数码相机揭秘系列--CCD和CMOS

数码相机的诞生，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。对于常常使用数码相机的人来说，这些名词可能已经耳熟能详了，然而，要想将它们完全的讲清楚、说明白，恐怕也不是那么容易。于是我特别将几组常用的名词做了整理，以方便大家更简易地认识数码相机。大家请关注我们这一系列，第一期，我先从取代传统相机底片的CCD说起，事实上，这也是数码相机的最重点。

一、传统CCD：

相信不少朋友都知道CCD的重要性，也知道它是决定数码相机性能的重要组件，但真的要说明白CCD，也不是一句两句话可以的。

1、认识CCD

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图1

CCD（Charge Coupled Device ，感光耦合组件）为数码相机中可记录光线变化的半导体〈如图1〉，通常以百万像素（megapixel）为单位。数码相机规格中的多少百万像素，指的就是CCD的分辨率，也就是指这台数码相机的CCD上有多少个感光组件。

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图2

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（如图2）。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信号，就构成了一个完整的画面。因此，CCD通常用在数码相机（Digital Camera）与扫瞄器（Scanner）上，作为感光的组件。

2、CCD的“三文治”结构

如果把CCD解剖，你会发现CCD的结构就像三明治一样，第一层是“微型镜头”，第二层是“分色滤色片”以及第三层“感光层”。你一定觉得很奇怪，为什么“镜头”会直接做在CCD上呢？

第一层“微型镜头”

其实，这是一个英语翻译上的语误：“ON-CHIP MICRO LENS”,它是1980年初，由SONY领先发展出来的技术。这是为了有效提升CCD的总像素，又要确保单一像素持续缩小以维持CCD的标准面积。因此，必须扩展单一像素的受光面积。但利用提高开口率（采光率）来增加受光面积，反而使画质变差了。所以，开口率只能提升到一定的极限，否则CCD将成为劣品。为改善这个问题，SONY率先在每一感光二极管上（单一像素）装置微小镜片。这个设计就像是帮CCD戴上眼镜一样，感光面积不再因为传感器的开口面积而决定，而改由微型镜片的表面积来决定。如此一来，可以同时兼顾单一像素的大小，又可在规格上提高开口率，使感光度大幅提升（如图3）。

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图3

第二层是“分色滤色片”

CCD的第二层是“分色滤色片”，目前有两种分色方式，一是RGB原色分色法，另一个则是CMYG补色分色法。这两种方法各有优缺点。不过以产量来看，原色和补色CCD的产量比例约在2比1左右。

原色CCD的优势在于画质锐利，色彩真实，但缺点则是噪声问题。因此，大家可以注意，一般采用原色CCD的数码相机，在ISO感光度上多半不会超过400。相对的，补色CCD多了一个Y黄色滤色器，在色彩的分辨上比较仔细，但却牺牲了部分影像的分辨率，而在ISO值上，补色CCD可以容忍较高的感度，一般都可设定在800以上（如图4、图5、图6、图7）。

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图4

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图5

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图6

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图7

第三层：感光层

CCD的第三层是“感光片”，这层主要是负责将穿过滤色层的光源转换成电子信号，并将信号传送到影像处理芯片，将影像还原。

3、CCD排列

传统CCD排列为矩阵，然而这样的做法却限制了在有效面积中再提升分辨率的能力（以现行的技术来看1.8寸CCD理想值约为六百万像素，而在成本和制造合格率的考虑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，希望由此增强解析度。FUJI Fine Pix 4700就是采用这种作法。FUJIFILM所开发的技术称之为“SUPER CCD”，这技术是将CCD像素本体以45度角回转，呈蜂巢式状排列（如图8），结果是将PHOTO diode间的配线部分不要，以实现其更大化。因为像素的形状及垂直方向的差较少，成为近似八角形，使受光部分变大。实现相当于ISO 800的高感度。SUPER CCD的S/N与以往相比较约高2倍，颜色的再现也大幅改善。其结果特别是high light部分和Shadow部分的色调再现性大幅提升，使分辨率和色调平衡，可拍出较为平滑的画像。

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图8

这里需要指出的是，FUJI宣称在1.7英寸下原先的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判定这样的效果到底增强了多少分辨率。

二、CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，互补性氧化金属半导体〉

CMOS和CCD一样同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有什么差别，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（带正电）和 P（带负电）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。然而，CMOS的缺点就是太容易出现杂点, 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。

那么你会问CMOS还有什么优势？其实CMOS对抗CCD的优势在于成本低,耗电需求少, 便于制造, 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 只能在经济型的数码相机市场中生存。

当初Canon D30选择以CMOS作为感光组件就让不少专家“摔破了眼镜”,因为高端的数码相机中使用CMOS实在非常的罕见。然而就最近在DPREVIEW上看到的CANON D30 BETA所公布的实测相片看来CMOS似乎已经突破以往的不足，其效果是直逼CCD。目前尚无法得知的是究竟CANON D30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三分之一左右的耗电量, 这对电池效能需求日益殷切的数码相机来说朝向CMOS发展或许是开发未来新机种的解决之道。

如果大家对于CMOS还有不清楚的地方，以下的网址有CMOS的英文详细说明：

http://tech-www.informatik.uni-hamburg.de/applets/cmos/cmosdemo.html

三、新一代CCD技术革新

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码相机的需求了。以下，我们将简介两款在2002 年所新推出的具有代表性的两种CCD技术，让大家对于CCD有更深刻的了解：

富士发表第三代Super CCD技术（如图9、图10）

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图9

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图10

1999年日本富士开发出第一代的SuperCCD，应用在FinePix 4700z上，由于可提高像素和分辨率，因此大受欢迎，然后2001年富士修正了第一代Super CCD所有的噪声缺点，并提升有效像素到310万，最大像素602万的更高分辨率。这批CCD被装配在 FinePix 6800z/6900z上，成为该年度富士最畅销的数码相机。新一代的SuperCCD III结合以上的优势，又新加入了：

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处理器，整合在第一次拍照所得（2832X2128）的照片，具体是以RGB为标准，以三色每4个像素为一个计算依据，整合出该照片在ISO 1600高感度时应有的表现。运用计算的原理，可提高并修正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。但缺点是原来高像素的相片，得出的成果会被缩成（1280X960）大小比例。

CCD 水平/垂直像素混合运算——这是SuperCCD III又一项特殊技能，也是世界首次CCD采用水平/垂直像素混合运算技术。这种方式可以让有效像素300万的CCD跨过一般在QVGA动画录制 （分辨率 320×240），速度被限制在15fps的门槛——因为速度再快下去，数码相机的处理速度不够，画面容易偏暗。这次通过运算法，整合多个像素成一个，让数码相机在动画的快门限制放开，所以SuperCCD在VGA的分辨率下（640×480）可以达到最大30fps的录像能力。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VCD的水准了。

美国Foveon公司发表多层感色CCD技术

在Foven公司发表X3技术之前，一般CCD结构是类似蜂窝状的滤色版（图11），下面垫上感光器，借以判定入射的光线是RGB三原色的哪一种。

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图11

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，这些年来高端CCD的生产一直被日本所垄断。新的X3技术，让电子科技成功的模仿“真实底片”的感色原理（图12），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的同样一个像素可以感应3种不同的颜色，大大提高了影像的品质与色彩表现。

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图12

支持更强悍的CCD运算技术VPS(Variable Pixel Aize）；此外，X3还有一项特性，非常类似我们先前介绍的SuperCCD III水平垂直运算整合的方式，同样通过“群组像素”的搭配（图13）。X3也可以达到超高ISO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Pixel（像素）都可以感应三个色彩值，在理论上来说，X3的动画拍摄在相同速度条件下，可能比SuperCCD III还来得更精致。

网络上流传拍到鬼魂的消息，这一话题经常能引起人们的注意。人们认为照片中出现的神秘光点或是奇怪的影子，就是鬼魂或是幽灵。相机所拍到的真的是鬼魂吗？随小编一起来看下这些照片里鬼魂的谜团，究竟是鬼魂还是人为呢？19世纪中叶，唯灵论兴起的美国，出现了世界上第一个“鬼魂摄影师”：威廉·穆勒用相机捕捉到了一个异常清晰的鬼影相片，这个鬼影像极了不久前被暗杀的林肯。虽然他被控告造假，但是内战期间生意兴隆，他用灵异照片为失去亲人的人们制造亲密的幻想。威廉·穆勒的衰败，部分是因为P.T.巴纳姆（P.T Barnum，译注：美国巡回演出团老板和马戏团老板。他被认为是世界最伟大的巡回演出团老板，并因展现畸形人的表演而闻名）。人们已知的世界上第一个“鬼魂摄影师”捕捉到了巴纳姆和一个异常清晰的鬼魂的合影图像，而这个鬼影很像不久前被暗杀的亚伯拉罕·林肯。1869年的穆勒造假案审讯中，魔术师巴纳姆对照片造假愤愤不平。他被传唤到证人席上，与穆勒对簿公堂。牛津大学出版社记录道，巴纳姆为法庭提供了“造假”专业知识。因为好玩，也为了利益，穆勒尝试着处理照片。但并非只有他一个人这么干。照片处理技术出现的年头和摄影差不多长。穆勒用相机拍不出来的景物，他用创意造了出来。在其审讯过程中，摄影师们用9种不同的方法证明了可以在照片上仿造出“鬼魂”，包括利用多次曝光技术和合成打印。正如1856年，大卫？布儒斯特（David Brewster，译注：苏格兰物理学家、发明家。1816年成功发明万花筒。）在其关于立体镜的书中解释的：为了娱乐，摄影师甚至能让我们感受超自然现象。如我在其他地方展示的那样，摄影师的艺术使得他造出人物的一个或多个鬼魂影像，这些影像以“薄烟”的样子出现在立体影像的实物中。对第一个充分利用“灵异照片”的人，穆勒，来说，照片处理还是一笔好生意。当他的照片让人们思念逝者，得以宽慰时，技术上来说，他卖给顾客的是他们与逝去亲人鬼魂的合照。这些照片，每张能卖5到10美元。牛津大学出版社的凯特？斯科特写道“在那时，这可是一大笔钱”。不久，历史这样总结，“他通过为那些因内战而失去亲人，内心悲痛的顾客制做灵异照片大发横财”。那么，他是如何制作出灵异照片的？有时，他要为“鬼魂们”准备图片。内战期间，由于亲人间长期遭受分离之苦，纪念照开始流行，由此出现了数以千计的肖像照。其中最受欢迎的形式是明信片（cartes-de-visite），把照片贴在小小的，厚厚的纸片上，也就是卡片。穆勒用这些贴在卡纸上的照片，加上一些相似的照片，来造出他的“鬼魂们”。就像在巴纳姆和林肯的灵异肖像照中一样，他用名人的肖像造出和名人合影的错觉。并且，他还用普通人的图像造出虚幻的亲密行为的错觉。这些视觉上的记忆，充满创意却也很残酷，即使是那些至爱之人的照片，也会褪色变暗，线条变模糊。穆勒利用了这一点。就像斯科特说的：“如果顾客能和摄影师描述亲人的样子，如果所选面孔足够模糊不清，那造出来的‘鬼魂’就会说服那些想被说服的人。”然而，穆勒的假照片并不仅仅是照片那么简单。由于这些图像，他被告上法庭、被逮捕。（也因为他辩解自己私闯民宅，窃取他人已故亲人的照片。）穆勒告诉顾客，他之所以能造出鬼魂是因为他有通灵的能力。穆勒和他的鬼魂摄影师们利用人们希望所爱之人依然存在的心理为盈利手段。他告诉顾客，人类无法看到他们的灵魂，但照相机能拍到。人们就相信他了。但是，为什么？思念至爱，想和他或她在一起，无形的便是永恒，这是一回事；相信摄影师的镜头能够捕捉肉眼看不到的就是另一回事了。斯科特指出，穆勒照片流行的时代也是人们尝试重新思考人与信息、人与肉体间关系的时代。19世纪中叶，美国唯灵论兴起，此外，宗教运动推测灵魂可以脱离肉体存在。正如传媒历史学家杰弗里？斯肯斯（Jeffrey Sconce）所说，科技，比如电报机、照相机，为唯灵运动提供了文化支持，科技有效地将信息与信息发出者的肉体分离。图像与主体分离；信息与信息源分离。鬼魂以它们的方式无处不在。点评：相机拍到的灵魂绝对是虚构的。经历了多次造假指控后，穆勒并未因此而判刑，自己的事业也在走下坡路。为何为判刑，法官认为，这位摄影师尽管已经构成了欺诈，但因为证据不足，案子只能被驳回。不知道穆勒是否还会制作假照片来误导大家呢？那么，为什么还有人说相机能拍到人肉眼看不到的东西呢？其实事实的确如此。一起来看钟茂森博士在《因果轮回的科学证明》中是怎么说的。其实数码的相机能够拍摄出人肉眼看不见的这些东西，其实是有它的原理。人肉眼所见到的这些光，叫可见光，可见光的光波是在整个光谱里面只占百分之二。也就是说人肉眼所能见到的东西，只能是百分之二，百分之九十八你是看不见的。以前用的那种胶卷的相片，它能够感光，它所感光的光谱就比可见光的光谱要更宽广。比如说X光，肉眼看不见的，但是用相片它能够感光。还有其他的一些光波，像磁外线、紫外线、红外线，还有什麽伽玛射线、宇宙射线，光谱里面很多这些射线，都没有办法肉眼看得到。现在发展起来的数码相机，它的数位感光的光谱，又比以前胶卷相片感光又更加宽广。因为数码相机所用的，就是所谓的叫做半导体的CCD阵列。这个阵列当中，每个感光的颗粒，一个感光的基本单位，叫像素。所以看数码相机有说是五百万像素的，有说是七百万像素的，那是指感光的颗粒。数码相机它能够感光就比相片更宽广，所以现在都用在天文的这种照相，一些宇宙的射线都能够用数位相机给它拍摄下来。因此它能够拍摄人的肉眼看不见的东西，这也是可以理解的。

通俗的讲

数码相机采用电子元器件成像而非胶卷——这是数码相机与传统相机最本质的区别所在。数码相机的成像器件主要分为两类：

CCD——英文Charge Couple Device的缩写，中文名称“电荷耦合器件”。

CMOS——英文Complementary Metal-Oxide Semiconductor的缩写，中文名称为“互补金属氧化物半导体”。

2、1）CCD是目前主流的成像器件，主要分为：

（1）R-G-B原色CCD：这是数码相机上应用的最多的CCD。

（2）C-Y-G-M补色CCD：早些时候尼康部分数码相机使用过这种补色CCD。

（3）R-G-B-E四色CCD：这是索尼最新发布的CCD，它比RGB原色CCD多出一个E（Emerale,翠绿）的颜色。

2）Super CCD：是日本富士公司的专利技术，中文名称为超级CCD，由CCD演变而成，目前已经发展到第4代。

3）CMOS：作为数码相机成像器件出现的时间并不长，但发展却非常迅速，大有与CCD分庭抗争之势，其基本结构中的像素排列方式与R-G-B原色CCD并没有本质差别。佳能是CMOS阵营的主要支持者。

3、数码相机是怎样成像的？

a) 光线透过镜头投射到感光元件表层；

b) 光线被感光元件表层上滤镜分解成不同的色光；

c) 色光被各滤镜相对应的感光单元感知，并产生不同强度的模拟电流信号，再由感光元件的电路将这些信号收集起来；

d) 模拟信号通过数模转换器转换成为数字信号，再由 DSP对这些信号进行处理，还原成为数字影象；

e) 数字影象再被传输到存储卡上保存起来。

4、 CCD有何特点？

CCD技术成熟，成像质量好，毕竟它是现在应用的最广泛的成像元件，但它也有其缺点：

1） 耗电量大。早期的数码相机有“电老虎”的“美誉”，主要原因之一便来自CCD。虽然现在采用低温多晶硅显示屏等低能耗的部件在一定程度上降低了相机的功率，但CCD依然是数码相机的耗电大户——CCD从数码相机一开机便随时保持着工作状态，更是无谓地消耗大量的电能。

2） 工艺复杂，成本较高。CCD复杂的结构决定了它制造工艺的复杂性，因而到目前为止，CCD还只有为数不多的几家电子产业巨头能生产。

3） 像素提升难度大。CCD前两个缺点也直接导致了这一个缺点，CCD像素提升无非是通过两个途径：第一，保持感光元件单位面积不变而增大CCD面积，在大面积CCD上集成更多的感光元件。但是这种方式会导致CCD成品率降低，制造成本更高，功耗更大，在民用领域这是不现实的；第二，缩小感光元件单位面积，在现有水平的CCD面积上集成更多感光元件。但是这种方法会减少感光元件的单位感光面积，降低CCD整体的灵敏度和动态范围，影响画质。

5、 CMOS有何特点？

CMOS在最近几年的发展速度相当不错，大有与CCD分庭抗争之势——就连目前最顶级的DSLR（单镜头反光数码相机）柯达（Kodak）DCS 14n与佳能(Canon) EOS 1Ds均是采用CMOS成像。

相比CCD，CMOS有两个最突出的优点：

1） 价格低廉，制造工艺简单。CMOS可以利用普通半导体生产线进行生产，不象CCD那样要求特殊的生产工艺，所以制造成本低得多。而且CMOS尺寸与成品率都不如CCD有很多限制。

2） 耗电量低。虽然CMOS的滤镜布局与CCD差别不大，但在感光单元的电路结构上却有很大差别。CMOS每个感光元件都具备独立的电荷/电压转换电路，可将光电转换后的电信号独立放大输出——这比起CCD将所有的信号全部收集起来再放大输出，速度快了很多。而且CMOS的感光元件只在感光成像时才会工作，所以比CCD更省电。但CMOS同样存在缺点，如果在使用数码相机时成像动作较多，那么CMOS在频繁的启动过程中会因为多变的电流而产生热量，导致杂波并影响画质。

6、 怎样理解成像元件的基本参数？

成像元件是数码相机的核心，因而正确认识它的一些重要的参数是很必要的，这对了解数码相机的基本性能、如何选购数码相机都能带来不少帮助。

总像素——总像素是指数码相机成像元件上成像单元的数量，总像素为524万的CCD，就表示其上集成有524万个成像单元。数码相继在标示其性能时基本上都采用总像素。

有效像素——数码相机在成像时，感光元件边缘部分会因为光线的衍射而导致成像模糊，为保证成像的质量，感光元件上这部分的成像会被舍弃，所以感光单元不能100%被利用。而被利用起来的，即得到最终图象的这部分像素就成为有效像素。

尺寸——是指感光元件对角线的长度，常用单位为英寸。常见的有1/1.8英寸、1/2.7英寸、2/3英寸等。一般来说，感光元件尺寸越大，元件的性能与成像效果就越好。另外，数码相机的感光元件一般采用4：3的长宽比，比较特殊的则有3：2。

ISO——是指感光元件对光线感应的灵敏程度。数值越大，灵敏度越高，常见的数值有50、80、100、160、200、400等，目前数码相机感光元件最高ISO值可达3200。须要说明的是，虽然高ISO值可以提高数码相机在黑暗环境中的成像质量，但ISO越高，对画面质量的影响就越明显，出现的噪点就越多。

不通俗的讲

在对数码相机的特点和基本组件了解之前，下面来了解一下数码相机是如何工作的，这有利于更好地理解和掌握相机的各项关键参数，深入了解相机的性能。

当打开相机的电源开关后，主控程序芯片开始检查整个相机，确定各个部件是否处于可工作状态。如果一切正常，相机将处于待命状态；若某一部分出现故障，LCD屏上会显示一个错误信息，并使相机完全停止工作。

当用户对准拍摄目标，并将快门按下一半时，相机内的微处理器开始工作，以确定对焦距离、快门的速度和光圈的大小。当按下快门后，光学镜头可将光线聚焦到影像传感器上，这种CCD/CMOS半导体器件代替了传统相机中胶卷的位置，它可将捕捉到的景物光信号转换为电信号。

此时就得到了对应于拍摄景物的电子图像，由于这时图像文件还是模拟信号，还不能被计算机识别，所以需要通过A/D（模/数转换器）转换成数字信号，然后才能以数据方式进行储存。接下来微处理器对数字信号进行压缩，并转换为特定的图像格式，常用的用于描述二维图像的文件格式包括Tag TIFF（Image File Format）、RAW（Raw data Format）、FPX（Flash Pix）、JFIF（JPEG File Interchange Format）等，最后以数字信号存在的图像文件会以指定的格式存储到内置存储器中，那么一张数码相片就完成拍摄了，此时通过LCD（液晶显示器）可以查看所拍摄到的照片。

前面只是简单介绍了其大致的过程，下面结合图1-1来详细地介绍相片成像的整个过程。

（1）当使用数码相机拍摄景物时，景物反射的光线通过数码相机的镜头透射到CD上。

（2）当CCD曝光后，光电二极管受到光线的激发而释放出电荷，生成感光元件的电信号。

（3）CCD控制芯片利用感光元件中的控制信号线路对发光二极管产生的电流进行控制，由电流传输电路输出，CCD会将一次成像产生的电信号收集起来，统一输出到放大器。

（4）经过放大和滤波后的电信号被传送到ADC，由ADC将电信号（模拟信号）转换为数字信号，数值的大小和电信号的强度与电压的高低成正比，这些数值其实也就是图像的数据。

（5）此时这些图像数据还不能直接生成图像，还要输出到DSP（数字信号处理器）中，在DSP中，将会对这些图像数据进行色彩校正、白平衡处理，并编码为数码相机所支持的图像格式、分辨率，然后才会被存储为图像文件。

（6）当完成上述步骤后，图像文件就会被保存到存储器上,我们就可以欣赏了。

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