數位相機入門 成像原理關鍵詞·下
劉恩惠 于 2010.03.02 12:48:55 | 源自:www.soomal.com | 版權:原創 | 平均/總評分:07.70/77
●關鍵詞之七:圖像感應器

在文章的前面兩部分中,我們已經不止一次提到過“感光體”和“感光材料”,而感光材料的變化正是傳統相機與數位相機最大的區別。我們知道,銀鹽膠片是數位相機崛起之前使用最為廣泛的感光體,如今卻已逐漸遠離大眾視線。那么數位相機是通過什么來獲取圖像資訊的呢;或者說它的“感光體”和“感光材料”是什么?答案是“圖像感應器”,也被稱為“圖像傳感器”、“感光元件”、“感光晶片”等;毫無疑問它是數位相機的核心電子器件之一。在今天的數位相機上,圖像感應器不但代替了膠片的功能,而且也可用來進行電子取景,進一步簡化了照相機的結構組成。目前的圖像感應器主要分為CCD(電荷藕合器件)與CMOS(互補性氧化金屬半導體)兩大陣營。

  • CCD和CMOS都是基于光電二極管遇光后會產生強弱不等電流這一原理,利用光-電可轉換特性,將投射在其感光面上的光像資訊收集并轉換為與之成相應比例的圖像電訊號;隨后,電訊號經過放大和模/數轉換后變為數字化的圖像資訊,通過顯示屏被人眼識別。需要說明的是,在具體工作流程上CCD與CMOS是有所區別的,它們也有各自的優勢和缺點,在本系列后面的文章里我們會有專文對此進行解析。簡而言之,CCD制造成本高、工作熱量大、成像寬容度與色彩相對較好;CMOS成本低、熱量小、使用壽命相對更長。

    ●關鍵詞之八:畫素

    “畫素”或許是大家接觸最多的數位相機核心指標,它的概念與圖像感應器密不可分。畫素指標其實就是由感應器晶片上光電二極管的數量決定的——每個光電二極管等同于一個畫素點;所謂“1000萬畫素”就意味著這塊傳感器上擁有約1000萬個光電二極管。英語中用“Megapixels”來標示畫素值,意為“百萬畫素”,1000萬畫素就是“10 Megapixels”(10個百萬畫素)。

    畫素多少所能決定的是這款數位相機所輸出的圖像檔案的最大解析度。譬如,一款500萬畫素的數位相機輸出的圖像檔案最大解析度只能達到2560×1920(積為4915200?500萬),而一款1000萬畫素的數位相機則可輸出最大3648×2736(積為9980928?1000萬)的數字圖像。通過這種計算方式得出的畫素值也被稱為“有效畫素”,而圖像感應器上還有一些不參與成像的畫素點;所以大家往往會在數位相機的產品說明書或參數表上看到“總畫素”和“有效畫素”這兩個描述,前者指得是這款數位相機采用的圖像感應器上所有的光電二極管總數,其實際圖像輸出解析度則應參考其有效畫素值。

    • 小貼士:高畫素的優勢在哪里?——畫素多少與照片清晰度有很大的關系,因為更密集的畫素排列能帶來更豐富的圖像資訊量,從而在顯示效果上更為精細。需要說明的是,當數位相機的有效畫素提升到一定程度以后,在電腦上的顯示效果已不存在清晰度方面的瓶頸(以常用的19英寸4:3標屏顯示器為例,其額定標準解析度是1280×1024,總畫素僅僅131萬),使用高畫素對提升顯示效果未必有效;但對于有打印輸出要求的用戶或場合,解析度越高越容易滿足大幅面印刷時對清晰度的要求,較低的圖片解析度可能會導致印刷出來的畫面細節模糊、邊緣出現鋸齒(如下圖所示),因此高畫素仍有其用武之地。此外高畫素也利于在后期處理時對圖像檔案進行局部裁減后,畫面依然能保持較高的清晰度。
  • 如今新一代的數位相機畫素通常都達到1000萬以上、少數高階產品已經超過2000萬;雖然畫素指標在某種程度上可能會決定兩款產品不同的市場定位,但并不存在“畫素越高的產品檔次也一定越高”這一鐵律,應具體產品具體分析。事實上,過高的畫素對于相機的圖像品質反而會起到一定程度的負面作用,對于中小尺寸的圖像感應器而言尤甚;因此某些品牌的部分產品在設計時會避免采用過高的畫素,以利于獲得更好的畫質,在某些高檔機型上也不例外。

    ●關鍵詞之九:畫幅

    對于圖像感應器,除了畫素之外的另一個重要指標是“畫幅”,說白了就是這塊感光晶片的實際大小,它長多少、寬多少或對角線尺寸是多少。事實上,對于如今的數位相機而言,畫素已非衡量產品檔次的主要標準,而畫幅大小卻在相當程度上可以決定一款相機的市場定位。

    便攜式小型數位相機(有時候也被俗稱為“卡片機”、“口袋相機”)通常采用畫面長寬比為4:3的小尺寸感光元件(少數產品采用16:9長寬比)。因為小型感光晶片所對應的成像圈較小,由此鏡頭口徑乃至機身體積都可以得到對應比例的縮小,對于以便攜性為主要訴求的小型機而言優勢顯著。對于這類小型圖像感應器,通常采用“X/X英寸”(譬如1/1.8英寸)的標記法來衡量其尺寸大小。

    • 小貼士:“X/X英寸”究竟代表什么?——這里的“X/X英寸”實際所指的是感應器對角線的長度。但需要注意的是,標稱的這個“英寸”并非指該感光器對角線的實際物理長度,標稱“1英寸”的感光器其實際有效感光面積的對角線長度約為16mm。因此一塊1/1.8英寸的圖像感應器,其有效感光面的實際對角線長度是1/1.8×16?8.9mm;以此為基礎經過進一步推算可得出,這塊1/1.8英寸感光晶片的實際尺寸長寬約為7.1mm×5.3mm左右。不妨用尺比劃一下,其實還不足我們一塊指甲蓋的大小!而在如今的便攜式數位相機中,這個尺寸的圖像感應器是十分常見的,部分機型甚至采用更小的1/2.3、1/2.5英寸的感光元件。

    相較之下,可換鏡頭數位相機(也包括少部分鏡身一體機)所使用的圖像感應器則要大得多,一方面是為了與相對較大的鏡頭成像圈匹配,另一方面也是為了獲得更好的圖像品質。這類產品不采用上述的英寸標記法,不同的畫幅尺寸有各自的特定名稱,譬如:全畫幅(36mm×24mm,等同于傳統35mm膠片的單張尺寸)、APS-C畫幅(22.xmm~23.xmm×14.xmm~15.xmm)、4/3畫幅(18mm×13.5mm)等,這些我們后面會詳細談到。通過下圖,我們可以對各種不同畫幅的感應器尺寸比例有一個相對直觀的比較。

  • 簡而言之,畫幅越大越有可能獲得優異的畫質,雖然感應器尺寸并非唯一或絕對的畫質衡量標準,卻是最不可忽視的要素之一。在畫面純凈度、寬容度以及細節表現力(尤其是暗部細節)等諸多方面,畫幅較大的產品通常優勢明顯。究其根源,相對較大的感光面積是主因;小型圖像感應器與之相比,光敏元件的排列密度要大得多,彼此間出現干擾的可能也就隨之增大,畫質表現自然會遜色不少。但小畫幅也有屬于自己的優勢,減小的法蘭焦距可以讓機身與鏡頭體積變得相對小巧,在便攜性上更為突出;而尋求畫質與便攜性的平衡也成為目前不少相機廠商的設計訴求。

    ●關鍵詞之十:感光度

    感光度是指膠片或圖像感應器對光的敏感度;在其他條件均保持不變的情況下,調高感光度能帶來更大的曝光量(通俗地說就是讓畫面亮度更高),反之則能減少曝光量。在膠片時代,感光度取決于使用膠片的類型,如100度、200度膠卷就分別對應ISO 100和ISO 200的感光度,它們在化學成分上有所不同。進入了數位時代,感光度則可以在相機上進行調節,不同檔次的數位相機所支援的感光度也不盡相同,本質上取決于圖像感應器。

    感光元件通常用訊號放大、疊加等方式來達到產生較高感光度的目的,因此對數位相機而言,其低感光度下的畫質必然好于高感光度;而在較高的感光度下,圖像畫面會出現噪點、雜色等畫質下降問題。需要注意的是,不同檔次的產品對這種畫面劣化的抑制能力是存在差距的——低檔產品往往在ISO 800時就會產生噪點與雜色,而部分尖端產品在感光度高達ISO 3200時也未必能明顯察覺到畫質下降;這與圖像感應器的尺寸以及畫素密度都是有密切關系的。

    • 小貼士:什么時候需要用到高感光度——通常來說,當光照條件嚴重不足時,攝影師必須用較大光圈配合較慢的快門速度才能保證畫面曝光充分;然而手持拍攝時,慢速快門可能導致因為手振而產生畫面虛糊;因此,在光圈不可能繼續放大且沒有條件固定機身的情況下,唯一的辦法就是調高感光度。在手持拍攝夜景以及某些光線充足但又必須使用高速快門的場合(譬如拍攝體育競技或野生動物的運動瞬間),為了確保充分曝光就會用到較高的感光度。

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    071.225.***.***
    071.225.***.***
    謝謝
    發表于2013.07.05 11:45:37
    27
    221.011.020.***
    221.011.020.***
    發表于2013.05.05 10:32:29
    26
    03
    發表于2013.01.22 15:36:44
    25
    03
    看了,覺得這種標識很無恥,似乎還是違法的。
    發表于2012.02.09 22:30:54
    24
    10
    http://www.nphoto.net/news/2012-02/02/e6e9246f8bb664e5.shtml
    發表于2012.02.09 22:08:08
    23
    03
    “標稱“1英寸”的感光器其實際有效感光面積的對角線長度約為16mm。”在不同的文章都有提到,請問出處是哪里?這樣計算的根據是什么?
    發表于2012.02.09 21:48:46
    22
    10
    這方面的數據我在之前的文章里有過詳細介紹(http://www.soomal.com/doc/10100002472.htm),而數位時代后的APS則不是您所說的這種規格。希望您也做進一步查證。
    發表于2012.01.02 09:56:59
    21
    221.223.***.***
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    Aps的尺寸也就是畫幅的尺寸應當是下面這樣的  APS定位于業余消費市場,共設計了三種底片畫幅(H、C、P):   H型是滿畫幅(30.3×16.6mm),長寬比為16:9;   C型是在滿畫幅的左右兩頭各擋去一端,長寬比為3:2(24.9×16.6mm),于135底片同比例;   P型是滿幅的上下兩邊各擋去一條,使畫面長寬比例為3:1(30.3×10.1mm),被稱為全景模式。


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    發表于2012.01.02 00:43:35
    20
    221.223.***.***
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      APS定位于業余消費市場,共設計了三種底片畫幅(H、C、P):
      H型是滿畫幅(30.3×16.6mm),長寬比為16:9;
      C型是在滿畫幅的左右兩頭各擋去一端,長寬比為3:2(24.9×16.6mm),于135底片同比例;
      P型是滿幅的上下兩邊各擋去一條,使畫面長寬比例為3:1(30.3×10.1mm),被稱為全景模式。

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    發表于2012.01.02 00:41:50
    19
    221.223.***.***
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    18
    123.171.***.***
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    看暈啦,支援一下
    發表于2011.12.01 11:12:39
    17
    121.009.***.***
    121.009.***.***
    acwell刪除此貼于2011.12.01 10:50:44
    發表于2011.12.01 10:15:14
    16
    116.007.100.***
    116.007.100.***
    發表于2011.10.09 13:10:08
    15
    123.235.189.***
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    發表于2011.08.03 18:15:54
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    發表于2011.06.16 12:05:38
    13
    060.024.***.***
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    發表于2010.10.05 11:18:36
    12
    樓主的文章非常棒。不過正確的了解感光元件的運作機理對讀懂數位相機的參數以及這些參數如何影響成像質量很重要。
    發表于2010.04.13 09:58:30
    11
    03
    發表于2010.03.04 19:02:31
    10
    03
    同尺寸同畫素的感光器都可能有不同的廠家。CCD有五大廠家:Sony、sharp、kodak、pany和Fuji。
    發表于2010.03.03 08:29:56
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