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理解"像素"

发表时间:2013-06-09 来源:色影无忌 作者: 亦川 点击数: 2557 责任编辑: 亦川

   一张照片是由一个个点组成的,每一个点我们称为一个像素,它是构成图像的的基本单位。一张照片,若它拥有较多的像素,打印或显示的时候,也就能看到更多细节。尤其是打印成一个确定尺寸的时候,原始文件的像素越多,意味着单位面积中有更多的点,密度更高,整个照片也就更细腻。

   像素这个概念也存在于数码相机中,很好理解,它代表一台数码相机拍摄一次得到的图片拥有多少个点。通常这个指标是由硬件决定的,数码相机的CCD或CMOS传感器上,密布着众多的光电二级管,每一个光电二级管前面有一个微透镜,光线经过透镜到达光电二极管,再被转换成相应强度的电荷,反映出这个点上的亮度。所以一个光电二极管,就是一个像素,是构成这架数码相机的产出品----照片的基本单位。可以说,一个光电二级管 = 一个(传感器上的)像素 = 一个(照片上的)像素。

   如果我们探究得更深一点,会知道事情有些许的偏差,由于光电二级管只能获得亮度信息,不能分辨颜色,所以我们不能直接得到一张彩色的照片,这就产生了被广泛使用的Bayer filter arrangement技术----“拜尔滤镜矩阵”,它以每四个光电二级管像素为一组,在其中一个前方装上蓝色滤镜,滤掉其他颜色的光,只让蓝色光通过,于是这个点上我们得到了蓝色的亮度。同样的,另外一个点上装上红色滤镜,剩下两个装上绿色滤镜,这样我们就得到了三原色的数据,不光是亮度,而且是每一原色的亮度,通过后期的处理可以还原出彩色的图像来。

   看上去,传感器表面像贴了马赛克的墙,所以这种技术常常被常常被称为“马赛克”。

 

                                                                                                               拜尔滤镜矩阵
问题是一个蓝色滤镜下的像素,如何知道被滤掉的红色和绿色的亮度呢?答案是它不知道。它只能找它旁边的绿色点去“借”绿色亮度数据,以及向自己旁边的红色点去“借”红色数据,最终凑齐了三原色来还原出这个点上的色彩。由于旁边的绿色点和红色点也同样要找它“借”蓝色数据,所以互相谁也不欠谁,这个互助的过程也就始终能顺利进行;-)。唯一有问题的是在传感器最外侧那一排像素,由于外侧再没有“邻居”,无法“借”到另两种颜色的数据,所以它无法还原出色彩,于是它的作用变成只是借出数据给内侧的像素点,而自己不能生产出一个图点。这就是我们看到数码相机的像素参数里,有像素数和有效像素数两个数值的原因之一:有些(传感器上的)像素是不产生(图片上的)像素的。

   所以,前面的那个等式应该修正为:一个(传感器上的)有效像素 = 一个“有效”光电二级管 = 一个(图片上的)像素。

   由于很多人都了解这个等式,也由于我们把数码照片中的一个点和数码相机中的一个光电二级管都称为一个“像素”,于是一个重要的误会发生了:像素数越多,图片/照片的画质越好。

   这句话,对图片来说是成立的,前提是如果这个图片是完全由数字方式创造出来的。那么这个图片的像素越多,图像会越细腻。但是对于数码相机上的像素----光电二级管来说,却不是越多越好。因为它的主要功能是产生电荷信号,这些信号再经过放大和模拟转数字的处理,才变成数字信号。也就是说,它是工作在模拟电路中。一个光电二级管上,也就是一个传感器像素上,能接收到多少光,决定了它是否能很好地完成输出电荷模拟信号的任务,所以,这个像素的的大小是最重要的,当然,对电荷信号的输出处理过程也很重要。

   当我们强调了“图片像素”和“传感器像素”是两个不同的东西,不再笼统地视为同一个概念:“像素”,关于像素和画质之间的关系也就明晰起来:高画质就是又多又好的图片像素。“多”很好理解,“好”是什么?什么是好的图片像素呢?就是色彩准确纯净。得到图片像素要靠传感器像素这个源头,什么是好的传感器像素呢?就是动态大,噪声小。而传感器像素的多和好是此消彼长的对立面,这正是矛盾所在。

   对比下图中两个例子,右边是相对纯净的照片,左边是高ISO下受到噪声“污染”的照片,可以很直观地看出,他们的像素数是相同的,实际的画质差别却很大,画质差的那张,就是像素够多(和对比图一样多)但不好的表现。

 


这里需要介绍一下动态范围这个概念:最大输出信号和噪声水平之比。也就是大动态范围可以获得低噪声的纯净信号,可见,动态和噪声说的其实是一件事情。质量好的传感器像素是获得好的图片像素的基础,图片像素质量取决于:传感器的尺寸(传感器像素质量的体现之一),传感器对光线的利用效率(传感器像素质量的体现之一),相机的图像处理器硬件和固件水平(决定传感器像素向图片像素转换的质量),以及镜头等等因素。

   首先最重要的是传感器的尺寸,传感器越大,获得的光线越多,在像素数固定的情况下,传感器尺寸越大,单个像素尺寸也越大,单个像素上能收集的光线(光子)也越多。而反过来,在给定的传感器总面积上,像素数越多,单个像素就越小,每个像素能接收到的光也就越少,输出的电压/电流偏低,需要高倍放大,产生的噪声也就越大,画面的纯洁度自然受到影响,也就谈不上什么画质了。所以要提高画质,就需要重视单个像素的质量,而不是单纯追求总像素的多少。遗憾的是,我们在相机的参数里面,却发现像素是用数量来衡量的,而不是质量。更多的像素给我们更大的照片,但是大照片并不总意味着好的画质。一个小的传感器像素,和一个大的传感器像素,收集光线的能力可以有极大的差别。曾经有的国外文章这么说:“Not All Pixels Are Created Equal." ----(传感器)像素生而不平等。

   传感器大小固定之后,在每个像素点前面的用于聚光的微透镜,以及传感器上的布线也很重要,前者决定了聚光的效率,后者决定了有多少面积被真正用来接收光线,因为作为数据线的那部分面积对光线收集是没有贡献的。在光电二极管和微透镜之间的走线还会遮挡部分光线,新近出现的“背照式CMOS”就是将这部分导线移到了后面,从而更好地利用光线。

 


以佳能的EOS 5D Mark III的CMOS传感器为例来看,它采用了消除相邻微透镜之间间隙、提高开口率的无间隙微透镜技术。加上缩短微透镜到光电二极管之间的距离,提高了聚光效果。更进一步,EOS 5D Mark III的无间隙微透镜还能对应画面中央和周边部不同的光线入射角度,通过针对各位置配置形状适合的微透镜,使各像素都能高效聚光。通过这些技术上的改善,增加了可以转换为电子信号的光量,提高了信噪比。

 

   图像处理器的水平也同样重要,如同PC的CPU一样,处理器性能越强,就能进行更快更多的运算,在将原始数据转换成图像的过程中,运算能力强的处理器,可以使用更复杂的算法,自然最终效果也更好。一个比较直观的例子是“多张降噪”功能,由于处理能力的提高,越来越多的相机具备了这个功能:同一场景快速地拍摄几张,用来合成为一张照片。由于采集到比原本一张照片多几倍的数据,也就能更好地通过计算来去除随机产生的噪声信号,明显改善高感的画质。

 

 EOS 6D的多张降噪功能

   镜头因素自然也是不言而喻的,锐利的图像,丰富的层次,准确的色彩,哪一项离开了高质量的镜头都是会大打折扣的。过去的数码相机上还大量使用低通滤镜来消除摩尔纹和伪色,低通滤镜的作用其实就是略微降低镜头的分辨率。如今已经有部分数码相机取消了低通滤镜,相当于改善了镜头素质,也的确产生了更锐利的图像。当然,随之而来的摩尔纹和伪色的出现概率增加,是去除低通的副作用。故而目前仍然有很多相机继续使用低通滤镜。

   总结:在获得高画质照片的路上,一味追求高的像素数并不是好办法,反倒可能事与愿违。像素的质量比数量更加重要,获得高画质最重要的措施是使用大尺寸的传感器,以保证每个像素有充足的受光面积;同时使用最新的传感器技术的产品,和最新的图像处理器。最后,使用高质量的镜头。

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