhì)永遠都不可能超越中心區(qū)域。Part 2：像素與面積的辯證關系一、像素、面積&畫質(zhì)的三角關系曾幾何時記得一次朋友需要我推薦一款500萬像素DC的時候，思考片刻隨即推薦了一款各方面綜合素質(zhì)都不差，成像質(zhì)量也不錯的產(chǎn)品，哪知好友先是白了我一眼后吐出一句話“別以為我什么都不懂，500萬像素中2/3英寸要比1/1.8英寸的

28、好不少”，聽完本想以理據(jù)爭作些解釋，但最終還是無奈的搖頭走開，心想若是多作解釋恐怕會落得一個某品牌槍手的惡名。筆者舉這個親身經(jīng)歷的事例只是想說，CCD的像素與面積儼然成為了一座由消費者自己親手搭建起來的囚籠，多數(shù)消費者都已淪落到偏面追求高像素，但又忍受不了小尺寸CCD的尷尬境地。在DC商品化初期，像素越高就意味著成像質(zhì)量越好，這話當時被眾多廠商奉為真理，進入2001至2002年這段高速普及的輝煌時期，某廠商由于種種原因并未對產(chǎn)品做像素上的升級，這恰恰違反了大環(huán)境的“真理”，隨后拋出了“像素并不決定性能” 這句頗具煽動力的宣傳口號，也許正是從那時起，像素與性能間才劃上了不等號。一年之后當500萬

29、像素出現(xiàn)在市場中，同像素間2/3英寸和1/1.8英寸的尺寸之爭由此拉開，次年當我們高振雙臂迎接800萬像素時代來臨的時候，小尺寸嚴重制約成像質(zhì)量的論調(diào)更是點燃了消費者討伐廠商以此圈錢的導火線。最后的事實證明，2/3英寸800萬像素CCD是索尼歷史上一款極其失敗的產(chǎn)品，索尼在追求高像素的同時并未增大感光面積，或減小感光電極的單位體積，以致惡劣的成像效果被消費者詬病。廠商們一方面靠挖掘像素潛力來贏得市場，一方面擔心因感光電極密度過大帶來成像下降的問題，另一方面又為了避免過大的CCD尺寸牽涉到對后續(xù)產(chǎn)品及其鏡頭的設計變更，而帶來諸多方面的成本透支。足見像素、面積和畫質(zhì)之間的平衡已使廠商們走入了一個進

30、退維谷的境地。二、高像素意義的誤區(qū)筆者曾在商業(yè)周刊上看到的一篇探討數(shù)碼影像領域近兩年像素之爭的文章中的評論部分，不禁為國內(nèi)當前對高像素意義的狹義理解而深感擔憂，評論中說道：“當像素達到1000萬的時候，這種競爭還有多少意義呢，除非你拍攝的照片都被用來當海報。”從狹隘上理解，這句話確實在理。目前的打印機都只能輸出最大A3畫幅的圖片，更為常規(guī)的尺寸則是A4，在這樣的情況下500萬像素已經(jīng)足夠，但我們并不能就此認為更高的像素毫無意義。稍有經(jīng)驗的數(shù)碼玩家就能體會出，一款800萬像素DC設定在25921944的分辨率拍攝，仔細對比與500萬像素DC使用最大分辨率拍攝的結(jié)果是不同的，成像算法等其他因素的影

31、響忽略不計，我們很容易就看出800萬像素能夠獲得更多的細節(jié)表現(xiàn)力。如圖7所示，左邊為索尼F828使用500萬分辨率拍攝的圖像，右邊為索尼F717用最大分辨率拍攝的圖像，對比后發(fā)現(xiàn)無論是在解像力還是銳利度上F828的表現(xiàn)都要高出一個檔次，因此高像素絕不是為了獲得更大的輸出尺寸而出現(xiàn)。圖7 800萬像素與500萬像素同級比較通過前文的講解我們完全可以把CCD中一個感光電極當作最終成像中的一個像素點，在之前色彩還原過程的講解中，筆者以500萬像素為例說道，若是將照片的分辨率設定在16001200，這時千萬不要誤認為這么多像素中只有16001200個像素點參與成像，而是整個CCD感光面積（259219

32、44）都感受光線。故同樣道理，同一場景被500萬和800萬像素拍攝后，對應的兩張照片中所包含的像素的點數(shù)一定不同，故800萬像素所拍攝的照片中有更多500萬沒有攝取到的細節(jié)，畢竟多出的300萬像素不是用來增加功耗的，它們都實實在在參與了成像，面對最終的實物照片我們可以稱之為拍攝到了更多的細節(jié)畫面。三、像素與面積討論的延伸既然是用辨證眼光來看待問題，那我們現(xiàn)在就來認識一下高像素小尺寸的優(yōu)勢。筆者記得當年在閱讀Dpreview網(wǎng)站主編Phil Askey先生的佳能G5評測報告的時候，就發(fā)現(xiàn)Askey寫了一段頗為有趣的話，他說G5的默認銳度比EOS 10D的默認值還高，這話似乎當時讓很多人都摸不著頭

33、腦，但我們隨后降低G5原圖的兩檔銳度后發(fā)現(xiàn)，果不其然畫質(zhì)的整體銳利度與EOS 10D相當。同樣的當Phil Askey在評測佳能EOS 20D的時候，他拿20D與EOS 1D Mark II作比較后又說了相同的話。這究竟怎么解釋呢？圖8 800萬像素解像力對比如果上文關于解像力部分的講解你能深刻領悟的話，那么理解下面這段文字應該沒有困難。先來看如圖8所示的原圖裁剪對比，左邊是佳能EOS 20D，右邊是奧林巴斯C-8080W，雖然兩款產(chǎn)品基于不同的成像系統(tǒng)，且兩者的影像傳感器的感光面積差異較大，由于像素相同因此成像質(zhì)量也具備一定的可比性，我們可見左邊影像比右邊看起來要銳利許多。這是因為在影像傳感

34、器尺寸相同的情況下，像素數(shù)不同的影像傳感器都要記錄相同的影像信息，且要保證影像的完整和高清晰度，那么高像素傳感器必然會感知更多的信息，保留更多的細節(jié)，故在同尺寸條件下高像素傳感器在解像能力上要強于低像素傳感器，以及同像素級條件下小尺寸傳感器要強于大尺寸傳感器就是這個道理。以往在廠商的新產(chǎn)品宣傳廣告中有一句出鏡率相當高的話，那就是“使用了解像力更高的萬像素CCD”，相信現(xiàn)在我們總算明白這句話的真正含義了吧。雖然本文主要剖析消費級DC的相關技術原理，但現(xiàn)在不得已插入了一些涉及專業(yè)級數(shù)碼單反相機（DSRL）的內(nèi)容，只希望最終能將問題說明清楚。當然筆者也非常認同Phil Askey先生的這種評測方法，

35、因為完全使用默認設置去評價某款產(chǎn)品是不中肯也是不實際的，所以Askey才需要在評測中做出各種調(diào)整，這點正是目前眾多國內(nèi)媒體對數(shù)碼影像類產(chǎn)品評測的瓶頸和理解上的誤區(qū)。本篇引言通過前兩篇對CCD傳感器相關原理的講解，聰明的讀者可能已經(jīng)意識到這樣一個問題：“單位面積內(nèi)集成的感光電極越多，CCD的像素也就越高，若感光面積不及時做出調(diào)整，勢必會影響到最終的成像質(zhì)量”。即使我們對像素越來越高的小尺寸CCD頗有微辭，但無論如何我們都不得不承認像素的升級始終是推動DC向前發(fā)展的重要驅(qū)動力。像素不但有著駕馭DC性能的能力，更是廠商們以此用來劃分產(chǎn)品線檔次的魔棒，這與CPU行業(yè)中的一些做法驚人地相似，英特爾公司為

36、了填補真空的市場，彌補自身產(chǎn)品線的不足，有時就把高主頻CPU標注成低頻型號流入市場，而在數(shù)碼影像行業(yè)中，也出現(xiàn)了部分廠商屏蔽高像素CCD中的部分像素數(shù)，借由推出了低一個檔次的同級產(chǎn)品的低像素型號，進而達到了細分產(chǎn)品線的市場目的，這種變相的錯位競爭也給消費者帶來了更大的選擇空間?？上У氖窍袼氐呐噬囟ㄔ谀撤N程度上受到來自各方面的嚴峻挑戰(zhàn)，難不成像素就因此成為了DC發(fā)展的瓶頸嗎？山窮水盡疑無路，柳暗花明又一村。有人發(fā)現(xiàn)將CMOS加工后也可作為DC中的影像傳感器，并在1999年被首次推向市場，CMOS就是計算機系統(tǒng)的主板上用來存儲BIOS資料的芯片。初期它也曾經(jīng)被裝載在DC中，但與當時技術成熟的CC

37、D相比，信噪比差、敏感度不夠，所以沒能占居主流位置，淪落到被拍照手機、PDA等數(shù)碼產(chǎn)品采用的境地。之后由于佳能公司在CMOS感光技術上的不斷努力，隨著EOS數(shù)碼單反相機的問世，CMOS又被重新重視起來，今年索尼公司也成功開發(fā)出了適用于DC產(chǎn)品的CMOS傳感器，一并推出了DSC-R1這款千萬像素級產(chǎn)品，終于使得CMOS在消費級領域也能綻放光芒，相信從此CMOS與CCD在數(shù)碼影像業(yè)內(nèi)所扮演的角色比重將有所逆轉(zhuǎn)?？墒悄壳叭杂邢喈敹嗟南M者認為CMOS價格低廉是其最大的優(yōu)勢，據(jù)筆者所知這些都是片面之詞，究其原因您將會在這系列文章的第三篇中找到想知道的答案。Part 1：CMOS終于插足DC領域一、滲透

38、DC之路漫漫其修遠兮CMOS曾一度占據(jù)著專業(yè)級數(shù)碼單反相機（DSLR）市場60以上的市場份額，這自然得歸功于佳能EOS D家族的功勞，比起在DSLR市場中生龍活虎的表現(xiàn)，DC領域卻遲遲不見CMOS的身影。當時的形式讓我們不得不對佳能寄予厚望，最終卻事與愿違，或許佳能壓根兒都沒有想過要將CMOS技術推廣到DC產(chǎn)品上的念頭，不然為何長時間都對消費級市場毫無熱情，只顧自己在DSLR市場賺得盆滿缽滿呢。比起吝嗇的佳能，我們在這方面或許更欣賞索尼公司的魄力，其DSC-R1也注定是一款在消費級領域具有劃時代顛覆性意義的產(chǎn)品。圖1如果說佳能是CMOS優(yōu)異成像技術的奠定者，那么索尼毫無疑問就是CMOS技術的傳

39、教士，從2004年底開始就已經(jīng)暴露出索尼欲將CMOS技術嫁接到DC產(chǎn)品的一些倪端。04年9月隨著尼康D2X的發(fā)布，索尼制造的第一款可用于專業(yè)機身的CMOS傳感器也隨之浮出水面（圖1）。在此之前尼康一直采用索尼的CCD制造DSLR產(chǎn)品，同時自己也在2002年與佳能、柯達及奧林巴斯在CMOS領域開展了廣泛的合作，并進行了多次嘗試，可惜的是2002年之后的幾款機型中都未能如愿，反而鼓搗出了一個變形技術LBCAST傳感器（圖2）。可見D2X影像傳感器的開發(fā)讓擁有CMOS技術功底的尼康，與擁有業(yè)內(nèi)最先進的微透鏡技術的索尼間秘而不宣的合作關系透明化，兩家終于聯(lián)手沖破了佳能對CMOS技術守口如瓶的壁壘。鑒于

40、索尼成功推出了裝載CMOS傳感器的DC產(chǎn)品的刺激下，佳能能否被其拖下水，開發(fā)出類似的消費級產(chǎn)品，亦或是成長為感光元件的供應商，這就又要多打上幾個大大的問號了。圖2二、后起之秀CMOS優(yōu)勢論筆者曾經(jīng)問及身邊那些已經(jīng)過渡到DSLR的朋友，是什么原因促使他們義無反顧跳進這個燒錢的陷阱時，得到的答案中“受不了小尺寸高像素帶來的噪點”占了多數(shù)，足見相當多數(shù)的DC用戶都飽受了惡劣畫質(zhì)帶來的折磨。我們都知道影像傳感器的像素越高，感光面積中集成的感光電極的密度就越來越大，這就需要通過增加感光面積，或者縮小感光電極的單位體積來達到目的。由于目前CCD生產(chǎn)線的利用率不高，每提升100萬像素就需要對生產(chǎn)線進行相關的

41、改造，所以增加像素必定牽涉到制造成本，每提高一個等級，DC的價格都要高出一截，況且提升到一定程度后，由于制造工藝的限制，短時間內(nèi)很難再有所突破。目前業(yè)內(nèi)還沒有提出新的CCD尺寸規(guī)格，如果傳感器尺寸仍然維持在2/3英寸的話，那么單位電極的間隙就被限制在0.4微米以內(nèi)，進而導致量產(chǎn)中損品的產(chǎn)出率與制造成本的大幅度攀升。而CMOS采用的是標準工藝制程，可利用現(xiàn)有的半導體制造流水線，無需額外投資生產(chǎn)設備，并且其芯片本身的品質(zhì)也隨半導體技術的進步而提高。同時像素越高CMOS制造工藝的優(yōu)勢就越明顯，即便是0.18微米的制造工藝都可以輕松獲得1600萬像素的CMOS傳感器。就當CCD久久徘徊在800萬像素的

42、時候，另一邊的CMOS卻早已超越了千萬像素級，正是因為當時這一特殊情況，很容易讓消費者產(chǎn)生CMOS制造成本比CCD便宜的誤區(qū)，事實上除了對生產(chǎn)線改造費用的節(jié)省，以及用來制造的材質(zhì)稍微廉價之外，相同像素級的兩者比較起來，CMOS本身的綜合成本并不比CCD低廉，鑒于其本身信噪比不高、靈敏度不佳的特性，要想獲得較高的成像品質(zhì)就必須在周邊硬件回路的設計上下足功夫，因此其綜合成本較CCD來說有過之而無不及。遙想當初，下決心開發(fā)CMOS只是佳能公司為了不受制于索尼CCD供給關系的一計高招，而現(xiàn)在索尼卻成功地為我們演繹了CMOS被DC所用的童話。DSC-R1帶給我們的決不是千萬像素出現(xiàn)的震撼，包括更高的分辨

43、率、更少的噪點雜訊、更高的信噪比，接近1.6倍的焦距轉(zhuǎn)換系數(shù)，使得鏡頭焦距段范圍利用價值更高，以及更容易獲得出色的景深效果，諸如此類的之前消費級產(chǎn)品所不能解決的問題都被迎刃化解，足見APS-C畫幅的CMOS傳感器將今后的DC產(chǎn)品帶到了一個成像質(zhì)量有本質(zhì)改變的高度。Part 2：CMOS的致勝法寶一、物理結(jié)構透透看最初的CMOS傳感器以“被動式像素結(jié)構”（Passive-Pixel Structure）技術為主，該技術造成了核心內(nèi)部晶體管數(shù)量的增多，與如日中天的CCD比起來，執(zhí)行效率低下、信噪比差、暗電流（Dark Current）大、光敏性能低等諸多弊端。后來業(yè)內(nèi)普遍采用的是一種叫做“主動式像

44、素感應”（Active-Pixel Sensor）的新技術，該技術擁有極高的系統(tǒng)整合特性，如圖3所示可將傳感器所需的周邊回路集成在晶圓體中，一改以往成像品質(zhì)惡劣的頹勢，直到現(xiàn)在這項技術已經(jīng)成為了佳能、索尼用于生產(chǎn)CMOS傳感器的主流技術。圖4下面就讓我們先從物理結(jié)構來了解CMOS傳感器吧，如圖4所示為CMOS感光核心的局部放大圖示，從本質(zhì)上來說CMOS在內(nèi)部層次結(jié)構方面與CCD相比并無太明顯的差異，一對對PMOS和NMOS晶體管在底層的硅基板表面連接構成了一個個感光電極，只不過“信號轉(zhuǎn)換層”中每個感光電極旁都設計了一個信號放大器。隨著近兩年來全畫幅CMOS和千萬像素級CMOS的大量涌現(xiàn)，出現(xiàn)了

45、一種被稱之為“Fill Factor”的制造工藝，中文譯名為填充因子CMOS傳感器，如圖5所示，F(xiàn)ill Factor CMOS與傳統(tǒng)CMOS最大的區(qū)別就在于頂部的微透鏡結(jié)構，由于CMOS本身尺寸較大，因此其內(nèi)部的單位感光電極的體積也較CCD更大，將傳統(tǒng)的輔助聚光用途的微透鏡結(jié)構改為平面鏡覆蓋在電極頂部，使得Fill Factor CMOS對光線的攝取不受任何外界因素的干擾，這對成像素質(zhì)的提升絕對是利大于弊。圖5二、信號傳輸方式CMOS的物理結(jié)構決定了其感光核心內(nèi)共存著帶負電荷的N晶體管和帶正電荷的P晶體管，這兩個晶體管互補效應所產(chǎn)生的電信號（電流或者電壓）就被CMOS輸送至外部的A/D（模/

46、數(shù)）轉(zhuǎn)換器中，再被影像處理器解讀成影像。如圖6的信號傳輸示意圖所示，具體工作時先將光信號在電極內(nèi)部轉(zhuǎn)換成電信號后，輸送至水平轉(zhuǎn)換寄存器內(nèi)暫存，再從寄存器讀取至電極旁的信號放大器，最后輸出暫存入垂直轉(zhuǎn)換寄存器，接著輸出至CMOS感光核心外。圖6咋一看似乎與CCD的工作方式大同小異，實則大不相同。如圖7所示，CCD在感光后將每行中每一個電極的電信號順次輸送至底部的傳輸層，再由底部順次輸出至放大器進行信號放大，而CMOS在設計中每個感光電極都配備了一個單獨的信號放大器，故CMOS傳感器可以在每個像素的基礎上進行信號放大，采用這種方式可進行快速的數(shù)據(jù)掃描與傳輸，能夠達到勝任千萬像素級別的信息處理效率。

47、同時CCD的傳輸方式為被動式，時鐘發(fā)生器必須不停發(fā)送脈沖信號給每個電極才能將電信號輸出至放大器，而CMOS的驅(qū)動方式為主動式，電極下蓄積的電信號會由旁邊的信號放大器主動放大輸出，故相對來說更加省電，單憑這兩點CCD便望塵莫及。數(shù)據(jù)的處理速率提高了也隨之帶來了其他的負面影響，比如每個電極旁都有一個信號放大器，可想而知相互間光電信號干擾急劇增加，進而導致了成像中愈發(fā)容易受到噪點的影響，尤其是在處理大數(shù)據(jù)流的時候，CMOS內(nèi)電流變化過于頻繁更加容易產(chǎn)生熱點。圖7三、高素質(zhì)CMOS的成像秘訣由于CMOS的色彩還原原理與CCD基本類似，同樣是通過彩色濾鏡實現(xiàn)的，所以這里筆者就不再花時間贅述了，上文也提到了CMOS的種種劣勢，現(xiàn)在就讓我們來討論廠商都通過了哪些行之有效的方法來揚長避短，考慮到佳能公司是對CMOS技術造詣最深的廠商，故下面的內(nèi)容就以佳能CMOS來作講解，必定又要涉及到DSLR產(chǎn)品所使用的CMOS了。圖8佳能認為成像質(zhì)量不僅取決于影像傳感器中的總像素數(shù)，也與傳感器的尺寸有著至關重要的關系。佳能這里所指的成像質(zhì)量主要考慮的還是最終成像的動態(tài)范圍（Dynamic Range），以及更高的信噪比，所謂信噪比就是有效信號（Signal）與無用的雜訊（Noise）之間的個數(shù)比例，這些正是驅(qū)使佳能馬不停蹄開發(fā)出更大尺寸CMOS的根本原因。如圖8所示，佳能將CMOS的感光