技术篇:数码单反核心技术

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  虽然数码单反相机的机身设计及操作方式在极力模仿胶片单反相机,但二者之间毕竟有着本质的差别。不同品牌的数码单反相机也有着各自不同的规格和特点。我们总结了目前数码单反相机的部分主要技术,并对数码单反相机的影像品质进行了比较,希望能够对有兴趣的读者起到参考作用。
  
  影像传感器的尺寸
  大家在看到数码相机说明书的时候,都会注意到有一个影像传感器尺寸大小的指标,比如1/2英寸、2/3英寸、3/4英寸等,这些都表示这台数码相机所用的CCD或CMOS影像传感器的对角线尺寸大小。
  业界通用的规范是1英寸大小 = 长12.8mm×宽9.6mm=对角线为16mm的4:3比例传感器所对应的面积。有了这样的规范,我们就可以知道这台相机的影像传感器的大小了,例如1/2英寸传感器的对角线就是1英寸的一半,为8mm,1/4英寸就是1英寸的1/4,对角线长度即为4mm。
  然而,这样的标注方法仅适合于CCD或CMOS长宽比为4:3的消费型数码相机,对于数码单反相机来说,为了兼容传统相机镜头,CCD或CMOS的长宽比不是4:3,而是与传统135胶片相同的3:2,所以就不以英寸作为表达方式,而改为35mm相机全画幅(面积36×24mm)来直接称呼,比这小一号的称为 APS画幅(25.1×16.7mm)或APS-C画幅(23.7×15.6mm)。
  下面是常见影像传感器尺寸对照表。
  


  影像传感器上的绝招
  我们大家常见的影像传感器主要是CCD和CMOS类型的,但是在这个基础上,有些厂家融入最新的科技成果,开发出了一些具有特殊性能或特殊规格的影像传感器。这些经过改良的传感器有着各自不同的特色,目的自然是希望获得更好的影像品质,并被更多的摄影消费者所接受。由于这些不同传感器的标准不同,镜头系统也互不兼容,所以我们无法对它们进行实测比较。下面提供的知识性内容,仅供读者参考。
  


  4/3英寸系统
  由日本奥林巴斯公司主导的4/3英寸数码单反相机系统,采用的影像传感器比一般消费型数码相机的1英寸型CCD再大上1/3英寸,但它的比例不是其他数码单反相机所采用的3∶2,而是与消费型数码相机相同的4∶3,故沿用了英寸的称法,命名为4/3英寸系统。下面是4/3系统、APS片幅和35mm全画幅影像传感器尺寸大小比较。
  奥林巴斯的E-1和E-300数码单反相机就是采用了这样的4/3英寸系统影像传感器。
  


  超级CCD
  Super CCD是富士公司的独门绝招,它没有采用常规的正方形感光元件,而是使用了一种八边形的感光元件,并以45度角蜂窝状形式排列,单位像素的面积要比传统的CCD大,因此可以缩小对图像拍摄无用的多余空间,光线集中的效率比较高,使得影像传感器的感光性能、信噪比和动态范围都有所提高。富士公司第一代商业化Super CCD于2000年推出,2001年第二代Super CCD进一步提高了数码相机的分辨率,2002年第三代Super CCD大大提高了感光度,2003年推出的第四代Super CCD有了两个分支,其中Super CCD HR飞跃性地提高了分辨率,同时Super CCD SR大大拓宽了数码相机输出照片的动态范围。富士S2 Pro、S3 Pro数码单反相机就是采用了这种Super CCD技术。
  


  Foveon X3
  美国Foveon公司2002年公布了Foveon X3影像传感器技术。这是一种用单像素提供三原色的CMOS影像传感器技术。X3技术的影像传感器与银盐彩色胶片相似,由三层感光元素垂直叠在一起。Foveon声称同等像素的X3影像传感器比传统CCD锐利两倍,提供更丰富的彩色还原以及避免传统影像传感器所特有的色彩干扰。另外,由于每个像素提供完整的三原色信息,把色彩信号组合成图像文件的过程简单很多,降低了对影像处理的计算要求,同时采用CMOS半导体工艺的X3影像传感器的耗电比传统CCD小。
  适马公司的SD9和SD10数码单反相机就采用了这种Foveon X3影像传感器技术。
  


  为数码配镜头
  数码单反相机的一大优势就在于与传统胶片单反相机保持了良好的兼容性,可以使用丰富和完善的传统单反相机镜头和附件系统,这样就不必为了数码系统再重新设计制造镜头和其他附件,节省了研发费用,提升了资源共享。对于既拥有传统单反相机,又购买了或打算购买数码单反相机的用户来说,可以使传统和数码共享一套镜头和附件系统,保护了前期投资,也方便了外出携带,给创作带来很大的方便。
  


  原则上讲,为传统胶片单反相机设计的可交换镜头可以直接拿来在卡口匹配的数码单反相机上使用,而不会有什么副作用。不过,即便如此,在数码单反相机上使用这些镜头还是有一些值得注意的地方,其中最主要的就是镜头系数的问题。
  


  由于绝大多数的数码单反相机所使用的影像传感器的有效面积都要比135胶片的有效成像面积小,即小于24×36mm,所以在数码单反相机上使用为传统胶片单反相机设计的可交换镜头时,镜头的实际焦距就发生了变化,需要在此基础上乘以一个镜头系数才是镜头的实际焦距,即实际焦距=标称焦距×镜头系数。
  镜头系数的计算方法是:镜头系数=135胶片对角线长度/影像传感器有效成像面积对角线长度。
  135胶片对角线长度约是43.27mm,而影像传感器有效成像面积的对角线长度随不同型号的数码单反相机所使用的影像传感器的不同而不同。
  比如对于像佳能EOS 1Ds、1Ds Mark II、柯达DCS Pro SLR/n、DCS Pro SLR/c等这样的135全画幅数码单反相机来说,由于它们所采用的影像传感器的有效面积与135胶片面积相同,对角线长度一致,所以它们的镜头系数为1,即在这些型号的数码单反相机上使用传统相机镜头,实际焦距与标称焦距相同,不会发生变化。
  再比如,尼康D100、D1x数码单反相机所使用的CCD的大小是23.7×15.6mm,则其对角线长度约是28.37mm,那么它们的镜头系数就是43.27÷28.37≈1.52,也就是说,镜头的实际焦距变长了,原来100mm的镜头用在这些相机身上就变成152mm的镜头,200mm镜头则变成了304mm。
  尽管镜头的实际光圈大小不会发生变化,但由于镜头的实际焦距发生了变化,并由此带来了诸如景深、像场等一系列的变化,所以在数码单反机身上使用传统镜头还是与传统单反相机有着许多的不同,因此很多厂商还是为数码单反相机专门制造了数码镜头,在某些方面进行了优化,不过如果把这些数码镜头用在传统单反相机上可能会造成暗角,在购买和使用的时候一定要特别注意。
  
  存储介质
  目前数码单反相机使用的存储卡有三种,CFⅠ/Ⅱ(包括微硬盘)、SD卡(如宾得*IST Ds)和xD卡(如富士S3 Pro)。CF卡目前已经非常成熟,而且附加功能也越来越多,例如可以把个性化的信息设置到存储卡里带有AMS(ActiveMemory System)技术的CF卡以及保密性突出的带有LockTight技术的CF卡等等。而且CF卡的容量越来越大,价格也越来越低。目前,1GB的CF卡在千元以内,而12GB容量的CF卡也已在市面亮相。在选择CF卡时还应该考虑到卡的倍速,单一倍速数据读写速率以150KB/s为1倍速(1X),倍速越高,越能提高数码相机的存写速度。
  


  除了CF卡外,一些单反数码相机还使用或兼容SD卡及xD卡。这两种卡均具有体积小巧,容量前景大等特点,SD卡还装置有安全锁开关,具有写保护功能。随着单反数码相机普及化的发展,这两种存储介质都会具有广阔的发展前景。
  


  移动存储
  随着数码相机像素的不断提高,“数码伴侣”占据了一定的市场份额。数码伴侣多是由电池的供电系统、控制芯片、硬盘、以及读卡器整合而成。这种设备利用硬盘存储容量大优点,借助多合一读卡器的功能,可以随时将存储卡内的数据转存到硬盘中,为摄影爱好者提供方便、实用的数码存储解决方案。数码相机伴侣按照内置硬盘规格的不同也有20GB、30GB、40GB和60GB,以及80GB等不同容量之分。此外,市场上还有一种移动存储该产品是闪存与光储结合的产品。如宇瞻随身烧,该产品具有内置锂电池的供电系统、控制芯片、多合一读卡器、USB2.0接口,但其存储部件却不是硬盘,而是整合了24X的CD-RW刻录机,并选择更为廉价的CD-R、CD-RW光盘作为存储介质。这种闪存配合光储的数码存储解决方案的最大优势是可以把存储成本降得更低,数据的备份可以更加随机。
  
  数码vs胶片
  
  数码单反的成像品质
  如今的数码单反相机已经相对成熟,影像品质也被大量的摄影人士所接受,并且在很多领域中已经取代了传统胶片相机。说到图像品质,人们还是习惯地拿胶片与数字影像来做比较。我们知道,数码与胶片的图像记录概念是不同的,一种是化学成像,一种是电子成像。彩色胶片的染料堆积是无序的,而影像传感器的像素点却是有序排列的。所以用数字影像的像素去衡量胶片是不合理的。不过无论是数码相机还是胶片相机,能够获得高品质的照片才是各类照相机及镜头的最终目的。下面我们来看看数码与胶片的一些实拍比较和相关的基础知识。
  


  综合评述
  数码相机拍摄的照片与胶片相机使用彩色反转片拍摄的效果有着一定的差别,我们从未经调整的图片亮部和暗部比较来看,数码照片的动态范围不及彩色反转片,清晰范围也没有胶片大。经过图像处理软件进行亮部与暗部的调节后,数码照片动态范围的不足得到了明显的改善。
  可调整性也是数码相机的最大优势。由于胶片和数码的成像原理有着本质的区别,所以从表面来看,数码、胶片最终所生成的图像可以达到视觉上的近似,但传递给人们的感觉是有所不同的。
  
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  什么是动态范围?
  动态范围,是取明亮的地方和暗的地方的照度比的级差,这个值越大,表示被摄物体的照度差越大。数码相机的传感器尺寸和像素尺寸都与动态范围有着密切的关系。通常,较大传感器和较小像素尺寸的传感器可以获得更宽的动态范围。
  噪声是怎样产生的?
  数码相机的噪声主要是影像传感器记录及输出过程中所产生的粗糙部分。噪声的形式多种多样,既有近似胶片粗颗粒,也有水纹状条纹……。噪声的形成与影像传感器的品质、传感器的尺寸、相素的密集程度、动态范围、相机内部聚集的热量等等都有密切的关系。通常保持正确的曝光、尽量采用较低的感光度,可以有效降低噪声的产生。
  
  存储格式
  数码相机所采用的图像存储格式主要有三种,分别为RAW格式、JPEG格式和TIFF格式。目前,几乎所有的数码单反相机都有RAW格式和JPEG格式,部分单反数码相机还保留了TIFF格式。
  JPEG格式
  除了专业摄影师及少数高级摄影发烧友外,绝大部分数码相机用户都采用JPEG格式拍摄。因为有损压缩的JPEG格式占用空间小,通用范围广,一般JPEG格式的图片无须经过电脑处理就可以打印成照片了。由于JPEG数据量相对较小,存储及处理的快捷程度要大大优于TIFF及RAW。
  TIFF格式
  作为一种压缩性很低的图像存储格式,并被广大图像处理软件普遍支持的格式,并最大程度地满足于出版印刷的要求。但是TIFF占用的空间非常大,存储效率也相对较低。随着RAW格式被众多的专业摄影人士所接受,很多数码相机取消了数据量庞大的TIFF格式。
  RAW格式
  RAW是一种无损压缩的存储格式,与经过综合影像处理的JPEG与TIFF格式不同,RAW格式所读取的是影像传感器上的原始记录数据,这些数据并未经过综合影像处理,在后期处理时需要通过专用的图像处理软件,对照片进行各方面的调节,并将RAW格式转换为TIFF格式或JPEG格式。由于RAW的原始单位数据只需8Bits~12Bits储存,所以RAW格式的数据量比TIFF低很多,便于节省存储空间,提高拍摄效率。通用性较差是RAW格式的最大缺陷。目前已经有一些软件可以兼容绝大部分数码相机的RAW格式,RAW的通用性也在不断地提高。
  
  用软件处理图像
  人们在后期处理照片时通常采用PhotoShop处理影像。不过一般的PhotoShop只能兼容TIFF及JPEG格式的照片,RAW则需要通过专用软件来进行释放组合。多数带有RAW格式的数码相机会随机配备免费的RAW专用软件,也有部分数码相机的专业软件需要另行选购。由于各个厂家的图像处理要求不同,所以RAW的专用软件功能也有着较大的差别,有的功能非常强大,有的则功能简单。多数的RAW专用软件可以对数码照片的色彩、曝光、锐度、白平衡、动态范围等进行细致的调整。随着PhotoShop软件的升级,许多过去是RAW软件的优势也逐渐被PhotoShop所吸收,比如图像高光及暗部的调节可以在PhotoShop CS上所实现。
  


  高感光度见分晓
  
  通过前面数码单反使用者的评价,可以发现,他们不约而同地对数码单反在高感光度拍摄时的效果感到非常满意。在光线很暗的情况下拍摄,数码单反解决了高感光度胶片所带来的颗粒问题,同时厂商也不断致力于降低数码图像的噪点问题。但事实是否果真如人所愿,我们还需要通过对比来搞清楚。
  
  高感光度的原理
  提高胶片的感光度,即提高其对弱光线的敏感程度,一种说法是在胶片乳剂中加大卤化银颗粒来实现的,大颗粒卤化银灵敏度高,可以反映暗部画面的细节;当然,由于高感光度的胶片中大颗粒卤化银的作用,会使图像颗粒大,形成影像的粗糙感。
  数码相机的高感光度是通过模拟胶片的不同感光度,多采用电子信号的放大增益技术来实现的。当环境光线较暗时,选择高感光度设置,可以通过放大增益CCD上的光电信号,来提高影像暗部细节层次。由于信号的放大增益,数码相机的高感光度会带来杂信,即所谓的噪点。
  当然,数码相机的信号放大增益技术仅仅是提高感光度的基础,CCD的尺寸大小、排列方式及信号处理(降噪)技术都会影响图像噪点的产生。因此,较比消费类数码相机,数码的单反的噪点几乎可以忽略不计了。
  


  拍摄图像的直观对比
  我们在比较数码单反和使用高感光度彩色负片拍摄的图像时,首先会感受到数码单反拍摄的图像细腻程度要好于胶片,尤其在刻画细节方面,没有了颗粒的干扰,图像更加清晰。
  但在光影变化方面,胶片在表现层次过渡时,要稍稍优于数码单反的表现。这是由于胶片的颗粒,在经过显影定影之后,其颗粒的堆积是非线性,因此在微妙的光影变化之处会彰现其优点。
  图片说明:本对比图分别使用佳能EOS-1Ds MarkⅡ
  感光度设定ISO800,及富士P-800(ISO800)负片拍摄。
  
  数码单反vs袖珍数码
  
  在市场上风行无数品牌袖珍数码相机之时,传统相机厂商推出基于传统单反相机的数码单反,看来除了有巩固单反拍摄模式的专业性,更会体现出数码单反拍摄出来的图片的专业素质。但在图片的具体表现上,数码单反遭遇袖珍数码,是否会象传统单反轻易击溃傻瓜胶片相机一样的结局呢?
  


  操控性能与镜头的选择
  数码单反与袖珍数码相机在操控性能上延续了胶片相机的模式,即数码单反更注重在拍摄中人的主观能动性,而袖珍数码相机更注重“由人来按快门,而由机器完成其余的一切”。同时,与数码单反配套的镜头,以及更广大的成熟传统单反镜头群,更是袖珍数码相机所无法比拟的。
  
  图像素质的差别
  而数码单反与袖珍数码相机所带来的图像素质的最大区别,恐怕就在于数码相机的核心元件CCD(或CMOS)的技术指标,以及随之的数据处理和存储的区别。
  在前面的文章中我们已经了解了CCD(或CMOS)的面积大小,从中我们可以看到,袖珍数码所用的CCD(或CMOS)要远远小于数码单反所用的,这就带来了相同像素量而大小不同的CCD(或CMOS),在记录图片细节层次上的差别。不难想像,同样800万像素的数码相机,面积大的数码单反CCD(或CMOS),其单个像素点(或称感光点)也要大于袖珍数码相机,那么它所记录的光信号也就更完整。因此数码单反所记录的图像具有更大的动态范围,以还原景物的更多的细节层次。
  同时,我们还不能忽略感光点与感光点之间的距离,即其密集程度。CCD面积小而感光点密集度越大的袖珍数码相机,其点与点之间的光信号干扰也会增大,这样就会加剧图像噪点的产生。
  我们不妨以数码单反与袖珍数码相机所拍摄的不同图像中噪点和亮暗部动态范围对比一番,即可一目了然。
  
  图片说明:这是使用相同600万像素量的数码单反与袖珍数码相机拍摄的图片。拍摄时均使用自动曝光拍摄。从直观的感觉上看,似乎两者相差无几,在图片锐度和反差处理上看,袖珍数码相机甚至更让人容易接受。特别说明:拍摄时均使用光圈F5.6,但由于CCD尺寸大小不同,导致景深有所差异。
  暗部说明:我们分别从图片中截取图片的亮部与暗部进行对比,可以看出数码单反拍摄的图片,暗部细节更加柔缓平和;而袖珍数码拍摄的图片有明显的噪点出现。
  亮部说明:放大图片中柱子的局部可以发现,在龟裂花纹的表现上,数码单反对于高光的表现清晰透彻,质感强烈;而袖珍数码拍摄的图片由于不足以记录高光的层次,而显得灰蒙蒙一片。
  
  疑问:预制与自制?
  当然,从图像的直观拍摄效果来看,使用者经常会感觉到袖珍数码相机拍摄的图像更容易接受,其图像的清晰程度和色彩饱和程度要高于数码单反。这是怎么回事?
  其实这是由于袖珍数码相机在处理CCD感光数据时,会按厂家的预制进行图像的锐化和色彩调整,而数码单反会最大程度地保留原始拍摄效果,尤其是使用RAW格式,它给拍摄者更大的后期自行调整空间。所以,对于普通的相机使用者,袖珍数码是最为简单直接而适合使用的,而数码单反则为严谨的使用者提供了更为广阔的创作空间。
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