| 光强 |
2007-03-10 17:44 |
CCD vs CMOS
数字相机的诞生，不仅创造新的摄影经验和器材，同时随着电子组件的应用和知识的突然增多，而直接或间接的创造出许多新名词。对于常常使用数字相机的人来说，这些名词可能已经耳熟能详了，然而，要将它完全的讲清楚，说明白恐怕不是那么容易。Mr. _q\w9gN
OH! [.iz<Yh
特别将几个常用的名词做了整理，以方便大家更简易的认识数字影像。首先我们就从取代传统相机的底片的CCD说起： i% _nH"h
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ＣＣＤ（Charge Coupled Device &@D,|kHk
，感光耦合组件）为数字相机中可记录光线变化的半导体〈如下左图〉，通常以百万像素〈megapixel〉 n|iO)L\9aB
为单位。数字相机规格中的多少百万像素，指的就是ＣＣＤ的分辨率，也就是指这台数字相机的ＣＣＤ上有多少感光组件。 [^-DFq5@
CＣＤ上感光组件的表面具有储存电荷的能力，并以矩阵的方式排列〈如下右图〉。当其表面感受到光线时，会将电荷反应在组件上，整个ＣＣＤ上的所有感光组件所产生的讯号，就构成了一个完整的画面。因此，ＣＣＤ通常用在数字相机〈Digital 3 >sA_
Camera〉与扫瞄器〈Scanner〉上，作为感光的组件。 q:v&wb%
CCD的排列： )![? JXf
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传统CCD排列为矩阵，然而这样的作法却限制住了在有效面积中在提升分辨率的能力（以现行的技术来看（1999/12）1.8吋CCD理想值约为六百万画素，而在成本和制造良率的考量下修正至四百万是合理值）。因此，有些厂商很聪明的想出改变CCD的排列顺序，藉此想在此范围内增强解像力。FUJI '.DFyHsq
Fine Pix 4700就是采用这种作法。FUJIFILM所开发之「SUPER D7x"P-ie
CCD」是将CCD画素本体以45度角回转，呈蜂巢式状排列（参阅下图），结果是将PHOTO <[Gk hPfZ
diode间的配线部不要实现其大型化。又画素之形状及垂直方向的差较少，成为近似八角形，使受光部变大。实现相当于ISO Y f(QU`w_
800的高感度。SUPER CCD >H?{=H+/#
的S/N比以往比约2倍，颜色的再现也大幅改善。其结果特别是high ]q@6&]9
light部和Shadow部的阶调再现性 大幅提升，使分辨率和阶调平衡，可拍出较平滑的画像。 %,*{hhfu
Inter Live CCD是斜向，画素比水平、垂直向狭窄，斜向之分辨率较高。SUPER g g%OOvaj5
CCD画素是45度回转成蜂巢式排列，斜向比水平和垂直狭窄，所以水平、垂直方向分辨率较高。 ;/Dp
按：FUJI的智能确实令人印象深刻，其宣称在1.7英吋下原先的240万画素升级到430万！尽管效果如此惊人，然而还是要看到实际的测试报后才能断定这样的效果到底增强了多少解像力。 n P4DHb&5
ＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide h{cJ S9e}
Semiconductor，互补性氧化金属半导体）和CCD一样同为在数字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 ON=6 w_
– 电） 和 P（带 + FCEFg)c5=
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（参考以下之电路图）。然而，CMOS的缺点就是太容易出现杂点, !N1DJd
这主要是因为早期的设计使CMOS在处理快速变化的影像时，由于电流变化过于频繁而会产生过热的现象。 <Cw ) S8t
CMOS 对抗CCD的优势在于成本低,耗电需求少, 便于制造, Z tfPB
可以与影像处理电路同处于一个芯片上。但由于上述的缺点，CMOS Hh8)d/D
只能在经济型的数字相机市场中生存。当Canon ZK@ENfG
D30选择以CMOS当感光组件及摔破了不少专家的眼镜,因为高阶的数字相机中使用CMOS实在非常的罕见。然而就最近在DPREVIEW上看到的CANON h~
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D30 BETA所公布的实测相片看来 +
>oA@z
CMOS似乎已经突破以往的窠臼，效果直逼CCD。目前尚无法得知的是究竟CANON D30 %A dE5HI-
改良了原先CMOS的设计，还是在解读图像的芯片上做了革命性的改良。不可否认的，CMOS 只有CCD /_P 5 U E(
三分之一左右的耗电量, I vQ]-A}N
这对电池效能需求日异殷切的数字相机来说朝向CMOS发展或许是开发未来新机种的解决之道。 W`^Zb[
以下的网址有CMOS的详细说明： Z;Qb qMj
http://tech-www.informatik.uni-hamburg.de/applets/cmos/cmosdemo.html 3X&}{M:Qo
/-l 7GswF
新一代 CCD 技术革新 0ZXG{Gp9S
时代在变，传统的 CCD 技术已经没有办法满足现在使用者对数字影像的需求。以下，我们将简介两款在 ]QS? fs Z
2002 年所新推出的 CCD 技术，配合以往 Mr. OH! 对CCD与CMOS / t083
的简介，让网友门对这个数字相机的『视网膜』！有更深入的了解。 1/YWDxo,
2002年元月三十日-富士发表第三代 Super CCD w#5^A(NR
1999年日本富士开发出第一代的 SuperCCD，应用在 FinePix 4700z T0ebW
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上，由于可提高画素和分辨率，因此广受欢迎，继之2001年富士修正了第一代 Super CCD x\Bl^1&
所有的噪声缺点，并提升有效画素到310万，最大画素 602万的更高分辨率。这批 CCD 被装配在 4cni_m]
FinePix 6800z / 6900z 上，成为该年度富士最畅销的数字相机。新一代的 ^{GnEqml&
SuperCCD III 结合以上的优势，又加入了： 0BM3:]=wr
「画素加算信号处理能力」这项技术的创意在于利用相机内建的信号处理计算器，整合在第一次拍照所得（2832X2128）的照片，以RGB /b j
D*rj
三色之每4个画素为一个计算依据，整合出该照片在 ISO 1600 hp]T ^
高感度时应有的表现。运用计算的原理，可提高并修正回相片在低光亮下应有的色彩，避免电子干扰所增加的噪声比。但缺点是原本高画素的相片，得出的成果会被缩成 ,tZWP F-
(1280X960)大小比例。 %klC&
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「CCD 水平/垂直画素混合运算」这是 SuperCCD III ^xO
CT=V
又一项特殊技能，也是世界首次CCD采用水平/垂直画素混合运算技术。这种方式可以让有效画素300万的CCD跨过一般在QVGA动画录制 9air" 4
(分辨率 320×240)，速度被限制在15fps的门槛 - S3u>a\
因为速度再快下去，数字相机的处理速度不及，画面容易偏暗。这次透过运算法，整合多个画素成一个，让数字相机在动画的快门限制放开，所以 DDT)l+: XP
SuperCCD 在VGA的分辨率下(640×480)可以达到最大30fps Q0I22 ?
的录画能力。并能有效提高感度达 4倍以上。换言之，以 SuperCCD III 所拍摄的动画具有 '@h5j6:2
VCD 的水准了。相关资料可查询以下网址： CCO d4
http://www.fujifilm.co.jp/news_r/nrj871.html l Ud/^u`
2002年二月十一日-美国 Foveon 公司发表多层感色 CCD技术在 Foven 公司发表 'dp3 >4
X3 ((TiBCF4
技术之前，一般CCD的结构是类似以蜂窝状的滤色版（见下图），下面垫上感光器，藉以判定入射的光线是 3eqnc),Z
RGB 三原色的哪一种。关于这个课题，我们在数字讲座的『CCD 结构』讨论甚详，网友可连结参考。 V6Y:l9
然而，蜂窝技术（美国又称为马赛克技术）的缺点在于：分辨率无法提高，辩色能力差以及制作成本高昂。也因此，这些年来高阶 _
a|zvH
CCD 的生产一直被日本所垄断。新的 X3 CfA^Xp@vc
技术，让电子科技成功的模仿『真实底片』的感色原理（见下图），依光线的吸收波长『逐层感色』！，对应蜂窝技术一个画素只能感应一个颜色的缺点，X3 C{<qc,!4
的同样一个画素可以感应 3种不同的颜色，大大提高了影像的品质与色彩表现。支持更强悍的CCD运算技术 {i )k# `
VPS(Variable Pixel Aize）：X3还有一项特性，非常类似我们先前介绍的 j^}p'w Tu{
SuperCCD III : uglv6
水平垂直运算整合的方式，同样透过『群组画素』的搭配（见下图）。X3也可以达到超高 ISO 8o-*s+EY"&
值（必须消减分辨率），高速 VGA 录画速率。比 SuperCCD 更强悍的在于 X3 每一个 q"@Y2lhD!
Pixel 都可以感应三个色彩值，就理论上来说 X3 的动画拍摄在相同速度条件下，可能比 F7wp Gt t
SuperCCD III 还来得更精致。 B(x i
cTpAU9|(
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相关 Foveon X3 %Uj7 g>
资料可查询以下网址：http://www.foveon.net/X3_vps.html f\FubL
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2003年元月22日-富士发表第四代 Super CCD g<VJ4T E6R
/pZ]:.A
时隔一年，日本富士再度推出最新第四代 SUPER CCD (第三代推出日期 r7r>1W%4
2002-1-23）。第四代 SuperCCD 具有 Super CCD HR和 SR <taN3
两种规格。Super CCD HR(High 3zU!5t g
Resolution)强调富士专利科技在固定面积大小的CCD 芯片上分辨率再提高。HR /(Se:jH$>
技术能在1/1.7英吋的CCD上制造出663万画素的感光元素，搭配第四代 HR gf()NfUvRH
感光器的数字相机将可以输出 1230万纪录画素的照片（如同第三代 300万画素 ]4 2bd
SuperCCD可以输出 600万画素的效果一样），这款 HR CCD 的输出效果将可媲美 =^m,|j|d>4
Fujifilm 现役旗舰级 S2PRO 的画质效果。 w~A{]s{ 4
L y1V@
另一款 Super CCD SR 则是全新CCD结构，如同 HR一样，应用了新微细化技术的 \*Ro a& <!
CCD SR，可以在1/1.7英吋的CCD上做出 670万画素的元素（HR为 663万）。所不同的是 ]p/f@j?LU
SR 强调更高的动态范围（ Dynamic g/&`NlD
Range)，号称可达过去产品的4倍以上。造成这项差异的主要关键，在于 CCD SR n$n)!XL/
采用了有别以往的新型结构：SR整合了负责感光度高的S画素(见图：面积较大)以及能对一般动态范围以外作用的R画素(面积较小)。通过对这两种不同画素的运算整合，SuperCCD u6{= Z :
SR 将获得比以往单一感光结构之CCD更高的感光度和更宽的动态范围。 | X/ QSL
D3s]49 j)
S3rN]!B+
i#o:V/Z .
过去，单一架构的感光原件，对动态范围以外，也就是高光 OTs vox|(
亮部分和暗色部分。因为，无法调整灵敏度去适应（必须兼顾中间范围的显示品质），忍痛损失这部分的细节。而传统底片则可以藉由涂布较细的感色感光粒子来克服这样的困扰，所以当数字影像与传统影像相比时，动态范围往往是传统胜出的关键。富士的新技术显然克服了当原件更密集时所产生的噪声干扰，SR E ? 1"&D
m
的技术是利用 335万S画素和335万R画素整合为 [; 3` Aw
670万的表现，这种分工合作的方式，目前在业界还是首例。
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