如今数字图像感应器的应用十分广泛,除了数码照相机之外,数码摄像机、安防摄像探头、拍照手机等等许多产品也都须配置CCD或CMOS芯片,而本文仅讨论数码照相机使用的图像感应器。回顾历史我们会发现一个有趣的现象——在数码相机问世之初,CCD型图像感应器占据市场的统治地位,CMOS型图像感应器则被应用于少数中低端产品上,主要原因在于CCD的成像分辨率更高、噪声更小,所得画质比CMOS出色不少;不过近年来形势却发生了变化:CMOS感应器的风头逐渐盖过了CCD,由于获得大部分厂商的支持,市场占有率不断攀升。CMOS靠什么取得“逆转”?CMOS和CCD究竟孰优孰劣?这是很多入门爱好者感兴趣的问题。
简单地看,CMOS的“逆转”源于技术的不断进步,但并不意味着CMOS已在各个方面都超越了CCD;只不过CMOS更能迎合主流厂商的竞争策略、更容易适应大众消费市场。通俗而笼统地讲,使用CMOS感应器的数码相机参数指标可以更好看,在营销宣传上可拿出来标榜的卖点更多,因此逐步成为了民用数码相机市场的宠儿。而在中画幅相机、数码后背这类专业领域,CCD感应器的主流地位并没有受到挑战;因为从纯技术层面而言,CCD芯片所能带来的最终成像素质在某些关键领域(如色彩表现、曝光宽容度等)依然比CMOS“技高一筹”;以下两幅使用CCD相机拍摄的作品就具有一定代表性。
虽然CCD在民用市场上已不像以前那么强势,但目前市售产品中使用CCD感应器的相机仍不在少数,且依然有使用CCD芯片的新产品问世。而从具体产品分析,如今的CCD相机呈现出较为明显的“两极分化”趋势:一方面,小尺寸的CCD芯片被用于一些微型消费类数码相机上;另一方面,大尺寸的CCD芯片被用于少数发烧级、专业级高端产品内;只有小部分例外。
索尼是目前全球最重要的小尺寸民用数码相机CCD图像感应器生产厂商,其CCD芯片不仅用于本品牌的DC、DV上,而且还供应给其他影像品牌,因此应用极为广泛。但近一两年来,索尼在本领域内的研发侧重明显偏向了CMOS芯片(譬如Exmor R CMOS),这一方面反映出市场对于CMOS感应器的需求相对更大,另一方面也显现出其技术开发潜力。另外不能不提的是富士——在相当长一段时期内,其SuperCCD技术曾经在业界具有强大的号召力;但在富士推出的新一代DC产品序列中,采用CMOS感应器的比例正在逐步扩大。显然,在激烈的市场竞争中,为了获得更高的感光度指标以及全高清摄像功能,富士不得不做出“弃CCD而用CMOS”的妥协。其中主要原因是由于CCD的功耗相对较高,上述两方面是它相比CMOS最明显的短板。
在一些以成像品质、色彩表现为主要设计诉求的高档消费类微型相机中,CCD感应器一度是不二之选,譬如目前市场上仍可以看到的富士的FinePix F85EXR、松下的Lumix LX3/LX5、理光的GX200、佳能的PowerShot G12/S95、尼康的Coolpix P7000/P7100、奥林巴斯XZ-1等机型,它们使用的都是CCD感应器。然而随着CMOS感应器及图像处理芯片的进步,CCD在这类产品群中的优势地位也已被动摇。佳能最新推出的PowerShot S100V一改以往“S”系列搭载CCD芯片的传统,使用了一款新设计的CMOS芯片,就是现成的例子。
而供数码相机使用的大尺寸CCD感应器研发(不包括数码后背)一度只剩下柯达还在坚持,其产品主要被用于一些贵族品牌及专业产品上;譬如徕卡的S2、新款S、M9、M-E采用的就是柯达的全画幅CCD,宾得的645D则配备了柯达的中画幅CCD,这些相机表现出的成像质感、色彩效果等,依然显示出CCD特有的优势。2011年年底,柯达宣布将自己的传感器业务出售给Platinum Equity公司,不久之后柯达即申请破产保护;因此目前只有荷兰Teledyne DALSA、比利时的CMOSIS等少数公司还在坚持设计制造大尺寸CCD芯片。相比CCD的窘境,CMOS感应器则在各条产品线上全面开花,设计制造数码相机用CMOS芯片的厂家主要有日本的索尼、佳能、松下,韩国的三星以及美国的OmniVision、Aptina等品牌。
CMOS之所以能够把CCD比下去,有市场方面的因素,也有技术方面的原因;而“背照式(BSI)”CMOS的成熟和普及,从某种程度上则加速了CCD市场份额的减退。传统CMOS的数模转换器和放大电路放置于光电二极管的上层,而“背照式”CMOS则对此结构进行了改造——将光电二极管放置在影像传感器芯片的最上层,把COMS感应器必须的数模转换器及放大电路挪到了芯片的“背面”。经过这样的调整后,“背照式”COMS在灵敏度指标上有了极大的改善,光线的入射角度和覆盖面都得到了优化,进而大大提升低光照拍摄条件下的对焦能力和画面品质。需要注意的是,“背照式”设计在小尺寸感应器上能获得较为明显的成像效果改观,而对本就拥有较充足受光面积的大、中型尺寸感应器则不会有明显的效果。因此,“背照式”CMOS虽然还不足以改变大尺寸图像感应器的生态格局,却会进一步蚕食原本属于小型CCD感应器的生存空间。
可以说,CMOS与CCD之间的角力,恰恰是近年来数码影像产业发展趋势的一个缩影,在追求“四高”(高像素、高感光度、高清摄像、高速连拍)的竞争中,CCD因自身工艺方面的限制逐渐落到了下风。对于CMOS与CCD之优劣、现状,我们简单归纳如下:
有朋友或许会问,既然理论上使用CCD芯片的相机在图像品质、色彩表现方面更有优势,那么是不是追求画质与色彩的消费者就最好选择CCD相机呢?问题并不那么简单,因为具体到器材选购,看似主动权在消费者手中,但实际上消费者却很被动。一款相机的最终成像效果不仅仅取决于其采用的感应器类型,更与相机镜头配置、感应器尺寸、图像处理芯片等诸多因素休戚相关。由于目前CCD感应器应用的两极分化,使有意购买CCD相机的用户可选余地十分有限——要么是小尺寸的消费类DC,要么是价格高昂的奢侈品或专业机;而包括数码单反、单电、微单在内的大部分非专业级可换镜头数码相机大多使用CMOS感应器。目前只有索尼的可换镜头数码相机产品线上还有两款使用CCD的相机(DSLR-a290、DSLR-a390),它们的定位却属于索尼数码单反中最低端的两款。
CCD在这类产品群内越来越不受待见显然不是因为这些厂家不知道CCD的优势,而是因为他们太在意CCD的缺点,因此在激烈的市场竞争中只能选择主动出击或被动卷入参数大战。虽然还有徕卡新一代S、M9、M-E,宾得645D这样的产品在坚守CCD阵地,但这类相机高昂的售价又不是普通消费者可以承受的,大部分摄影爱好者最终只能选择扑向CMOS的怀抱。必须承认,高像素、高感光度、高清摄像、高速连拍等等大大丰富了数码相机的功能、提升了数码相机的易用性,CMOS芯片在这中间扮演了重要的角色;当数码相机的市场竞争在某种程度上逐步演变为参数指标大战的时候,也就注定了CCD现在的命运。至于未来的形势,由于CCD受制于工艺恐怕难以在某些核心指标上赶超CMOS,因此后者的发展前景明显更乐观一些;CCD目前在专业领域所剩无几的生存空间,今后也极有可能被新一代CMOS抢夺。2012年9月,徕卡发布了M系列的新款产品——Leica M,这款产品抛弃CCD转而采用了CMOS,无疑是这一趋势的典型例证(不过徕卡仍然同步推出了一款采用CCD传感器的Leica M-E)。
就在本文收尾之际,我们看到了一则新闻:麻省理工学院的科学家最近发现,石墨烯(Graphene,一种单原子结构碳材料)具有良好的光敏特性,在受光照时会产生电流,可以感应很宽的光线范围;或许,使用石墨烯制造的器件将在不远的将来代替CCD、CMOS。
●按图像感应器尺寸(面积)划分在上一篇中我们已经讲到过:感光面积的大小也是决定图像品质的一大要素,由此也就引出了本篇所要重点阐述的“画幅”概念。在胶片时代,画幅是指单张感光片的尺寸;到了数码时代,则是指感光芯片(也被称为图像感应器、图像传感器、感光器等)有效感光面积的大小。无论胶片还是数码,感光面积在一定程度上是与画质成正比的,但数码相机的情况相对更复杂一些。
胶片时代的民用相机有“135”和“120”之分,其主要区别在于各自使用的胶片规格不同——135相机使用的胶片单张尺寸为36mm×24mm,而120相机使用的胶片单张宽度固定为60mm,长度则有45mm、60mm、70mm、90mm等不同尺寸(均只计有效感光面积)。上世纪90年代,在135相机的基础上,当时的五大影像厂商(柯达、富士、佳能、尼康、美能达)还曾联合推出过一种“Advanced Photo System”(先进照片系统,简称“APS”),其中一项重要改变就是缩小了胶片尺寸,以便制造出体积更为小巧的袖珍相机。APS胶片分为APS-H(30.3mm×16.6mm)、APS-C(24.9mm×16.6mm)以及APS-P(30.3mm×10.1mm)三类。可风光一时的APS却是一个短命的系统——推出后没几年,数码相机便迅速崛起并逐渐占领市场,使胶片相机风光不再,APS系统也随之夭折。
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APS系统标志及富士的APS胶卷
相比传统的胶片相机,数码相机在设计上不再受到胶片规格的限制,因此具有很大的灵活性,厂家完全可以按照各自的想法自主决定每款产品使用的感光芯片尺寸,从而细分市场、控制成本。目前市售民用数码相机采用的图像感应器画幅主要分为如下几类:
一、1/x英寸小型图像感应器:此类图像感应器通常用于消费类微型数码相机上(包括卡片机、长焦机等),长宽比为4:3,由于这类产品有效感光面积的对角线长度在“1英寸”以下,因此通常以“1/x英寸”的方式来表示其大小。需要说明的是,这个尺寸并非指感光器对角线的实际物理长度,标称“1英寸”的感光器其实际有效感光面积的对角线长度约为16mm。目前,这类感光器主要有1/2.3、1/2和1/1.7英寸三种规格,1/1.7英寸感光器有效工作面积的对角线长度就是1/1.7×16≈9.4mm。当然,小于1英寸规格的感光器也有特殊尺寸,譬如富士新近推出的X10,其使用的是一块2/3英寸的感光器(这一规格在早几年比较常见)。而索尼最新推出的RX100“黑卡”直接采用了1英寸图像感应器,在该指标上成为同类产品中的佼佼者。
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使用2/3英寸的感光器的富士X10微型数码相机
制造商=PHASE;型号=P 25;焦距=0毫米;日期=2011.06.28 19:57:54;光圈=F;感光度=ISO100;曝光补偿=EV;曝光时间=秒;镜头=手动
二、全画幅(全幅、Nikon FX画幅):我们可以把“全画幅”中的“全”字理解为“完全”,因此“全画幅感应器”的含义就是——尺寸完全等同于传统35mm胶片的单张尺寸,达到36mm×24mm规格的感光元件(实际有效尺寸可能存在细微误差)。目前只有少数专业级、准专业级数码相机才会使用全画幅规格的图像感应器,生产全画幅数码相机的厂家则有佳能、尼康、索尼、徕卡等几家,其中尼康将全画幅称为“FX格式”或“FX画幅”。索尼公司在2012年9月发布的Cyber-Shot DSC-RX1,是迄今为止唯一一款采用全画幅传感器的便携式不可换镜头微型数码相机。
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使用全画幅感光器的尼康D3数码单反相机
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Sony 索尼 Cyber-Shot DSC-RX1 数码相机
三、APS-C画幅(Nikon DX画幅):虽然APS是一个短命系统,不过APS这个名称却以另外一种方式得以延续下来——和早年APS-C规格胶片单张尺寸大体相近的一类图像感应器便被称为“APS-C画幅”感光器,其长宽比与全画幅相同,也是3:2。APS-C画幅的应用范围十分广泛,目前各大影像品牌的入门级、中档和部分高档数码单反相机以及索尼NEX系列、三星NX系列、富士X-Pro 1以及佳能EOS M微单相机上,使用的都是此类规格的感光器;此外还有富士X100、徕卡X1这类发烧级定焦镜头数码相机,也是APS-C画幅的。需要注意的是,不同厂家的APS-C画幅标准不同——佳能的APS-C画幅略小,为22.3mm×14.9mm;其他厂家略大,为23.xmm×15.xmm(不同型号APS-C芯片尺寸也不统一)。尼康将APS-C画幅称为“DX格式”或“DX画幅”。
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Sony 索尼 NEX-5N 微型可换镜头数码相机-APS-C画幅的感光器
四、APS-H画幅:APS-H画幅并不常见,主要使用在佳能的EOS-1D系列数码单反相机上,尺寸为27.9mm×18.6mm(以佳能的EOS 1D Mark IV相机使用的感光器为例),其面积小于全画幅但大于APS-C画幅(三者的长宽比相同),因接近于APS-H胶片的尺寸故而得名。除了佳能之外,徕卡也曾在其M8数码连动测距相机上使用过一款柯达制造的APS-H画幅CCD。随着徕卡M9升级为全画幅CCD以及佳能推出EOS-1D X,打破了过去将“1系列”尖端机型按画幅大小分为“1D”(APS-H画幅)和“1Ds”(35mm全画幅)两个分支的传统,未来是否还会出现使用APS-H画幅的数码相机,已成为一个很大的疑问。
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使用APS-H画幅感光器的佳能EOS-1D Mark IV数码单反相机
五、4/3画幅:4/3画幅是由奥林巴斯公司牵头创立的,其尺寸标准为18mm×13.5mm,长宽比为4:3;因为这一画幅的成像圈直径为33.87mm,折算后约合4/3英寸,故而得名。4/3画幅的面积略小于APS-C,这其实是奥林巴斯综合考量的结果,主要是为了能设计出既拥有较好画质,同时外形又相对轻便小巧的数码单反相机,用以和佳能、尼康等传统强手竞争,无奈成绩始终不理想。直到2008年,奥林巴斯联合松下发布了革命性的Micro 4/3系统,并先后推出了取消反光板的可换镜头数码相机(第一代“微单”),4/3画幅才由此获得了更为广泛的关注,并成为主流市场的新宠。需要补充的是,2012年年初佳能推出了一款使用类4/3画幅CMOS感光器的镜身一体设计旗舰级消费类数码相机——PowerShot G1X,不过其感光面积略微大于奥林巴斯、松下的4/3画幅标准。
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奥林巴斯 Olympus Pen E-PL3 微型可换镜头数码相机-Livemos感光器
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Canon 佳能 G1X 数码相机
六、Nikon CX画幅:尼康公司在2011年9月推出了自己的微单相机——“Nikon 1”系列,采用了全新定义的CX画幅,其感光面积具体尺寸为13.2mm×8.8mm(采用传感器英寸标记法折算后大约为“1英寸”),小于4/3画幅。CX是数码相机“画幅大家族”目前最年轻的新成员。
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使用CX画幅感光器的尼康V1数码微单相机
七、中画幅:大多数普通摄影爱好者鲜有接触中画幅的机会,因为其主要运用于专业领域,但入门爱好者千万不要被名称所误导,认为中画幅比全画幅小,事实上恰恰相反。数码时代的中画幅与胶片时代的中画幅在参考标准上有所不同,以目前市面上两款常见产品为例:宾得645D采用的图像感应器尺寸为44mm×33mm,徕卡S2搭载的则是一款45mm×30mm的感光器,尺寸都超过了全画幅的36mm×24mm;它们的感光面积和早年的胶片式中画幅相机以及数码后背相比要小一截,但并不妨碍这两款产品被划入中画幅数码相机的行列。
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宾得 Pentax 645D 采用的CCD图像感应器
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数码相机画幅比例参考图
为了让大家更直观地了解不同画幅之间的尺寸、面积差异,我们绘制了上面这幅比例图,供朋友们参考。那么这种差异对数码相机哪些方面的表现会产生影响?画幅大小能够决定哪些要素?我们对此做了简要的总结:
一、画质差别:在文章的开头我们就强调了这一问题,数码相机感光芯片的尺寸大小是影响画质很重要的一个因素,原因在于——更大的感光面积可以获得较高的灵敏度、动态范围和信噪比,进而能对图像细节表现、色彩层次、画面纯净度、曝光宽容度等产生良性影响。中高档卡片机的画质往往要比拍照手机的画质好,这是因为前者使用的感光器尺寸更大;而数码单反相机比一般卡片机的画质好,很大程度上也是基于同一原因。需要说明的是,感光器大小虽然很关键,但影响画质的因素和器件还有像素数、图像处理器、镜头配置等多方面,消费者在选购时应结合自己的需求以及相机的实际拍摄表现加以综合考量。
二、镜头焦距的差别:在《数码相机入门 成像原理关键词·上》[作者: 刘恩惠 ] 中我们已经讲到过,感光器尺寸、镜头焦距以及成像视野三者间关系密切——理论上,不同尺寸的感光器在相同焦距下所能捕获到的视野范围是有差异的;换句话说,不同尺寸的感光器想要获得相同的视野范围,要由不同的焦距来实现。为了有一个便于比较的统一标准,业内便以全画幅相机的焦距参数作为基准,进而出现了“等效焦距”和“等效系数”(也被称为“折算系数”、“转换系数”)这两个概念。
举一个简单的例子——4/3画幅的感光体宽度约为全画幅的1/2,因此其等效焦距系数就是2x;具体到实际应用中,在完全相同的拍摄位置、面对完全一致的拍摄场景时,4/3画幅搭配25mm镜头所能获得的视野范围,与全画幅相机搭载50mm镜头所能获得的视野范围大致相当;在这个例子中,对4/3画幅而言,25mm是镜头的物理焦距,50mm是等效焦距。由于数码相机感光器尺寸不一,各类画幅的等效系数也是不同的,APS-C画幅是1.5x或1.6x、APS-H是1.3x、CX是2.7x。另外需要注意的是,各类相机镜头上标注的焦距通常都是物理焦距,用户在购买时要留意相关的产品说明,厂方一般会在宣传资料中注明该镜头的等效焦距。
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相机镜头上标注的焦距指标
三、景深差别:画幅较小的感光器无法获得较浅的景深。许多初入门者都会产生类似的疑问——为什么我的卡片机拍不出单反机那种强烈的“主体突出、背景虚化”效果?原因之一就是因为卡片机使用的感光器太小。如果您非常看重“背虚”,那么尽可能选购大画幅相机是没错的,但须记住一点——虚化程度的大小不仅仅与感光器面积有关,还牵涉到光圈系数、镜头焦距、拍摄距离等因素。
四、机身体积差别:理论上,使用的感光器尺寸越小,产品就可以设计得越小巧、越轻薄。譬如,基于控制体积的考虑,拍照手机使用的图像感应器就往往非常之小。对于数码相机而言,感光器尺寸与机身体积大小在大部分例子中也是成正比的;譬如使用全画幅感应器的数码单反相机,通常比使用APS-C画幅感应器的同类产品块头更大;又譬如宾得为了尽可能缩小PENTAX Q的体积,为其搭载了一款1/2.3英寸的微型感光器。但影响相机体积的因素还有取景方式、监控屏规格、电池仓大小等等复杂因素,因此使用同等大小感光器的两款相机,外形尺寸上却可能差别巨大;譬如新兴的微单相机与传统入门级数码单反相机两者的比对就是最好的例证。此外,画幅的大小也会对镜头的大小产生影响,由于牵涉因素更为复杂,本篇暂不展开。
画幅尺寸虽然关键,但入门爱好者同样需要了解,画幅大小并不一定和下面两个重要指标有存在必然的关联:
一、不一定和像素高低有关:有很多朋友可能会认为画幅越大像素就一定越高,在早几年,情况的确如此,但放眼如今的数码相机市场,画幅和像素之间已不存在绝对的正比关系。譬如佳能最新推出的旗舰型号EOS-1D X采用了1800像素的全画幅感光器,而索尼之前推出的单电旗舰a77则使用了2430万像素的APS-C画幅感光器;前者画幅大像素数却反而少。出现这一现象,与部分相机厂商对像素值追求的“退烧”有一定关系。我们知道,像素虽然可以提高图像输出的分辨率、解析度,但过密的像素会让像素间距变小,从而导致图像信号品质劣化;当像素达到一定指标后,对大多数普通用户而言,数字图像输出质量的主要瓶颈便不再是像素不足的问题。因此,在一定的画幅下,如何取得像素与画质间的平衡,这是民用相机厂商目前最需要花功夫解决的问题;各大品牌的策略和优势不同,产品诉求和定位也各有侧重,出现迥异的设计思路也就不足为奇了。这种差别没有好坏之分,因为其各自对应的市场和用户是不同的。
二、不一定和感光度高低有关:目前大部分消费类数码相机的ISO上限为3200-6400,而全画幅数码单反的ISO上限已经达到51200(可扩展至204800),这是不是说明感光器的画幅指标与其感光度指标一定成正比呢?让我们再来看看使用中画幅感应器的宾得645D感光度上限是多少?ISO1600。可见,画幅大未必感光度就一定高。其实一款数码相机的感光度指标不仅仅取决于感光器的画幅,也与其像素密度直接有关;宾得645D的画幅虽然大,但像素达到了4000万之多,要保证其高感光度下的画质表现无疑颇具难度;更重要的是,高感光度并非厂方设计这款产品的主要诉求点,因此其较窄的ISO设定范围也就完全可以被理解了。
综合上述两点我们就可以得出结论:画幅面积较大的感光器在图像输出品质方面通常优势显著——如果追求高分辨率,大画幅感光器的面积优势无疑使其可容纳的像素点更多;如果追求高感光度画面纯净度,在像素相同的前提下,大画幅的像素间距会更宽(单个像素的面积更大),理论上画质会越好。而随着机内后期降噪技术的日渐成熟,高像素与高感画面纯净度之间在一定程度上也是可以取得相对平衡的;而有些相机还可以通过调整感光器的工作机制,用降低像素的方式来提升高感画质。
●按图像感应器支持的画幅长宽比例分
数码相机的画幅长宽比例主要分3:2和4:3两大类,3:2标准源于35mm胶片的尺寸,而4:3标准则是遵循了早年电视机荧幕和电脑显示器的长宽比。大致上,1/x英寸小型图像感应器、4/3画幅的长宽比通常是4:3;全画幅、APS-C画幅、APS-H画幅、Nikon CX画幅长宽比均为3:2;中画幅相机则标准各异,譬如宾得645D是4:3,而徕卡S2则是3:2。
除了3:2和4:3,我们还可以看到很多数码相机目前都支持16:9画幅。16:9的长宽比已被证明是最符合人眼视野范围的设计,在电影、高清数字电视、计算机显示器纷纷转向宽屏设计时,数码相机自然也顺应了潮流。但需要说明的是,支持16:9画幅不代表相机的图像感应器的物理长宽比也是16:9,大多数产品是靠遮蔽感光器上下两端部分有效感光面积来实现宽画幅的。不过也有少数例外,譬如松下早前的Lumix DMC-LX2使用的就是16:9长宽比的CCD感光器,而它的后续型号“刘小三”和“刘小五”(Lumix DMC-LX3和LX5)又有所改变——它们使用的感光器长宽比为3:2,通过采用冗余设计来实现所谓的“原生16:9画幅”或“真16:9模式”。通过下面这幅图,我们就可以理解感光器冗余设计的意义——同一款相机在使用16:9画幅时,可以获得比4:3和3:2画幅更宽广的水平视野范围;而那些靠遮蔽部分有效感光面积实现宽画幅的产品,无论采用哪种比例的画幅,水平视野都是相同的。
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感光器冗余设计的示意图
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拥有“原生16:9画幅”的松下Lumix DMC-LX5相机在16:9模式下拍摄的宽幅照片
制造商=PANASONIC;型号=DMC-LX5;焦距=16毫米;日期=2011.09.28 15:54:56;光圈=F5.0;测光模式=模式;感光度=ISO80;曝光补偿=0.0EV;曝光时间=10/8000秒;曝光程序=风景模式
除了16:9之外还有1:1画幅(在某些相机设置中被称之为6x6);这一比例其实源于中画幅相机的正方形感光片(120胶片机中的60mm×60mm片幅)。在胶片时代,使用正方形画幅的最大好处在于可以最大限度地利用镜头的成像圈,但在数码相机上,正方形画幅都是通过遮蔽感光器左右两端部分有效感光面积达成的。
3:2、4:3、16:9、1:1这四种画幅比例在数码相机上各有用武之地,譬如拍摄广角风景时,使用16:9画幅可以凸显场面的宽阔感;拍摄人像并进行竖向构图时,4:3会比3:2显得更为协调;而在拍摄对称场景时,正方形画幅又有自己独特的优势……相关知识,我们将在以后的篇章中为大家详细介绍。
随着技术的发展,目前有越来越多的数码相机开始支持“全景拍摄”功能,也就是通过快速的连续转动拍摄并由机内图像处理器进行裁剪和拼接,最终输出长卷式的超宽幅全景图像。对于记录大场景来说,这无疑是一个非常实用的功能。
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Sony 索尼 NEX-5N 微型可换镜头数码相机-实拍-西藏行-全景拍摄-羊卓雍错
制造商=SONY;型号=NEX-5N;焦距=18毫米;日期=2011.09.30 11:13:18;光圈=F11.0;测光模式=模式;感光度=ISO100;曝光补偿=-0.3EV;曝光时间=1/250秒;曝光程序=程序模式
五[详解“防抖”]
按照原本的计划,本篇应该继续和大家一起“镜头大阅兵”,但在撰写到“按镜头是否支持防抖分”这部分内容时,我们发现“防抖”是一个可以单独列出来细讲的章节,因此决定临时调整一下。数码相机为什么要有防抖功能?防抖又是通过何种途径实现的?目前主要有哪些防抖技术?防抖功能在选购、使用中需要注意哪些要领?让我们逐一解开这些问题的答案。
●抖动的产生与安全快门速度
无论新手还是老鸟,在光线条件欠佳且使用手持方式拍摄照片时,即便对焦准确也难免会把照片“拍糊”——在这类不太理想的作品中,图像或多或少带有一些影响清晰度的叠影、拖影,程度轻微时则表现为图像锐度下降。之所以产生上述这类情况,一方面可能是因为被摄物体状态不稳定,另一方面也可能源自拍摄者自身的问题——通俗而简单地讲,就是因为摄影师在拍摄的瞬间“手抖”、“手震”或“手颤”。事实上,对于大多数普通人来说,再怎么屏气凝神、苦练气功,抖动或晃动都是难以避免的;因此问题的关键在于:何种条件下,这种抖动会造成照片的模糊?对此我们给出一个相对比较严谨的解释:拍摄时相机的快门参数未能达到足够的手持安全速度,相机的晃动导致光路出现偏差,最终成像效果就会发生虚糊或锐度下降。而如何最大限度地避免这种情况的发生,或者说降低其发生概率,正是本篇所述内容的重点。
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正常拍摄的清晰影像与发生抖动后产生的虚糊影像对比
什么是“安全快门速度”呢?首先必须明确,“安全快门速度”这个概念是基于手持拍摄而言的,简单地解释是:在手持照相机进行拍摄时,可以基本保证照片清晰、锐利的最低快门速度;当相机被安置在三脚架上时,是无所谓“安全快门”的。其次,安全快门速度并不是一个固定值,而是一个变量——它随拍摄焦距的改变而改变,常见的计算公式是:安全快门速度=等效焦距的倒数;按照这一公式,在全画幅相机上使用50mm镜头进行拍摄时,安全快门速度就是1/50秒;也就是说,只有在快门速度高于1/50秒时,才能基本确保拍摄结果不容易因手、手臂的抖动而发生虚糊。最后一点,安全快门速度作为一种约定俗成的经验法则,虽然具有一定参考价值,但用户也不必完全拘泥于上述公式,因为并不是使用低于安全快门速度进行拍摄的照片就一定会糊掉(有时候即便发生轻微晃动,也不会很明显地影响到照片的观赏效果),而在颠簸摇晃比较剧烈的环境下,即便使用安全快门速度拍摄也未必能确保每一张照片都完全清晰。
其实,每位摄影师的手持稳定性往往存在差异,与握持方式、身体姿势甚至是按下快门瞬间的情绪是否平稳也有关;还可能和所持相机的大小、重量、握持手感有一定联系。因此,与其纠结于理论上的安全快门速度,不如掌握正确的相机握持方式、使用合理的拍摄姿势并灵活应用曝光技巧。
●防抖技术的分类及功效
虽然“安全快门速度”的计算公式并不需要绝对遵循,但在光线条件不足、相机快门速度低于一定参数时,手持拍摄难度会有所增加,这是毋庸质疑的;而且镜头焦距越长,对拍摄者握持稳定性的要求越高,这也是客观规律。克服这一潜在风险最直接的方法,不外乎通过调高感光度、调大光圈的方法来实现快门加速;但调高感光度往往会导致图像噪点增多、画面品质下降,而光圈缩放则会影响景深(而且某些时候即便光圈已经被调到最大,用户依然还是会受到抖动的困扰),两种途径都有局限。由此,为加强相机手持拍摄的成功率,各大影像厂商纷纷为自己的相机或镜头产品研发、搭载了各类“防抖”、“防震”、“减震”装置(也常被称之为“图像稳定”或“影像稳定”功能),借此提高产品竞争力。
从实现方式上看,此类功能分为“数码防抖(有些也被称为“电子防抖”)”和“光学防抖”两大类。数码(电子)防抖的实现方式各不相同:有些是通过相机内部芯片的运算对拍摄结果进行后期处理从而使照片看上去更“清晰”(但实际上对画质也起到了一定的破坏作用),有些则干脆直接通过拔高感光度的方式来实现快门加速(这类功能也被称为“高感防抖”)。上述两种数码(电子)防抖对图像品质无疑都会造成明显的劣化,效果可谓“有得有失”,而目前还有一种较为先进的数码(电子)防抖,即“多帧合成”——相机在指定模式下会以相对安全的快门速度及较高感光度同时拍摄多张照片,然后利用图像处理器对照片数据进行合成、降噪,从而获得画面清晰度与纯净度之间的平衡;索尼部分相机中的“动作防抖模式”便是此类技术的代表,下面这张照片就是成功应用该项功能的拍摄实例:
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Sony 索尼 NEX-5N 微型可换镜头数码相机-实拍-西藏行-米拉山口牦牛雕塑
制造商=SONY;型号=NEX-5N;焦距=16毫米;日期=2011.09.27 07:29:07;光圈=F4.0;测光模式=模式;感光度=ISO6400;曝光补偿=0.0EV;曝光时间=1/250秒;曝光程序=程序模式
相比数码(电子)防抖,光学防抖技术的历史要更长一些。全球第一台带有防抖功能的照相机是尼康公司1994年发布的“NIKON Zoom 700 VR QD(北美地区型号为:Zoom-Touch 105 VR QD)”,这款镜身一体化微型傻瓜式胶片相机的镜头内部首次搭载了Vibration Reduction(减震)组件;到了1995年,另一家影像巨头佳能,发布了全球第一支带有防抖图像稳定器的可交换式镜头“EF 75-300mm f/4-5.6 IS USM”,在业界广受赞誉;2003年,美能达公司推出DiMAGE A1,这是世界上第一台支持光学防抖功能的数码相机;2004年,柯尼卡美能达又发布了带有AS(Anti-Shake)功能的MAXXUM 7D,开创了防抖数码单反机身的先河。
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尼康 NIKON Zoom 700 VR QD(Zoom-Touch 105 VR QD)相机
尼康公司出品的全球第一台带有防抖功能的照相机(1994年),图片取自dcview网站
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佳能 Canon EF 75-300mm f/4-5.6 IS USM镜头
佳能公司研发的全球第一支带有防抖图像稳定器的可交换式镜头(1995年)
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美能达 Minolta DiMAGE A1数码相机
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柯尼卡美能达 Konica Minolta MAXXUM 7D数码单反相机
在照相机进入数码时代后,光学图像稳定技术开始分“机身防抖”和“镜头防抖”两大阵营并延续至今(也有一些观点认为,机身防抖不属于光学防抖行列,而应单独归为一类),区分它们的标志很简单,就看图像稳定装置位于相机机身内还是位于镜头内。“机身防抖”的核心是带有图像稳定功能的传感器组件,因此也被称为“传感器防抖”或“感光器防抖”,譬如上面提到的DiMAGE A1和MAXXUM 7D便属于这一类型;“镜头防抖”则通过镜头中的专用浮动镜片来实现,尼康ZOOM 700 VR QD和佳能EF 75-300mm f/4-5.6 IS USM均属此类。其实两者的基本工作原理相类似——它们都是以陀螺仪传感器或加速度传感器来感应相机抖动,再通过微处理器快速运算并驱动相关组件做反向位移来抵消抖动影响,从而达到矫正偏移光路、使图像保持清晰的目的。
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带有防抖功能的图像传感器组件
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镜头防抖功能原理演示图
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腾龙镜头光学防抖组件结构示意图
虽然光学防抖功能可有效提升手持拍摄的成功率,但图像稳定技术并不能完全杜绝“手抖”所导致的照片虚糊,它只能在一定范围内起到作用,因为光学防抖系统有其自身能效的极限。我们会看到一些相机或镜头在宣传资料中标称:防抖模式下“相当于提高4级快门”,这句话如何理解呢?事实上,进行拍摄时相机的快门速度并不会因为防抖功能的开启而发生改变,其实际含义是——相机的安全快门速度能因此降低4级。譬如在某一焦距下,拍摄者原本需要1/125秒的快门速度才能保证画面不受抖动等因素的影响,但在防抖开启后可能只需要1/8秒便能获得相对清晰的图像,在光线条件欠佳的拍摄环境下无疑是非常实用的功能。当然,这仅仅是理论上的数据,代表防抖功能开启或关闭状态下,使用1/125秒或1/8秒快门速度时拍摄效果受抖动影响的概率基本一致,并不是说开启防抖功能就一定能保证照片效果的完美。
●“机身防抖”、“镜头防抖”和“双重防抖”
“机身防抖”和“镜头防抖”究竟孰优孰劣呢?对于可换镜头数码相机而言,机身防抖的优势在于“一劳永逸”——只要购买的相机其感光器组件支持图像稳定功能,无论采用何种镜头,都可以实现光学防抖;反之,如果相机机身不支持防抖,那么只能通过使用带图像稳定功的镜头才能有效提高手持拍摄的成功率。镜头防抖的成本虽然更高,但也有自己的优势——摄影师可以直接从相机的光学取景器内即时察觉到防抖的效果,从而有效提高取景的舒适度与精确性(尤其在使用长焦镜头时),这是机身防抖无法实现的。当然,这一差异只在数码单反类产品上采用光学取景器时才会有所体现,使用电子取景时机身防抖的效果也能同步呈现在屏幕上(但对于采用专用实时取景[LiveView]芯片实现屏幕取景的部分索尼单反机型,无法实现同步)。
那么在实际防抖效果上,谁更胜一筹呢?有人认为镜头防抖的效果更好,因为厂家可以按照每支镜头的特点有针对性地采取经过优化的防抖设计;当然,也有观点支持两者差距并不明显。问题的关键是,对于类似的争论,并没有比较客观而理想的测试对比方法可以加以检验,而且我们认为即便进行对比,也应该具体到产品进行分析,单纯讨论两种技术的优劣没有太大意义,这里便不多展开。
目前市面上有些相机号称采用“双重防抖技术”,这或许会让一些朋友产生疑问——“双重防抖”是不是意味着它既支持“机身防抖”又支持“镜头防抖”呢?答案是否定的。无论哪种类型的数码相机一律都只会搭载一个光学防抖组件,使用机身防抖的机型不会或者说不宜再采用镜头防抖,反之亦然。而所谓“双重防抖”的含义,不同的品牌对此会有不同的解释。譬如佳能的双重防抖是指可以同时补偿相机的“倾斜抖动(角抖动)”和“平移抖动(水平抖动)”,以此改善微距镜头或微距拍摄模式下的防抖效果;而另有一些品牌将双重防抖定义为“光学防抖”+“数码(电子)防抖”,即相机本身支持光学防抖,同时在必要时还会启动数码(电子)防抖机制,通常就是自动提高感光度。
当然,我们并不反对厂家用提高感光度的方式来“强化”防抖效果,因为在某些环境下,“光学防抖”的确不能彻底解决问题。奥林巴斯的旗舰级消费类便携相机XZ-1就是现成的例子,这款产品支持“光学防抖”且稳定效果良好,但在试用时我们也发现,光线不够充足时XZ-1在某些模式下“出糊片”的概率有点高;最终我们找到了问题的根源——厂家为其设计的自动曝光机制存在缺陷:为确保画质刻意降低部分自动模式下高感光度出现的频率,且将安全快门速度定为夸张的1/2秒。显然,对于初学者而言,这并不是一个合理的设计,光线条件欠佳时适当提高感光度还是有必要的;因为如果必须在“虚糊”和“噪点”之间做一个选择,大多数人还是会倾向于后者。如果两个缺陷你都无法忍受,那么还是选择三脚架吧。
- 扩展阅读:《奥林巴斯XZ-1相机“顽固症”探究及数码滤镜实拍样张展示 》[作者: 刘恩惠 ]
●关于防抖镜头
鉴于光学防抖具有较强的实用性,因此目前新推出的数码相机大都支持这一功能;而在实现方式上,“机身防抖”和“镜头防抖”各占一定份额。对于镜身一体化相机而言,搭载哪种防抖模式可以是个无关紧要的问题,但对于可换镜头相机而言,消费者却有必要了解一下不同品牌产品具体采用的类型,以便在选购和使用时做到心中有数。
目前几大主流数码相机品牌里,佳能、尼康、松下、三星的可换镜头相机采用镜头防抖(但有消息称,三星计划在后续的NX系统上改用机身防抖技术);奥林巴斯、宾得采用机身防抖;而索尼的a系列数码单反、单电相机采用机身防抖(Steady Shot),其NEX系列微单相机则采用镜头防抖(索尼在自己的语言体系内,把机身防抖技术称为“电子防抖”,而将镜头防抖称为“光学防抖”);还有刚刚重返可换镜数码相机大家庭的富士,其新推出的X-Pro1使用的是镜头防抖。顺便提一下贵族品牌徕卡,它的M系列和S系列可换镜头相机以及相关镜头群,目前均不支持任何形式的光学防抖。
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使用机身防抖的Pentax 宾得 K-5数码单反相机
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支持光学防抖功能的尼康 AF-S Nikkor 24-120mm f/4G ED VR镜头
前面我们已经谈到过,机身防抖和镜头防抖通常不会在一台相机上重叠使用,所以在采用机身防抖模式的可换镜头相机体系内,其镜头部分大多不会再带有防抖功能;当然也会有一些特例,譬如SIGMA就曾发布过带有防抖功能的SONY a卡口单反镜头,还有M4/3体系中松下部分带防抖组件的镜头也可以安装在拥有机身防抖功能的奥林巴斯机身上。而采用镜头防抖模式的话,是否支持防抖则完全要看安装在机身上的镜头本身有没有带图像稳定器;并不是每一支镜头都会搭载防抖组件,厂家通常会根据产品的焦段、用途、定位来决定是否为其设计防抖功能;譬如使用超广角和广角镜头时,安全快门速度相对比较低,通常不会加上此类功能(但也有例外,如尼康的AF-S NIKKOR 16-35mm f/4G ED VR镜头)。当然,如今防抖镜头的普及度已经很高,虽然图像稳定技术一度是高端镜头的专利,但随着市场的发展、竞争的加剧,各大厂家都逐步将这一功能下放到自己的入门级产品线上。
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高性价比廉价防抖镜头的代表——佳能EF-S 55-250mm f/4-5.6 IS
防抖镜头的图像稳定器组件通常由抖动感应检测系统、驱动控制系统和补偿振动镜片组成,结构上各家都差不多。而一支镜头是否带有防抖功能其实也不难识别——生产厂家会在其型号中加入指定的字母缩写:佳能是“IS”,尼康是“VR”,松下是“MEGA O.I.S”,三星是“OIS”,索尼E卡口是“OSS”,适马是“OS”,腾龙是“VC”。
●防抖功能选购、使用要领
本篇的最后,让我们一起来总结一下有关防抖功能的几项选购、使用要领:
- 1、某些低端产品虽然号称自己支持防抖功能,但很有可能采用的是数码防抖,初学者应尽可能选择带有光学防抖功能的相机;当然,拥有光学防抖+数码(电子)防抖更好。
2、使用三脚架时,应尽可能关闭相机或镜头的光学防抖功能,否则图像清晰度可能反而会受到影响;当然,如果在极端天气环境下,相机处于三脚架上时仍有轻微摇晃,那么无须关闭防抖;另有一些产品带自动感应功能,当相机置于脚架上时会自动关闭防抖。
3、大多数光学防抖镜头的图像稳定组件在启动后会持续发出类似“吱吱”的轻微工作噪音,这是正常现象,不要因此怀疑镜头出了质量问题。
4、使用可换镜头相机进行手持拍摄时,如果机身和镜头都支持光学防抖功能,应该关闭其中一个;如果让双方都处于工作状态,非但不会起到“双重防抖”或“防抖加强”的作用,反倒可能会让拍出来的照片更模糊。
5、光学防抖不是万能的,如果在光线不够充足时,即使开启防抖且经反复实践仍旧无法获得清晰成像时,应考虑使用更大光圈或更高感光度,无论如何这两个指标都是最直接有效的“防抖”。
6、除依托拍摄器材自身的防抖功能外,切勿忽视正确拍摄技巧的演练,内外结合才能所向披靡!