數碼相機的心臟——CCD
決定數碼相機拍攝的畫面質量高低的，從根本上來說是CCD。那么，只看CCD的性能，是否就能夠了解相機的性能呢？回答是："從某種程度上來說，是的"。
由CCD的性能決定的圖象性能的要素有很多，其中，能夠為使用者得到相關信息的，包括以下幾項：CCD尺寸、像素數量、單位像素尺寸、傳輸方式、讀出方式、CCD濾鏡顏色。 像素尺寸雖然在廠商的性能表上沒有直接列出來，廠商在宣傳的時候也是著重說像素數量而對像素尺寸避而不談。但是我們還是可以從其他的性能數據中推算出來，有的時候還可以從主要的CCD制造商的主頁上查找到。現在，世界上的CCD的品牌和種類并不多。大的廠商主要是KODAK、SONY和PHILIP。
但是，如果認為在這些數據中，最重要的是像素數的話，那就錯了。如果把CCD比喻成是PIZZA的話，那么PIZZA的尺寸就是CCD的尺寸。而將其切開的塊數就是像素數。而決定CCD性能的最基本的要素就是像素的尺寸，也就是說，是PIZZA上切下的小塊的尺寸。例如，1/1.8英寸（對角線長8.98mm）420萬像素，單個像素尺寸為3.125微米的CCD，與NIKON D1的28.37mm對角線274萬像素，單個像素尺寸為11.8微米的CCD相比較，像素數量的差異是很明顯的。事實上，后者在細節上的表現能力也是眾所稱道的。
那么，CCD像素以外的性能又是怎樣的呢？
首先是數據的傳輸方式。所謂傳輸方式，就是從CCD的各個像素讀出數據的方式，為了便于理解，可以把CCD看成是在一個很小的區域內排列的很緊密的很多水桶的集合。這些小水桶就是CCD的感光部件，稱為感光二極管。
說到傳輸方式的種類，有象水桶接力一樣的禎傳輸（Frame Transfer）方式和在水桶邊設置水道一樣的插寫（Interline）方式兩種。在面積相同的情況下，后者由于需要為"水道"留下位置，所以"水桶"的尺寸相對就比較小。也就是說，從像素大小的角度來說，前者比較有利，但是從數據的傳輸速度來說，后者的傳輸速度比較快。
下一個要素就是讀出方式。這其實是關于插寫方式的演化的內容。插寫方式原本是在攝象機用的CCD上使用的。攝象機用的CCD并不是把CCD上所有的像素的數據一次全部讀出來，而是分奇數行和偶數行兩次讀出的。也就是說，是基于掃描線的讀出方式。在這種情況下，"水道"的寬度只要能夠滿足"水桶"容量的一半就可以了。也就是說，相對來說，"水桶"的尺寸可以更大一點。
這種攝象機用的數據讀出方式稱為Inter race scan方式，而從攝象機用的CCD進化而來的數碼相機專用的CCD，則是能夠將所有像素的數據一次性全部傳輸出來，這稱為Progressive scan方式。雖然從像素尺寸的角度來看，Inter race scan方式比較有利，但是如果采用這種方式，在攝影結束以后到數據傳輸完為止的時間內必須把CCD遮著不讓光線照射到CCD上，所以必須并用機械快門。而且，考慮到CCD和快門的連動，快門的速度不可能很快。
另一方面，Progressive scan方式也有其局限性。雖然也要等到"水道"把"水桶"全部排空以后才能開始進行下一次的拍攝，但是因為不是一定需要用機械快門對CCD遮光，只要依靠CCD的電子開關就能夠設定快門速度，所以能夠使用高速快門。但是，如果流入"水道"中的水流過強的話，也就是說，如果如果拍攝的是很強的光源的話，有可能會發生溢出現象。因此，在采用Progressive scan方式的相機中，也有一些是同時使用機械快門，限制快門速度的上限。
最后的要素是濾鏡的顏色。CCD原本是一種只能感受黑白顏色的傳感器，為了能夠增加顏色信息，所以在CCD的各個像素前面添加了色彩濾鏡，只讓特定顏色的光線通過，從而獲得了顏色信息。這種濾鏡有兩種，一種是色彩還原能力較好的原色濾鏡，一種是解析度較高的補色系濾鏡。每一種濾鏡都是4個一組，覆蓋在每一個像素上。每一組原色系的濾鏡包括1個紅（R）、2個綠（G）和1個藍（B），而補色系的濾鏡則是包括黃（R+B）、青（G+B）、洋紅（B+R）、綠（G）四種各一個。從解像力的角度來說，由于人的眼睛對于綠色最敏感，所以自然是補色系的比較有利。然而，由于從各個像素獲得的色彩信息中都有綠色的成分，所以不可能獲得很純粹、很準確的色彩信息，因此，色彩的還原能力方面肯定不如原色系。
關于濾鏡，還有一點必須要說的就是感度。感度的高低，不僅受到受光的CCD面積的大小的影響，還受到透過CCD的光量的很大影響。根據日本方面的測試數據，補色系能夠透過的光量是原色系的1.5倍，所以在感度上也是補色系比較優秀。
為了得到好的影象 以上是和CCD相關的要素。為了獲得好的影象，需要有干凈、強烈的信號。通常使用S/N來表示，也就是用信號（Signal）/噪音（Noise）的比例來表示。噪音包括空間中的光線造成的光SHOT噪音、CCD上產生的暗噪音、讀出數據的時候產生的READ OUT噪音，這些噪音和CCD面積的大小沒有必然的聯系。如果單位像素的尺寸比較大，產生的電荷比較大，S/N自然會有所提高。 那么，如果不能增大像素的尺寸怎么樣呢？那就要看從前面的要素推導出來的CCD的規格性能了。 首先，民用的數碼相機，由于需要把CCD上取得的圖象傳輸到液晶顯示屏上，所以都是采用的Inter Race scan方式。否則就只能使用光學取景器了。還有前面已經說過的，為了能夠盡量的使像素的面積大一點，也只有采用這種方式了。 然后就是濾鏡的顏色，雖然原色系有色彩還原性能優異的特點，但是補色系在解像能力和透過率上性能更好。所以采用補色系濾鏡的廠商如OLYMPUS和NIKON都是在提高解像能力上下工夫。而采用原色系的廠商如FUJIFILM、CASIO、SONY、東芝都是著重于色彩還原能力。 不過，CCD的性能隨著時間的改變在不斷的提高，有一年的時間，也許就能夠獲得超越濾鏡的差別的能力。當初采用補色系CCD的CANON IXY DIGITAL，在過了一年以后，就推出了使用原色系CCD的IXY DIGITAL 300/200，這可以說是最好的例子。 極小像素化與光學的極限 迄今為止，我們的話題一直是圍繞CCD的性能而展開的。但是，前面所說的都是以有一個非常好的鏡頭為前提的，對于好的畫質來說，還有很多CCD以外的因素。現在，我們就從鏡頭的角度來驗證這一點。 有一點，也許知道的人不是很多，那就是從鏡頭透過的光，也是有表現力上的極限的。那是因為光也是一種波，既然是波，就有一定的振幅。而波長比那振幅更細小的東西，是無法被表現出來的。下面，我們就來具體的闡述。 光的波長可以使用nm（納米）為單位表示。雖然光線中能夠表現出來的波長全部都落到了CCD上，但是，光的解像能力還會受到光圈的變小而衰減。光圈還有決定拍攝對象的景深的功能。隨著光圈的縮小，景深就會增加，同時解像能力會因為回折現象而降低。 現在，對于攝影元件的評價，已經從CCD的像素數，轉變為以"CCD的像素數、理論要求線數、小光圈極限"表示的綜合評價。表格中的理論要求線數是指能夠表現每一個像素所必須的解像能力。與之相對，如果根據光圈值來查看光的解像能力，也就是象表格中"由F值決定的光線的表現極限"所訴說的那樣，假如F8是極限，那么就算把光圈開放到F11，光的波長的限制也決定了CCD不可能得到更多的信息。 然而，前面所說的都是在沒有任何光線的損失的前提下，是在使用一種根本就不可能存在的鏡頭的前提下的情況，在現實中，在比這更靠前的階段中，就開始出問題了。前面所說的，就好象是駕駛著一輛只能以100公里的時速形式的車，以恰恰100公里的時速行駛時一樣。也就是說，鏡頭的解像能力并不是遠遠凌駕在CCD的表現極限之上的，有的時候，也會有畫質有很大差異，不能完全發揮CCD性能的情況出現。 這可以說是一種矛盾，僅僅只依靠CCD和鏡頭的改善，是不可能解決的。從某種程度上來說，數碼相機陷入這種狀況，僅僅把高像素作為追求的目標的市場和不公開對于畫質有很大影響的像素的數據的制造商，都有一定的責任。
由于上面所說的理由，一般的民用數碼相機的光圈，上限一般是在F8，下限--也可以說就是鏡頭的性能的極限是F1.8~F2.8，而曝光控制只能在5檔之內選擇。 另外，如果為了獲得更好的CCD的S/N比而采用Inter race scan方式的話，就象前面說過的，必須要保證和機械快門同步，這就限制了快門速度的上限只能在1/1000秒的樣子。在ISO100的感光度計算一下，就會得到"曝光設定的余地"表格。 通常，使用ISO100的膠卷，在晴天的室外拍攝的時候，是使用1/125秒、F11。而數碼相機的上限限定在1/1000秒、F8。因此，如果是室外晴天，并且需要做超過2EV的曝光修正的場合，一般的民用數碼相機就無能為力了。比如，在雪山的環境下的晴天，需要1/125秒、F22才能夠獲得最佳的效果，可是對于局限于1/1000秒、F8的數碼相機來說，是不可能做那樣大的曝光修正的。如果還想再進一步做一些負的曝光修正，更是毫無可能。可以說，由于相機本身的局限性，我們的表現手段也受到了局限。 拍攝的景深也受到了局限 不過，這樣的CCD和鏡頭也并不是沒有存在的價值。因為我們所使用的民用CCD面積比較小，為了適合這一點，所以所使用的鏡頭的焦距也比較短。比如，如果說一臺數碼相機可以拍攝50mm~150mm視角范圍內的對象，只是說換算到35mm相機，相當于50~150mm，而他的實際焦距，是鏡頭上寫著的f=7.0~21.0mm。 那么，當焦距比較短的時候，會有什么樣的效果呢？效果體現在焦點上。準確的說就是會產生范圍更大的景深。 拍攝出的照片具有鏡頭焦距越短，景深越大的特點，同時，鏡頭的光圈越小，景深也越大。例如，同樣是使用50mm的鏡頭，使用同樣的光圈，135相機的景深范圍比較窄。也就是說，在使用相同的鏡頭的時候，民用數碼相機的有效景深范圍更大，因而因對焦不準而產生的畫面模糊情況會更少。 然而，這僅僅對拍攝紀念照片有利，而對于拍攝藝術照片來說，是很不利的。在進行藝術攝影的時候往往需要將背景中的影象虛化以突出拍攝對象。為了能夠實現拍攝意圖，在使用數碼相機進行創作的時候往往會比較麻煩。所以，本節所說的優點只是針對一般的紀念照片拍攝用戶而言的，對于專業用戶以及攝影發燒友來說又要另當別論了。 好的照片與不好的照片 就象前面一節說的內容一樣，一幅照片是好的照片還是不好的照片，所做的判斷是因人而異的。因為"好"本身就是一種很主觀的評價。例如，對于筆者來說，所謂好的照片，是指那些取材好，且使用的處理很適當的照片，而對于有的人來說，也許是指那些色彩很鮮艷、對比很強烈，讓人印象深刻的照片。 在多數場合下，所謂印象深刻的照片很多都是那些使用的彩度幾乎到達飽和的地步，而對比度也高到無法再高的地步的照片。當希望制作出在一堆照片中一下就能捕捉到別人的目光的照片的時候往往就會陷入這種境地。這就象對自己沒有信心，所以要依靠服飾來為自己增強信心一樣。 但是，這種照片往往沒有更進一步調整的余地。而且在打印的時候，彩度最高的部分往往會變成很深的沒有層次感的一色。這樣的照片在電腦上看看還可以，在需要在其他場合應用的時候就顯示出他的不足來了。可見，高彩度的照片未必就好。 另外一方面，那些讓人看了覺得很沉悶，想睡覺的照片，有的時候是因為彩度不足，也有的時候，是因為是拍攝來做為創作的素材使用，所以沒有對于彩度以及色階做特別的強調處理。對于需要做進一步處理的需求來說，這反而是最合適的。 對于獲得素材型的照片，最終極的方式，稱為CCD-RAW。也就是對于拍攝下來的數碼圖象不做任何處理，直接將CCD獲得的數據存儲為一個文件，以待之后再在PC中處理。 使用這種方式，首先是可以使用PC對圖象做無損的處理。比如，一臺不能很好的描寫斜向直線的數碼相機，在使用CCD-RAW的時候，也可以很好的還原出很清晰的直線。 其次就是不會忽略信息。CCD的輸出能力多數都是12bit甚至更高，但是轉存為JPEG的時候，就成了各色8bit。也就是說，是把12bit的表現能力的高、低兩端去除，只保留了中間的8bit。而具體的如何取舍，根據數碼相機制造商的不同而有所不同，但是總體上來說，未必都符合使用者的要求。換句話說，就是，使用CCD-RAW可以保留很多在轉存為JPEG的時候被丟棄的信息，從而有更強的表現能力。 |
