2014年8月11日 星期一

影像感測器的真實解析度



不知道是何時開始數位相機的影像感測器的解析度一直有意的(或是刻意的)被曲解,自從十數年前接觸電腦用數位攝影機的時候,就被所謂的攝影機影像感測器之像素與解析度搞得團團轉,當年號稱所謂的30萬像素的 USB 攝影機,能提供 640x480 的影像解析度,工程師性格的我自然很好奇的計算了一下所謂的解析度與影像感測器像素間的關係,故將 640 乘以 480 得到了 307200,好像確實就是 30 萬像素吧!可是這裡面有個因素被忽略掉了,就是彩色數位影像的一個點是包含 R G B 三種顏色的資訊,也就是如要取得 640x480 的彩色影像,必須要有 640x480x3 個點的影像資料才可,也就是要 90 萬點的資料才行,但是為何號稱 30 萬點像素的影像感測器確可以產生 640x480 解析度的彩色畫面呢?

這要感謝 40 年前柯達的工程師 Bryce Bayer 的功勞,它的發明就是在一組紅綠藍綠的 4 個影像感測像素上,產生 12 個影像亮度資訊,好讓這 4 個像素能代表出 4 個藍與 4 個紅與 4 個綠的資料,這在工程上真是個大突破,業界舉國歡騰,神奇的技法讓 4 點的影像感測像素產生了 12 點的影像資料,這雖不比印鈔票好賺但是也是通膨 3 倍的發鈔技術,於是業界通路媒體與消費者概括的接受了這樣通膨,至今還是無法翻身,讓我們再次向這上個世紀的偉大發明瞻仰致敬。 


20世紀的偉大發明: Bayer影像感測陣列
 
上面這個 8x8 的像素方塊理論上只有 4x4 的實際彩色影像資料,所謂的實際是指光線由鏡頭入射至影像感測器並確實經由感測器所記錄到的彩色影像資料,所以就我的認知,上面的這感測器的真實解析度是 4x4 而非 8x8。在此大不敬的要向目前幾乎所有的數位相機打一巴掌,廠商所宣稱 1200 萬像素的數位相機其真實解析度只有 2000x1500 (而非廠商公佈的 4000x3000 ),而最新的 Nikon D810 宣稱擁有 3600 萬像素與 7380x4928 的解析度,其實它的真實的解析度應該只有 3690x2464 。這一些廠商所宣稱的解析度我姑且稱它們為擴展解析度(乃經運算原理由真實解析度擴展出來的),這也難怪奠基於這樣的擴展解析度下,將這一些數位相機所拍攝的影像經由 100% 放大至顯示器 1:1 觀看時,總覺得畫素有一點糊糊的,但是再經由50%的縮圖之後就會覺得清晰了許多,這就是數十年來數位相機解析度的真相:真實解析度只有擴展解析度的一半(水平解析度剩一半,垂直解析度也剩一半)。

但是數位相機業界有家獨特的公司叫做 Foveon Inc. 的( 2008年被 Sigma 所併購 ),它發展的影像感測器結構與柯達的 Bayer 感測器有著截然的不同,每一組影像感測元素的位置堆疊了3個影像感測單元,在 2002 年它們發表的F oveon X3 影像感測器被用在 Sigma 的 SD9 數位相機機身上,是實實在在的 2268x1512x3 的感測元素,再生出真實的 2268x1512 的解析度,想當然爾的在2000年時隨便都是業界號稱的 600 萬像素 3000x2000 解析度的機種比比皆是,這樣子 2268x1512 的解析度是不被大眾所青睞的,儘管它的影像感測器實質上是擁有1000 萬像素的(遠高於當時業界的 600 萬象素),到了 2010 年 Foveon 發展出了 4800x3200x3 像素的影像感測器被用在 Sigma 的 SD1 數位機身上,真實的 4800x3200 的解析度,其所展現出的畫質細膩度與深度在業界立下了典範


Bayer 影像感測器與 Foveon X3 影像感測器的比較示意圖
 
這樣技術深度的影像感測元件理應在業界會造成廣泛與熱列的迴響,但事實並不然,因為天身結構的缺陷造成了 X3 架構於高 ISO 下會產生較高的雜訊,故可適用的 ISO 僅能達到 1600左右,這成為它目前無法抵擋 Bayer 結構的影像感測器的主要原因,雖說X3在業界並未造成轟動,但是其極佳的成像特性驚動了 CanonPanasonicSony,這三家公司分別於近年發表了一些關於疊層結構的影像感測器專利,似乎有一股浪潮正將未來的影像感測器發展方向推向疊層的結構,也許不久的未來我們就能擺脫那一些動人的擴展解析度規格而邁向真正的真實解析度。