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数码相机的心脏——CCD

来源:网络 作者: 2008-2-2
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摘要: 数码相机的心脏——CCD 决定数码相机拍摄的画面质量高低的,从根本上来说是CCD。那么,只看CCD的性能,是否就能够了解相机的性能呢。 由CCD的性能决定的图象性能的要素有很多,其中,能够为使用者得到相关信息的,包括以下几项:CCD尺寸、像素数量、单位像素尺寸、传输方式、读出方式、CCD滤镜颜色。 像素尺寸虽然......


                               数码相机的心脏——CCD

   决定数码相机拍摄的画面质量高低的,从根本上来说是CCD。那么,只看CCD的性能,是否就能够了解相机的性能呢?回答是:"从某种程度上来说,是的"。

由CCD的性能决定的图象性能的要素有很多,其中,能够为使用者得到相关信息的,包括以下几项:CCD尺寸、像素数量、单位像素尺寸、传输方式、读出方式、CCD滤镜颜色。 像素尺寸虽然在厂商的性能表上没有直接列出来,厂商在宣传的时候也是着重说像素数量而对像素尺寸避而不谈。但是我们还是可以从其他的性能数据中推算出来,有的时候还可以从主要的CCD制造商的主页上查找到。现在,世界上的CCD的品牌和种类并不多。大的厂商主要是KODAK、SONY和PHILIP。

但是,如果认为在这些数据中,最重要的是像素数的话,那就错了。如果把CCD比喻成是PIZZA的话,那么PIZZA的尺寸就是CCD的尺寸。而将其切开的块数就是像素数。而决定CCD性能的最基本的要素就是像素的尺寸,也就是说,是PIZZA上切下的小块的尺寸。例如,1/1.8英寸(对角线长8.98mm)420万像素,单个像素尺寸为3.125微米的CCD,与NIKON D1的28.37mm对角线274万像素,单个像素尺寸为11.8微米的CCD相比较,像素数量的差异是很明显的。事实上,后者在细节上的表现能力也是众所称道的。

那么,CCD像素以外的性能又是怎样的呢?

首先是数据的传输方式。所谓传输方式,就是从CCD的各个像素读出数据的方式,为了便于理解,可以把CCD看成是在一个很小的区域内排列的很紧密的很多水桶的集合。这些小水桶就是CCD的感光部件,称为感光二极管。

说到传输方式的种类,有象水桶接力一样的祯传输(Frame Transfer)方式和在水桶边设置水道一样的插写(Interline)方式两种。在面积相同的情况下,后者由于需要为"水道"留下位置,所以"水桶"的尺寸相对就比较小。也就是说,从像素大小的角度来说,前者比较有利,但是从数据的传输速度来说,后者的传输速度比较快。

下一个要素就是读出方式。这其实是关于插写方式的演化的内容。插写方式原本是在摄象机用的CCD上使用的。摄象机用的CCD并不是把CCD上所有的像素的数据一次全部读出来,而是分奇数行和偶数行两次读出的。也就是说,是基于扫描线的读出方式。在这种情况下,"水道"的宽度只要能够满足"水桶"容量的一半就可以了。也就是说,相对来说,"水桶"的尺寸可以更大一点。

这种摄象机用的数据读出方式称为Inter race scan方式,而从摄象机用的CCD进化而来的数码相机专用的CCD,则是能够将所有像素的数据一次性全部传输出来,这称为Progressive scan方式。虽然从像素尺寸的角度来看,Inter race scan方式比较有利,但是如果采用这种方式,在摄影结束以后到数据传输完为止的时间内必须把CCD遮着不让光线照射到CCD上,所以必须并用机械快门。而且,考虑到CCD和快门的连动,快门的速度不可能很快。

另一方面,Progressive scan方式也有其局限性。虽然也要等到"水道"把"水桶"全部排空以后才能开始进行下一次的拍摄,但是因为不是一定需要用机械快门对CCD遮光,只要依靠CCD的电子开关就能够设定快门速度,所以能够使用高速快门。但是,如果流入"水道"中的水流过强的话,也就是说,如果如果拍摄的是很强的光源的话,有可能会发生溢出现象。因此,在采用Progressive scan方式的相机中,也有一些是同时使用机械快门,限制快门速度的上限。

最后的要素是滤镜的颜色。CCD原本是一种只能感受黑白颜色的传感器,为了能够增加颜色信息,所以在CCD的各个像素前面添加了色彩滤镜,只让特定颜色的光线通过,从而获得了颜色信息。这种滤镜有两种,一种是色彩还原能力较好的原色滤镜,一种是解析度较高的补色系滤镜。每一种滤镜都是4个一组,覆盖在每一个像素上。每一组原色系的滤镜包括1个红(R)、2个绿(G)和1个蓝(B),而补色系的滤镜则是包括黄(R+B)、青(G+B)、洋红(B+R)、绿(G)四种各一个。从解像力的角度来说,由于人的眼睛对于绿色最敏感,所以自然是补色系的比较有利。然而,由于从各个像素获得的色彩信息中都有绿色的成分,所以不可能获得很纯粹、很准确的色彩信息,因此,色彩的还原能力方面肯定不如原色系。

关于滤镜,还有一点必须要说的就是感度。感度的高低,不仅受到受光的CCD面积的大小的影响,还受到透过CCD的光量的很大影响。根据日本方面的测试数据,补色系能够透过的光量是原色系的1.5倍,所以在感度上也是补色系比较优秀。

 

为了得到好的影象

以上是和CCD相关的要素。为了获得好的影象,需要有干净、强烈的信号。通常使用S/N来表示,也就是用信号(Signal)/噪音(Noise)的比例来表示。噪音包括空间中的光线造成的光SHOT噪音、CCD上产生的暗噪音、读出数据的时候产生的READ OUT噪音,这些噪音和CCD面积的大小没有必然的联系。如果单位像素的尺寸比较大,产生的电荷比较大,S/N自然会有所提高。

那么,如果不能增大像素的尺寸怎么样呢?那就要看从前面的要素推导出来的CCD的规格性能了。

首先,民用的数码相机,由于需要把CCD上取得的图象传输到液晶显示屏上,所以都是采用的Inter Race scan方式。否则就只能使用光学取景器了。还有前面已经说过的,为了能够尽量的使像素的面积大一点,也只有采用这种方式了。

然后就是滤镜的颜色,虽然原色系有色彩还原性能优异的特点,但是补色系在解像能力和透过率上性能更好。所以采用补色系滤镜的厂商如OLYMPUS和NIKON都是在提高解像能力上下工夫。而采用原色系的厂商如FUJIFILM、CASIO、SONY、东芝都是着重于色彩还原能力。

不过,CCD的性能随着时间的改变在不断的提高,有一年的时间,也许就能够获得超越滤镜的差别的能力。当初采用补色系CCD的CANON IXY DIGITAL,在过了一年以后,就推出了使用原色系CCD的IXY DIGITAL 300/200,这可以说是最好的例子。

极小像素化与光学的极限

迄今为止,我们的话题一直是围绕CCD的性能而展开的。但是,前面所说的都是以有一个非常好的镜头为前提的,对于好的画质来说,还有很多CCD以外的因素。现在,我们就从镜头的角度来验证这一点。

有一点,也许知道的人不是很多,那就是从镜头透过的光,也是有表现力上的极限的。那是因为光也是一种波,既然是波,就有一定的振幅。而波长比那振幅更细小的东西,是无法被表现出来的。下面,我们就来具体的阐述。

光的波长可以使用nm(纳米)为单位表示。虽然光线中能够表现出来的波长全部都落到了CCD上,但是,光的解像能力还会受到光圈的变小而衰减。光圈还有决定拍摄对象的景深的功能。随着光圈的缩小,景深就会增加,同时解像能力会因为回折现象而降低。

现在,对于摄影元件的评价,已经从CCD的像素数,转变为以"CCD的像素数、理论要求线数、小光圈极限"表示的综合评价。表格中的理论要求线数是指能够表现每一个像素所必须的解像能力。与之相对,如果根据光圈值来查看光的解像能力,也就是象表格中"由F值决定的光线的表现极限"所诉说的那样,假如F8是极限,那么就算把光圈开放到F11,光的波长的限制也决定了CCD不可能得到更多的信息。

然而,前面所说的都是在没有任何光线的损失的前提下,是在使用一种根本就不可能存在的镜头的前提下的情况,在现实中,在比这更靠前的阶段中,就开始出问题了。前面所说的,就好象是驾驶着一辆只能以100公里的时速形式的车,以恰恰100公里的时速行驶时一样。也就是说,镜头的解像能力并不是远远凌驾在CCD的表现极限之上的,有的时候,也会有画质有很大差异,不能完全发挥CCD性能的情况出现。

这可以说是一种矛盾,仅仅只依靠CCD和镜头的改善,是不可能解决的。从某种程度上来说,数码相机陷入这种状况,仅仅把高像素作为追求的目标的市场和不公开对于画质有很大影响的像素的数据的制造商,都有一定的责任。

由于上面所说的理由,一般的民用数码相机的光圈,上限一般是在F8,下限--也可以说就是镜头的性能的极限是F1.8~F2.8,而曝光控制只能在5档之内选择。

另外,如果为了获得更好的CCD的S/N比而采用Inter race scan方式的话,就象前面说过的,必须要保证和机械快门同步,这就限制了快门速度的上限只能在1/1000秒的样子。在ISO100的感光度计算一下,就会得到"曝光设定的余地"表格。

通常,使用ISO100的胶卷,在晴天的室外拍摄的时候,是使用1/125秒、F11。而数码相机的上限限定在1/1000秒、F8。因此,如果是室外晴天,并且需要做超过2EV的曝光修正的场合,一般的民用数码相机就无能为力了。比如,在雪山的环境下的晴天,需要1/125秒、F22才能够获得最佳的效果,可是对于局限于1/1000秒、F8的数码相机来说,是不可能做那样大的曝光修正的。如果还想再进一步做一些负的曝光修正,更是毫无可能。可以说,由于相机本身的局限性,我们的表现手段也受到了局限。

拍摄的景深也受到了局限

不过,这样的CCD和镜头也并不是没有存在的价值。因为我们所使用的民用CCD面积比较小,为了适合这一点,所以所使用的镜头的焦距也比较短。比如,如果说一台数码相机可以拍摄50mm~150mm视角范围内的对象,只是说换算到35mm相机,相当于50~150mm,而他的实际焦距,是镜头上写着的f=7.0~21.0mm。

那么,当焦距比较短的时候,会有什么样的效果呢?效果体现在焦点上。准确的说就是会产生范围更大的景深。

拍摄出的照片具有镜头焦距越短,景深越大的特点,同时,镜头的光圈越小,景深也越大。例如,同样是使用50mm的镜头,使用同样的光圈,135相机的景深范围比较窄。也就是说,在使用相同的镜头的时候,民用数码相机的有效景深范围更大,因而因对焦不准而产生的画面模糊情况会更少。

然而,这仅仅对拍摄纪念照片有利,而对于拍摄艺术照片来说,是很不利的。在进行艺术摄影的时候往往需要将背景中的影象虚化以突出拍摄对象。为了能够实现拍摄意图,在使用数码相机进行创作的时候往往会比较麻烦。所以,本节所说的优点只是针对一般的纪念照片拍摄用户而言的,对于专业用户以及摄影发烧友来说又要另当别论了。

好的照片与不好的照片

就象前面一节说的内容一样,一幅照片是好的照片还是不好的照片,所做的判断是因人而异的。因为"好"本身就是一种很主观的评价。例如,对于笔者来说,所谓好的照片,是指那些取材好,且使用的处理很适当的照片,而对于有的人来说,也许是指那些色彩很鲜艳、对比很强烈,让人印象深刻的照片。

在多数场合下,所谓印象深刻的照片很多都是那些使用的彩度几乎到达饱和的地步,而对比度也高到无法再高的地步的照片。当希望制作出在一堆照片中一下就能捕捉到别人的目光的照片的时候往往就会陷入这种境地。这就象对自己没有信心,所以要依靠服饰来为自己增强信心一样。

但是,这种照片往往没有更进一步调整的余地。而且在打印的时候,彩度最高的部分往往会变成很深的没有层次感的一色。这样的照片在电脑上看看还可以,在需要在其他场合应用的时候就显示出他的不足来了。可见,高彩度的照片未必就好。

另外一方面,那些让人看了觉得很沉闷,想睡觉的照片,有的时候是因为彩度不足,也有的时候,是因为是拍摄来做为创作的素材使用,所以没有对于彩度以及色阶做特别的强调处理。对于需要做进一步处理的需求来说,这反而是最合适的。

对于获得素材型的照片,最终极的方式,称为CCD-RAW。也就是对于拍摄下来的数码图象不做任何处理,直接将CCD获得的数据存储为一个文件,以待之后再在PC中处理。 使用这种方式,首先是可以使用PC对图象做无损的处理。比如,一台不能很好的描写斜向直线的数码相机,在使用CCD-RAW的时候,也可以很好的还原出很清晰的直线。

其次就是不会忽略信息。CCD的输出能力多数都是12bit甚至更高,但是转存为JPEG的时候,就成了各色8bit。也就是说,是把12bit的表现能力的高、低两端去除,只保留了中间的8bit。而具体的如何取舍,根据数码相机制造商的不同而有所不同,但是总体上来说,未必都符合使用者的要求。换句话说,就是,使用CCD-RAW可以保留很多在转存为JPEG的时候被丢弃的信息,从而有更强的表现能力。

 


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