【IT之家摄影学院】摄影知识第一课:画幅那些事儿

2018/1/22 12:58:53 来源:IT之家 作者:文奇 责编:文奇

今天IT之家摄影学院正式开课,第一课让我们从相机和手机拍照部分最重要的元件开始说起——影像传感器。

现在,大家都喜欢用手里的手机拍照。有些摄影师也因为不愿背着沉重的器材,继而也选择使用智能手机进行摄影。不过,手机终究是手机,使手机拍照画质被相机拍照画质甩开距离的因素是什么呢?没错,就是影像传感器。手机受限于机身大小限制,不能在机身里安装像相机一样大的影像传感器,所以只要这种物理差距存在,手机在专业拍照领域就永远赶不上相机。所以,手机拍照“秒杀单反”,“超越单反”,“虚化比单反还美”这种广告语就是耍流氓。那么如此重要的影像传感器到底是什么呢?

影像传感器,是数码相机的核心,也是最关键的技术。在传统的相机中,胶片是一种感光材料,经过某种特定的化学药品处理后,它会把拍摄到的影像记录下来。数码相机中,影像传感器代替了胶片的位置,形成了电子影像。

在相机还未数码化的年代,大家拍照都是靠胶卷相机来完成的。胶卷在那个年代,就代替了现今影像传感器的位置。只不过,胶卷“传感器”是一次性的,每拍摄一张照片,就要更换一次“传感器”。

一、相机成像原理

不论是胶片还是电子影像传感器,都是相机中最根本最重要的部件。就像我们要想看见东西,只有眼球不行,还要有视网膜。影像传感器就像人眼的视网膜。

▲相机成像原理

▲人眼成像原理(类比相机)

我们明白了什么是影像传感器,以及了解了它的基本作用之后,还需要明白,影像传感器也是有不同类型的。就像我们经常听到的”全画幅“”半画幅“等等,究竟是什么意思呢。字面意思理解,这个”全“和”半“是指传感器的大小,那么影像传感器都有哪些不同的大小类型呢?

二、影像传感器大小类型

全画幅是针对传统35mm胶卷的尺寸来说的。

胶卷相机时代,不同大小的胶卷就相当于现在不同大小的电子影像传感器,全画幅数码电子影像传感器尺寸和35mm胶卷的尺寸相同。以此为基础,”半画幅“等等,就比较好理解了。

▲电子影像传感器的不同大小规格

摄影师中,有句话广为流传:”底大一级压死人。“这句话也侧面印证了,传感器越大画质越好这个事实。实际上,如哈苏、富士也推出过比全画幅相机传感器还大的中画幅相机。大家千万别被这个”中“字蒙骗了,

中画幅,指介于36×24mm的小画幅及4×5英寸的大画幅之间的成像尺寸。对,尺寸比全画幅还要大。

▲更大的画幅也意味着更高的价格,哈苏的中画幅相机价格不菲,也不是一般摄影爱好者的首选器材,单单这块传感器,就几乎有一般手机机身的一半大小。

有中画幅,就有大画幅。

一张4X5英寸散页片的面积是35mm胶片(全画幅尺寸)的13倍,一张5X7散页片的面积是35mm胶片的25倍,一张8X10散页片的面积是35mm胶片的50倍。这么大的画幅带来的取景优势和画质优势就不必多说。(有时候真的是贫穷限制了我的构图能力)

▼通过下面这张图可以直观的看出各个画幅传感器的大小区别。

可以看出,连指甲盖大小都没有的手机感光元件就不要和专业相机比画质了。

各个大小不同的画幅在取景上究竟有什么不同呢?

这张图可以说明,在固定焦段镜头下,画幅对于构图的重要性。(关于焦段和画幅的具体关系,会在以后关于焦段的文章中详细说明)

三、影像传感器制作工艺类型

1、电荷藕合组件图像传感器CCD(Charge Coupled Device)。CCD是半导体组件,于1970年由美国贝尔(Bell)实验室发明。CCD其实是一组可以进行"光电转换"的光电体,当光通过镜头聚焦形成影像后,CCD便会将影像的光讯号转换为电讯号(电压)。光量愈大,释放出的电子数量愈多,电讯号亦愈强,像素的显示则会愈亮。在CCD上组成画面的最小单位被称为像素,每个光电体亦即等于一个像素。每块CCD所含像素的数目与大小都与影像质素有着直接关系。像素愈高,输出的影像质素便愈高。

2、互补性氧化金属半导体CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor),和CCD一样同为在数码相机中可记录光线变化的半导体。CMOS的制造技术和一般计算机芯片没什么差别,主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体,使其在CMOS上共存着带N(带–电)和P(带+电)级的半导体,这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片纪录和解读成影像。市面上大多数手机都采用这种传感器。

相比之下CCD比较简单纯粹,而CMOS内部拥有更加复杂的电路,具备更多的变数,更好的扩展性以及更多的干扰因素。但是CCD的制造成本要高于CMOS,可能在某些机型上,CCD传感器的表现好于CMOS,但是CMOS更低的成本更大的利润率使得相机制造行业也更快地淘汰了CCD传感器。现在中画幅以及以上画幅相机上,还在使用CCD传感器。

CCD传感器和CMOS传感器优劣对比:

1、ISO感光度差异:由于CMOS每个像素包含了放大器与A/D转换电路,过多的额外设备压缩单一像素的感光区域的表面积,因此相同像素下,同样大小之感光器尺寸,CMOS的感光度会低于CCD。

2、成本差异:CMOS应用半导体工业常用的MOS制程,可以一次整合全部周边设施于单晶片中,节省加工晶片所需负担的成本和良率的损失;相对地CCD采用电荷传递的方式输出资讯,必须另辟传输通道,如果通道中有一个像素故障(Fail),就会导致一整排的讯号壅塞,无法传递,因此CCD的良率比CMOS低,加上另辟传输通道和外加ADC等周边,CCD的制造成本相对高于CMOS。

3、解析度差异:在第一点“感光度差异”中,由于CMOS每个像素的结构比CCD复杂,其感光开口不及CCD大,相对比较相同尺寸的CCD与CMOS感光器时,CCD感光器的解析度通常会优于CMOS。不过,如果跳脱尺寸限制,目前业界的CMOS感光原件已经可达到1400万像素/全画幅的设计,CMOS技术在量率上的优势可以克服大尺寸感光原件制造上的困难,特别是全画幅24mmX36mm这样的大小。

4、噪点差异:由于CMOS每个感光二极体旁都搭配一个ADC放大器,如果以百万像素计,那么就需要百万个以上的ADC放大器,虽然是统一制造下的产品,但是每个放大器或多或少都有些微的差异存在,很难达到放大同步的效果,对比单一个放大器的CCD,CMOS最终计算出的噪点就比较多。

5、耗电量差异:CMOS的影像电荷驱动方式为主动式,感光二极体所产生的电荷会直接由旁边的电晶体做放大输出;但CCD却为被动式,必须外加电压让每个像素中的电荷移动至传输通道。而这外加电压通常需要12伏特(V)以上的水平,因此CCD还必须要有更精密的电源线路设计和耐压强度,高驱动电压使CCD的电量远高于CMOS

简而言之,CCD传感器制造工艺相对落后,可拓展性低,功耗大,所以在手机这种寸土寸金的设备上来说,CCD所带来的画质提升显然微不足道,巨大的功耗会让手机待机时间更短。所以手机制造行业普遍使用CMOS传感器。现代数码相机使用CMOS取代CCD也是同理。

不过,智能手机遍地开花的今天,相机的日常拍摄地位已经被降低。手机体积小,还可以就地简单的后期调整为大家带来了不少方便,相信随着科技的进步,手机摄像头的画质通过物理或计算算法的升级,还会继续提升。IT之家也会为大家带来更多有关手机的摄影知识跟摄影教程。

通过今天的讲解,相信大家对相机的根本元件——影像传感器有了初步的了解,以后的摄影课堂还会为大家带来更多的相关知识,欢迎大家持续关注。

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