数码影像漫谈

一 像素

我们身边的世界在宏观上成连续的，好比时间永远在连续不停的流逝，但我们用来记录时间的钟表却不是连续的，比如我们常用的电子手表，可能是以秒为单位一格一格的前进，如果再细分可以以毫秒或者更小的单位来记录。无论怎样，当我们细分到一定程度时，我们主观上已经不再能够分辨变化的幅度，而觉得成为连续变化的了。对于数字影像也是一样。

对于如下的一幅画面，



如果我们以一个10X7共70个像素的感光元件来描述，我们会得到这样一幅图像。



可以发现，每个像素单元的信息是其所涵盖的图像的色彩信息的平均，很显然，这是一个很不连续的图像，甚至根本不能叫做图像。但当我们保持感光元件面积不变而不断增加像素的数量后，整个图像逐渐的呈现出来。


20X13 = 260 pixels


50X34 = 1700 pixels


200X133 = 26600 pixels


800X531 = 424800 pixels

当像素数量达到42万之后，这幅800X531分辨率的图像看起来已经相当连续了。当然如果我们想得到更大尺寸的图像用于在显示器上观看或者打印输出（对像素数量的要求比在显示器上显示更高）时，42万像素还是远远不够的。目前市场上的数码相机都有数百万像素，高端产品甚至更高，这对于高精度大幅输出是至关重要的。

数码感光元件的最小单位，是一个个像素，他们排列成行列形式的矩阵，以感受光线。像素单元接受光线照射，将光子转变成电子，然后由电荷电压转换器转换成电压信号，再由放大器放大，最后经由ADC（模数转换器）转成数字信号输出。我们可以把像素单元想象成一个水桶，而接受光照的过程就好比往这个水桶里倒水，不过这个桶装的不是水，而是光子。像水桶一样，像素单元也有容量，超过这个容量之后，将无法记录更多的光子信号，这就是溢出。描述像素单元容量的指标就是Full Well Capacity，这是感光元件性能的一个重要指标，以后我们会具体谈到。

像素数量的提高，有利于我们获得高精度的图像，但是像素数量不是衡量感光元件好坏的唯一标准，还应该考虑像素质量，包括像素在感光元件上排列的均一性，色彩精确性，动态范围，噪声表现，以及包括色散、紫边、摩尔纹等在内的各种伪色失真。

在看各种数码相机参数的时候，我们常常能够看见总像素和有效像素等名词，有时候出于宣传的目的，厂家并不说明有效像素，而仅仅用总像素来标明。那么两者的区别是什么？由于目前主要的感光元件都是马赛克形式的，每个像素实际上只能识别一种色彩信息，后期上需要借助周边像素的色彩信息来进行解码，还原本来的色彩。所以边缘的像素需要额外的像素来提供这些色彩信息，也就是说，感光元件的最外周的像素是不能参与成像的，它们是负责提供色彩信息来对最终图像的最外周像素进行去马赛克解码的。因此，总像素是大于有效像素的。

除了像素数量，感光元件的面积大小是衡量感光元件的另一个重要指标。



由上图可以看出，数码单反的感光元件的面积要远远大于紧凑型消费级数码相机，除此之外，数码单反的单个像素的面积也要大于后者，6百万像素的D70的单个像素面积是8百万像素的Nikon Coolpix 8800的7.5倍。由于消费级数码相机的像素面积要小于数码单反的像素面积，这成为制约消费级数码相机画质的关键因素。因为大的像素能获得更好的信噪比，更大的动态范围和更高的ISO。当然，随着技术的不断革新，制造工艺的提高，很多新型感光元件的小尺寸像素已经好过旧型感光元件的大尺寸像素。数码相机的像素数量在保持感光元件面积不变的前提下得以不断的提高，同时画质保持一致甚至更佳，就是很好的证明。

下表为常见数码相机感光元件基本信息




我们可以看到，消费级数码相机的感光元件面积仅为35mm胶片的10%以下，而数码单反则达到26%到100%，这是数码单反成像更优一些的物质基础。目前感光元件的发展主要向高像素，大尺寸两个方向进行，但无论感光元件面积是否增大，像素不断提高则呈整体趋势。