SuperCCDEXR技術(shù)深度解析教學(xué)提綱

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。SuperCCDEXR技術(shù)深度解析-SuperCCDEXR技術(shù)深度解析每逢長假或者節(jié)假日，相信各位都不會(huì)閑下來，背上背包、拿上相機(jī)出去拍“到此一游”。在你按下快門的一霎那，你也許并沒有想過，為什么這一剎那會(huì)被永久的記錄下來，為什么相機(jī)記錄下來的瞬間與我們?nèi)搜劭吹降牟⒎峭耆恢?，而是存在?xì)微的差異？為什么朋友的相機(jī)可以工作在光線很弱的環(huán)境中，而我的就不行？為什么有些相機(jī)拍出的照片對(duì)比度非常大(亮處很亮、暗處很暗)，而另外一些看起來卻漆黑一片又或者完全過曝呢？其實(shí)這些都與數(shù)碼相機(jī)的核心圖像傳感器有著密切的關(guān)

2、系。想知道其中的緣由嗎？馬上為你揭曉答案。數(shù)碼相機(jī)之所以能夠記錄下影像信息，圖像傳感器是非常重要的一環(huán)，它在數(shù)碼相機(jī)中的重要地位就相當(dāng)于我們眼睛里面的視網(wǎng)膜。圖像傳感器不僅決定了數(shù)碼相機(jī)的像素?cái)?shù)量，而且很大程度上決定了數(shù)碼相機(jī)對(duì)環(huán)境光的適應(yīng)能力以及照片的表現(xiàn)。正因如此，業(yè)界對(duì)圖像傳感器技術(shù)的研究與改進(jìn)一刻也沒有停止過。小小乾坤容納天地圖像傳感器是這么來工作的按照類型來劃分，圖像傳感器分為兩大陣營，就是我們熟知的CCD與CMOS。CCD（ChargeCoupledDevice，電荷耦合器件）是目前廣泛應(yīng)用于民用數(shù)碼相機(jī)領(lǐng)域的圖像感光技術(shù)，它由感光二極管制成，能將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)樽杂呻姾桑诮?jīng)

3、過模數(shù)轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字信號(hào)，送給后續(xù)的圖像處理電路使用，最終我們?cè)诖鎯?chǔ)卡中保存的就是經(jīng)過圖像處理電路處理之后的標(biāo)準(zhǔn)文件，如RAW、JPEG等。眾所周知，視網(wǎng)膜在我們的眼睛中起著同樣的作用：大家之所以能夠看到外面的世界，是因?yàn)橐暰W(wǎng)膜中有感應(yīng)光線強(qiáng)度的桿細(xì)胞和感應(yīng)光線色彩的錐細(xì)胞，它們共同作用的結(jié)果便是將外界的光信號(hào)變化變成生物體能夠識(shí)別的神經(jīng)沖動(dòng)，最終在大腦里面形成圖像。對(duì)于CCD來說，感光二極管只具備感應(yīng)光線強(qiáng)度的能力，并不能夠分辨出顏色信息來。所以在CCD的成品電路上，感光二極管上面還需要安置一層濾色膜，這層膜存在的意義就是將三原色光分離出來，于是就有了如圖1所示的“三明治結(jié)構(gòu)”。圖1CCD傳

4、感器的三明治結(jié)構(gòu)圖解說明：在工作時(shí)，光線會(huì)照射到CCD上，通過透鏡層進(jìn)行匯聚，再經(jīng)過濾色層分色，最后每個(gè)感光二極管根據(jù)光線強(qiáng)度的不同，產(chǎn)生數(shù)量不等的自由電荷，并寄存在旁邊的電路寄存器中。當(dāng)曝光結(jié)束的時(shí)候，統(tǒng)計(jì)電路就會(huì)統(tǒng)計(jì)每一個(gè)感光點(diǎn)寄存器處的電荷數(shù)量多少。按照一行一行的順序，每個(gè)感光點(diǎn)寄存器里面的電荷像“排隊(duì)體檢”一樣被釋放出來，經(jīng)過電路放大，模擬信號(hào)轉(zhuǎn)成數(shù)字信號(hào)，我們就知道了該處的信號(hào)值。我們可以看到，整個(gè)過程中最關(guān)鍵的就是感光二極管，其靈敏度越高，在受到光照時(shí)就可以釋放出更多的電荷，這就可以給拾取工作帶來很大的方便，因?yàn)閿?shù)量多了之后，我們就很容易對(duì)它們進(jìn)行分級(jí)，然后每一級(jí)對(duì)應(yīng)一個(gè)灰度信息。

5、舉個(gè)例子來講，在拍攝晴朗的天空時(shí)，白云的亮度是非常高的，那么每個(gè)感光二極管可以產(chǎn)生數(shù)以十萬計(jì)的電荷；而在拍攝漆黑的夜空時(shí)，可能同樣的時(shí)間內(nèi)，每個(gè)感光二極管只能產(chǎn)生十來個(gè)電荷，這就給后面的拾取分類流程帶來不小的麻煩。圖2CCD與CMOS之間的差異CMOS（ComplementaryMetal-OxideSemiconductor，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)和CCD在感光層上的技術(shù)是很類似的，都利用了前面提到的“三明治結(jié)構(gòu)”。所不同的地方在于CCD為了能夠保存電荷并進(jìn)行后面的移位傳遞，采用了特殊的半導(dǎo)體技術(shù)；而CMOS圖像傳感器不再采用電荷移位傳遞的方法，而是改為在每個(gè)感光點(diǎn)后面都安置一套放大和模數(shù)轉(zhuǎn)

6、換電路，因此感光點(diǎn)寄存器存儲(chǔ)的是數(shù)字信號(hào)。CMOS傳感器在最后掃描數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)像讀取內(nèi)存數(shù)據(jù)一樣掃描整個(gè)圖像傳感器的數(shù)據(jù)寄存器，最終得到整個(gè)圖片信息。雖然CCD和CMOS在工作原理上略有區(qū)別，但是在圖像感光這一塊，原理是類似的?！八姟本鸵欢ㄊ恰八谩眴幔咳搜叟c相機(jī)的差異初次使用數(shù)碼相機(jī)的很多新用戶都會(huì)有這樣的疑問，為什么我拍出來的照片和我看到的景色不一樣，是機(jī)器問題嗎？而且換另外一個(gè)牌子的相機(jī)之后拍攝同樣的場(chǎng)景，可能表現(xiàn)會(huì)相差很多這又是為什么呢？在回答第一個(gè)問題之前，我們先要對(duì)自己的眼睛有一定的了解。可以這么說，人的眼睛是世界上最精密的圖像傳感器。根據(jù)視網(wǎng)膜桿細(xì)胞和錐細(xì)胞的尺寸推算，人眼視網(wǎng)膜

7、的分辨率約為60004000（一只眼睛），折算下來約合每平方毫米400萬像素，相比之下現(xiàn)在主流的1000萬像素?cái)?shù)碼相機(jī)的1/1.8英寸CCD圖像傳感器，每平方毫米只有26萬像素。不過人眼并不是簡(jiǎn)單的儀器，而是在漫長的生物進(jìn)化中不斷發(fā)展和演化的器官，所以我們看到的大自然中的各種景物并不是為了在腦海中再現(xiàn)它，而是為了適應(yīng)它。為什么這么講呢？我們不妨回憶一下剛才傍晚時(shí)分逛公園時(shí)的場(chǎng)景吧，五顏六色的花朵在你看來已經(jīng)不再那么繽紛多彩，你可能分不清路邊的鮮花是粉紅色還是黃色，但是你還能清楚地看到那條通往出口的水泥小徑，能夠看到明亮的北極星以及樹林中透出來的點(diǎn)點(diǎn)路燈這就是人眼不斷進(jìn)化的結(jié)果，在進(jìn)入文明社會(huì)之

8、前，我們需要看到并躲避暗處的危險(xiǎn)，而不是欣賞夜幕下的森林。圖3留心觀察傍晚的小路會(huì)有“新發(fā)現(xiàn)”現(xiàn)代生物學(xué)和神經(jīng)學(xué)解釋了令人眼產(chǎn)生這種奇妙變化的原因人眼對(duì)于光線的敏感度和分辨能力會(huì)根據(jù)環(huán)境光線的變化而不斷自行調(diào)整：人眼在光亮環(huán)境下能夠提供足夠高的分辨率，此時(shí)負(fù)責(zé)采集顏色信息的錐細(xì)胞起主導(dǎo)作用，而負(fù)責(zé)感覺亮度的桿細(xì)胞則被弱化；而在昏暗的環(huán)境中人眼的分辨能力便會(huì)下降，同時(shí)負(fù)責(zé)感光的桿細(xì)胞起主導(dǎo)作用，錐細(xì)胞則幾乎被忽略。正是因?yàn)閮煞N細(xì)胞的存在，它們互相配合、分工協(xié)作，人眼才能夠既看到很亮的場(chǎng)景，也能夠適應(yīng)光線非常弱的場(chǎng)合。在光照度適中的場(chǎng)合下，人眼既可以看到亮處的細(xì)節(jié)也可以看到暗處的信息，這是人眼長期

9、進(jìn)化之后得到的結(jié)果。而數(shù)碼相機(jī)就不一樣了，應(yīng)該說數(shù)碼相機(jī)的傳感器遠(yuǎn)沒有那么智能，它只能記錄照射到感光二極管上的光強(qiáng)大小。于是我們?cè)诎滋煊饩€拍攝時(shí)(專業(yè)術(shù)語叫“逆光拍攝”)，會(huì)看到照片的背景非常亮，而我們可憐的主人公臉上卻是漆黑一片；到了晚上，我們拍攝夜空中的星辰，要么照片上一無所有，要么就是星光與“五彩的噪點(diǎn)”遍布星空。我們看到的一切，無法用DC真實(shí)地還原出來，歸根到底是因?yàn)槿搜鄣亩嘣泄鈾C(jī)制以及圖像傳感器單一的成像原理不搭調(diào)所造成的?，F(xiàn)在隨著攝影技術(shù)的進(jìn)步，我們可以通過調(diào)節(jié)相機(jī)的快門時(shí)間、光圈大小等等來彌補(bǔ)圖像傳感器的缺陷。但這些只是后天補(bǔ)救的方法，如果能夠提升(改變)圖像傳感器的感光

10、特性，讓它更傾向于人眼，是不是能從根本上解決問題呢？所以業(yè)界不斷針對(duì)圖像傳感器進(jìn)行改進(jìn)，其中尤以富士公司的SuperCCD最為大膽和出名。歷史鏈接：SuperCCD的發(fā)展歷程“開國元?jiǎng)住钡谝淮鶶uperCCD橫空出世在第一代SuperCCD誕生之前，普通CCD都是中規(guī)中矩的方形矩陣結(jié)構(gòu)。而第一代SuperCCD最大的差異就是它八邊形的感光點(diǎn)以及旋轉(zhuǎn)45的排列方式，如圖4所示。圖4從兩張圖的對(duì)比來看，SuperCCD的感光面積尺寸更大，顯而易見，這樣做的目的是為了在同等光照情況下取得更高的感光效率。不光這樣，SuperCCD特殊的排列組合方式還能夠獲得更高的分辨率。第一代SuperCCD誕生的背

11、景是上個(gè)世紀(jì)末，那時(shí)各家DC廠商無不絞盡腦汁來提高CCD的像素?cái)?shù)量以招攬生意。由于人眼對(duì)綠色較為敏感的特點(diǎn)(550nm正是黃綠色光)，CCD普遍使用G-B-R-G的方式來安排像素矩陣，也就是說用4個(gè)感光點(diǎn)來組成一個(gè)像素點(diǎn)，以求達(dá)到更好的效果。而SuperCCD僅僅使用三個(gè)感光點(diǎn)就能夠?qū)崿F(xiàn)一個(gè)像素點(diǎn)，因此分辨率參數(shù)也大幅提高。圖5SuperCCD在橫向以及縱向距離對(duì)比上具有很大的優(yōu)勢(shì)受當(dāng)時(shí)生產(chǎn)工藝的限制，即便SuperCCD在理論上具有提高像素?cái)?shù)量的優(yōu)勢(shì)，但對(duì)最終結(jié)果影響不大。反倒是當(dāng)時(shí)插值算法流行，大家都玩起了數(shù)字游戲用插值之后的像素值來標(biāo)稱相機(jī)的最大分辨率。例如早期的富士FinePix實(shí)際像

12、素是240萬，但經(jīng)過插值之后像素變成了430萬，但在實(shí)際使用中430萬像素雖然能夠提供更大的分辨率，但噪點(diǎn)、清晰度方面明顯下降；調(diào)整到320萬像素時(shí)，使用SuperCCD的相機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)與普通320萬像素CCD數(shù)碼相機(jī)相同的效果，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于240萬像素的其它數(shù)碼相機(jī)。由此可見SuperCCD特殊的排列方式對(duì)插值算法幫助很大。圖6像素插值算法具體分析之后你會(huì)發(fā)現(xiàn)，SuperCCD的蜂窩狀排列結(jié)構(gòu)使得其成像單元在垂直以及水平方向上的距離都很近，所以能夠捕捉到縱向以及橫向上更多的視覺信息。在進(jìn)行插值計(jì)算時(shí)，中間值由緊鄰的兩個(gè)像素計(jì)算得到，所以SuperCCD就能“撿到”不小的便宜。當(dāng)然這與人眼的生理特征

13、也有不小的關(guān)系，科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，人在觀察圖像時(shí)，對(duì)水平以及垂直方向上的變化十分敏感，而對(duì)于斜線方向上的變化相對(duì)遲鈍。所以第一代SuperCCD的“投機(jī)取巧”也是有其必然道理在其中的。在第一代SuperCCD之后，CCD開始不斷重視噪點(diǎn)控制與降噪技術(shù)的研發(fā)，第二代和第三代SuperCCD就是在具體的電路控制方面不斷改進(jìn)，在排列組合上并沒有更多新鮮的東西?！皟删€作戰(zhàn)”SuperCCDHR與SuperCCDSR時(shí)間發(fā)展到2002年，當(dāng)時(shí)500萬像素的數(shù)碼相機(jī)已經(jīng)席卷全球。很多消費(fèi)者已經(jīng)滿足于500W像素的輸出尺寸，轉(zhuǎn)而要求更高的畫面質(zhì)量。此時(shí)的SuperCCD暴露出自己在動(dòng)態(tài)表現(xiàn)范圍上的不足，也就是說

14、無法兼顧同一幅畫面中亮處細(xì)節(jié)與暗處細(xì)節(jié)（就是我們常說的曝光寬容度）。用句古話說，“成也蕭何、敗也蕭何”，SuperCCD曝光寬容度低的原因竟是因?yàn)楸旧砀泄恻c(diǎn)工作的高效性！因?yàn)樽鳛镃CD核心的感光二極管是不可能隨著光線變強(qiáng)而無止境產(chǎn)生電荷的，也就是存在一個(gè)光強(qiáng)閾值，當(dāng)輸入光線的強(qiáng)度大于這個(gè)閾值并繼續(xù)加強(qiáng)的時(shí)候，感光二極管并不能產(chǎn)生更多的電荷。最終的效果就是我們?cè)谂臄z白云的時(shí)候，只能看到白云的輪廓，卻看不到白云的紋理細(xì)節(jié)，因?yàn)榘自谱畎堤幍牟糠止鈴?qiáng)也超過了閾值。這就解釋了為什么SuperCCD的感光能力很強(qiáng)，卻很容易產(chǎn)生過曝的原因。那個(gè)時(shí)候大多數(shù)使用SuperCCD的數(shù)碼相機(jī)，起跳ISO值都是ISO

15、200。窮則思變，在這種背景下，富士發(fā)布了第四代SuperCCDSuperCCDHR和SuperCCDSR，其中HR繼續(xù)主攻高分辨率，而SR則轉(zhuǎn)戰(zhàn)畫面效果。傳統(tǒng)的銀鹽膠片上存在著大小不同的感光顆粒(溴化銀為主，摻雜少量碘化銀及其它輔料)，它們的感光特性也不盡相同，對(duì)強(qiáng)光與弱光可以分開記錄，所以銀鹽膠片沖印出來的動(dòng)態(tài)范圍就非常大。富士的工程師們從中得到啟發(fā)，他們?cè)赟uperCCDSR的每個(gè)感光點(diǎn)上使用了一大一小兩種不同性能的感光單元大的感光單元采用高靈敏度、窄動(dòng)態(tài)范圍設(shè)計(jì)（S像素），小的單元?jiǎng)t采用低靈敏度、大動(dòng)態(tài)范圍的設(shè)計(jì)（R像素）。這樣在拍攝照片的時(shí)候S點(diǎn)負(fù)責(zé)捕捉畫面中較暗的部分，而R點(diǎn)負(fù)責(zé)捕

16、捉較亮的部分，最后二者的信號(hào)經(jīng)過DSP芯片的疊加處理，就可以讓照片的亮部細(xì)節(jié)與暗部細(xì)節(jié)都可以得到表現(xiàn)。SR感光技術(shù)的問世讓SuperCCD在性能上又有了飛速的進(jìn)步，不久之后富士又推出了SRII代技術(shù)。具體做法是將R感光單元與S感光單元相分離，較小的R感光單元放置在兩個(gè)S單元之間，如圖7所示。此舉的目的在于進(jìn)一步提高圖像傳感器的空間利用率，以達(dá)到更好的效果。圖7SuperCCDSR技術(shù)中的R與S像素得益于SuperCCD高超的感光能力，富士在2005年還發(fā)布了自然防抖的數(shù)碼相機(jī)。所謂的“自然防抖”實(shí)際上就是利用SuperCCD的高感光能力，在拍攝同樣的場(chǎng)景時(shí)，SuperCCD只需要一半的時(shí)間就可

17、以獲得足夠的電荷，所以就可以實(shí)現(xiàn)更好的防抖效果。現(xiàn)在很多數(shù)碼相機(jī)中都有高ISO防抖功能，但提高ISO之后畫面的噪點(diǎn)也會(huì)相應(yīng)增加，并不能稱作有效的防抖技術(shù)。SuperCCD雖然也有這方面的詬病，但是SuperCCD提高感光效率的方式與其它普通CCD增加電路增益的方式有著明顯差別?！皩殑Τ銮省薄敖K極”的SuperCCDEXR經(jīng)過歷代的更新與發(fā)展，SuperCCD為富士贏得了各方面的贊譽(yù)，不過技術(shù)的發(fā)展卻沒有停步，在去年10月份富士拿出了自家的終極武器SuperCCDEXR（其中EXR就有Extreme的意思）。排列與組合的魔術(shù)所謂的“精細(xì)捕捉技術(shù)”實(shí)際上就是利用CCD的全部像素點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)更大的像素?cái)?shù)

18、量。從圖8中我們可以看到SuperCCDEXR改變了其內(nèi)部一直以來的感光點(diǎn)排列結(jié)構(gòu)，將所有的感光點(diǎn)按照旋轉(zhuǎn)45度的方式進(jìn)行排列，人眼最敏感的綠色被排列成一條直線，而且紅色和藍(lán)色也兩兩組合在一起。圖8EXR像素的排列可以說新的SuperCCDEXR排列方式并沒有移動(dòng)感光點(diǎn)，只是對(duì)濾色膜進(jìn)行了處理，這樣在總方向上仍然可以保證三個(gè)感光點(diǎn)組成一個(gè)像素，同時(shí)在斜線方向上又加強(qiáng)了顏色的連貫性。再配合新一代RP影像處理器，EXR技術(shù)能夠輕易將CCD像素提升到1200萬的水平。雙重捕捉技術(shù)各位還記得前文中介紹的SuperCCDSR里面一大一小的感光單元嗎？新的EXR圖像傳感器也有類似的功能，只不過不再使用一大

19、一小兩種單元，而是將感光點(diǎn)分成兩個(gè)通道，如圖9所示。圖9圖解說明：在工作時(shí)，光線會(huì)照射到CCD上，通過透鏡層進(jìn)行匯聚，再經(jīng)過濾色層分色，最后每個(gè)感光二極管根據(jù)光線強(qiáng)度的不同，產(chǎn)生數(shù)量不等的自由電荷，并寄存在旁邊的電路寄存器中。當(dāng)曝光結(jié)束的時(shí)候，統(tǒng)計(jì)電路就會(huì)統(tǒng)計(jì)每一個(gè)感光點(diǎn)寄存器處的電荷數(shù)量多少。按照一行一行的順序，每個(gè)感光點(diǎn)寄存器里面的電荷像“排隊(duì)體檢”一樣被釋放出來，經(jīng)過電路放大，模擬信號(hào)轉(zhuǎn)成數(shù)字信號(hào)，我們就知道了該處的信號(hào)值。在這里，我們可以控制不同通道的曝光時(shí)間（也就是電荷積累的時(shí)間），使得一個(gè)通道用于捕捉高感光圖像（類似于以前的S像素），而另一個(gè)則用于捕捉寬動(dòng)態(tài)圖像（類似與R像素）。兩

20、道曝光結(jié)束之后，再將獲得的兩幅圖像按照一定的算法拼合在一起，就得到了兼具高感光度與寬動(dòng)態(tài)范圍的圖片。說到這里有些朋友可能已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了，打開雙重捕捉技術(shù)之后，畫面的像素?cái)?shù)量會(huì)比精細(xì)捕捉模式減少一半（1200萬像素的數(shù)碼相機(jī)會(huì)輸出600萬像素的圖片），因?yàn)橄噜廇、B兩個(gè)像素之間捕捉的是同一個(gè)像素點(diǎn)。有些朋友會(huì)問，每個(gè)像素物理位置的差異不會(huì)造成重影嗎？的確是這樣的，這也是為什么SuperCCDEXR會(huì)采取傾斜45度來安排像素點(diǎn)的原因，因?yàn)樵谛狈较蛏先搜圩畈幻舾校ㄟ^這種方式來降低雙重采集對(duì)照片的影響，事實(shí)上富士的工程師們也做到了。兩兩聯(lián)合增強(qiáng)ISO表現(xiàn)我們知道傳統(tǒng)CCD提高ISO表現(xiàn)的方法是增加控制電

21、路的增益，但是這么做的直接后果就是感光度增加了，但噪點(diǎn)也會(huì)大量出現(xiàn)。所以很多有經(jīng)驗(yàn)的攝影愛好者們都喜歡用低ISO來拍攝照片。為了的到低噪點(diǎn)和清晰的圖像，像素聯(lián)合的概念被引入也就是說，DSP處理芯片將相鄰兩個(gè)像素得到的信號(hào)信息疊加起來，作為一個(gè)像素值，這樣就可以在不提高感光度的前提下獲得“虛擬意義”上的高感光度表現(xiàn)。無論是傳統(tǒng)的CCD/CMOS，還是前幾代SuperCCD技術(shù)都有一個(gè)共同的特性，那就是將紅、綠、藍(lán)三種顏色間隔排列，這樣一來就有一個(gè)問題如果按照空間最近原則，我們要將兩個(gè)紅色像素融合在一起，中間就必須間隔一個(gè)藍(lán)色像素點(diǎn)或者綠色像素點(diǎn)。圖10傳統(tǒng)的像素聯(lián)合方式這樣做的后果就是造成像素之間的相互干擾，