數碼影像漫談

數碼影像漫談

一 像素

我們身邊的世界在宏觀上成連續的，好比時間永遠在連續不停的流逝，但我們用來記錄時間的鍾表卻不是連續的，比如我們常用的電子手表，可能是以秒為單位一格一格的前進，如果再細分可以以毫秒或者更小的單位來記錄。無論怎樣，當我們細分到一定程度時，我們主觀上已經不再能夠分辨變化的幅度，而覺得成為連續變化的了。對於數字影像也是一樣。

對於如下的一幅畫麵，



如果我們以一個10X7共70個像素的感光元件來描述，我們會得到這樣一幅圖像。



可以發現，每個像素單元的信息是其所涵蓋的圖像的色彩信息的平均，很顯然，這是一個很不連續的圖像，甚至根本不能叫做圖像。但當我們保持感光元件麵積不變而不斷增加像素的數量後，整個圖像逐漸的呈現出來。


20X13 = 260 pixels


50X34 = 1700 pixels


200X133 = 26600 pixels


800X531 = 424800 pixels

當像素數量達到42萬之後，這幅800X531分辨率的圖像看起來已經相當連續了。當然如果我們想得到更大尺寸的圖像用於在顯示器上觀看或者打印輸出（對像素數量的要求比在顯示器上顯示更高）時，42萬像素還是遠遠不夠的。目前市場上的數碼相機都有數百萬像素，高端產品甚至更高，這對於高精度大幅輸出是至關重要的。

數碼感光元件的最小單位，是一個個像素，他們排列成行列形式的矩陣，以感受光線。像素單元接受光線照射，將光子轉變成電子，然後由電荷電壓轉換器轉換成電壓信號，再由放大器放大，最後經由ADC（模數轉換器）轉成數字信號輸出。我們可以把像素單元想象成一個水桶，而接受光照的過程就好比往這個水桶裏倒水，不過這個桶裝的不是水，而是光子。像水桶一樣，像素單元也有容量，超過這個容量之後，將無法記錄更多的光子信號，這就是溢出。描述像素單元容量的指標就是Full Well Capacity，這是感光元件性能的一個重要指標，以後我們會具體談到。

像素數量的提高，有利於我們獲得高精度的圖像，但是像素數量不是衡量感光元件好壞的唯一標準，還應該考慮像素質量，包括像素在感光元件上排列的均一性，色彩精確性，動態範圍，噪聲表現，以及包括色散、紫邊、摩爾紋等在內的各種偽色失真。

在看各種數碼相機參數的時候，我們常常能夠看見總像素和有效像素等名詞，有時候出於宣傳的目的，廠家並不說明有效像素，而僅僅用總像素來標明。那麽兩者的區別是什麽？由於目前主要的感光元件都是馬賽克形式的，每個像素實際上隻能識別一種色彩信息，後期上需要借助周邊像素的色彩信息來進行解碼，還原本來的色彩。所以邊緣的像素需要額外的像素來提供這些色彩信息，也就是說，感光元件的最外周的像素是不能參與成像的，它們是負責提供色彩信息來對最終圖像的最外周像素進行去馬賽克解碼的。因此，總像素是大於有效像素的。

除了像素數量，感光元件的麵積大小是衡量感光元件的另一個重要指標。



由上圖可以看出，數碼單反的感光元件的麵積要遠遠大於緊湊型消費級數碼相機，除此之外，數碼單反的單個像素的麵積也要大於後者，6百萬像素的D70的單個像素麵積是8百萬像素的Nikon Coolpix 8800的7.5倍。由於消費級數碼相機的像素麵積要小於數碼單反的像素麵積，這成為製約消費級數碼相機畫質的關鍵因素。因為大的像素能獲得更好的信噪比，更大的動態範圍和更高的ISO。當然，隨著技術的不斷革新，製造工藝的提高，很多新型感光元件的小尺寸像素已經好過舊型感光元件的大尺寸像素。數碼相機的像素數量在保持感光元件麵積不變的前提下得以不斷的提高，同時畫質保持一致甚至更佳，就是很好的證明。

下表為常見數碼相機感光元件基本信息




我們可以看到，消費級數碼相機的感光元件麵積僅為35mm膠片的10%以下，而數碼單反則達到26%到100%，這是數碼單反成像更優一些的物質基礎。目前感光元件的發展主要向高像素，大尺寸兩個方向進行，但無論感光元件麵積是否增大，像素不斷提高則呈整體趨勢。