攝影常識——7
感光元器件
膠片相機記錄感覺信息的載體是膠片（膠捲）。數位相機則通過成像感光元器件將感覺信息轉換成表示信息（二進制編碼的“0、1”），而記錄到CF等接口的存儲卡載體上。
成像感光元器件與數位相機一體的，是數位相機的心臟。感光器是數位相機的核心，也是最為關鍵的技術。數位相機的發展，實質上就是感光器的發展。目前，數位相機的核心成像感光器件，有兩種：①電荷藕合器件圖像感測器（ChargeCoupledDevice簡寫為CCD）。②互補金屬氧化物導體（ComplementaryMetal-OxideSemiconductor簡寫為CMOS）。
一、電荷藕合
電荷藕合（CCD）使用一種高感光度的半導體材料製成，能把光線轉變成電荷，通過模數轉換器晶片轉換成數字信息，數字信息經過壓縮以後，由數位照相機內部的閃速存儲器（如：CF卡）或內置硬碟卡保存。可以把圖像數字信息，傳輸給計算機。並可以藉助於計算機的處理手段，根據需求來修改圖像數字信息。
人眼視網膜是由分工合作組成的兩種視覺感應細胞組成的：①負責光強度感應的柱形細胞。②負責色彩感應的錐形細胞。
電荷藕合（CCD）和膠片（膠捲）相比，感覺光線的工作方式，更接近於人眼視網膜等視覺神經系統。主要組成是由一個類似“馬賽克”的格線、聚光鏡片以及墊於最底下的電子線路矩陣所組成。
目前，電荷藕合（CCD）光敏元件主要有兩種類型：①線性CCD。②矩陣性CCD。
⒈線性CCD
線性CCD用於高解析度的靜態相機。每次只拍攝圖像的一條線，這與平板掃瞄器，掃描照片的方法相同。
特點：
CCD精度高，速度慢，無法用來拍攝移動的物體，也無法使用閃光燈。
⒉矩陣式CCD
矩陣式CCD每一個光敏元件，代表著圖像中的一個像素。當快門打開時，整個圖像同時一次曝光。
矩陣式CCD處理色彩的方法——是將彩色濾鏡嵌在CCD矩陣中，相近的像素使用不同顏色的濾鏡。
在記錄相片的過程中，相機內部的微處理器從每個像素獲得信號，將相鄰的4個點合成為一個像素點。
特點：
允許瞬間曝光，微處理器能運算地非常快。
因為不是同點合成，其中包含著數學計算，所產生的圖像，無法達到很銳利的程度。
例如：典型的兩種CCD排列方式。
①原色CCD方式：綠—紅—綠—藍（G-R-G-B）。以光的三種原色紅綠藍（RGB）為感光基礎。
優點：色彩調和準確、還原度高、真實自然、畫質銳利，對於後期數字圖像處理調色容易。
缺點：不能根除噪聲問題，黑白兩色容易形成雜點、色階較窄。
因此，一般採用原色CCD的數位相機在ISO感光度上多半不會超過400。
②補色CCD方式：青—黃—品紅—綠（C-Y-M-G）。以青黃品紅綠（CYMG）為感光基礎。
優點：色階較寬、色彩混合變化多而精細豐富。
缺點：色彩過於細緻使圖像表現較柔和而不夠鮮明，還犧牲了部分圖像的解析度，並且對於後期數字圖像處理時調色不易，容易產生色散或偏色的問題。
在ISO值上，補色CCD方式可以獲得較高的感光度，一般都可以在ISO800以上。
這兩種排列方式成像的原理都是一樣的。但是，不同方式對數位相機的成像質量有重要影響。
⒊CCD成像的原理
光的三原色為：紅（Red）、綠（Green）、藍（Blue）。在計算機中，則用一個8位二進制的數（11111111）2來表示某一種顏色的灰度值。用十六進制的（FF0000）16來表示一個單純的紅色。用十六進制的（00FF00）16來表示一個單純的綠色。用十六進制的（0000FF）16來表示一個單純的藍色，這種方法可以表示224=16777216種顏色。
顏色的取值範圍是：（000000）16～（FFFFFF）16，任何一種顏色，是由光的三個原色不同的灰度值來表示的，如：（ⅩⅩⅩⅩⅩⅩ）16。
例如：黑色（000000）16、白色（FFFFFF）16、灰色（666666）16、某種顏色（123456）16。
不同進制數值的轉換，如：（11111111）2=（FF）16=（255）10
一個像素不可能感知所有色彩的灰度，只能感知紅（Red）、綠（Green）、藍（Blue）當中的某一種色彩的灰度。
為了顯示彩色圖像，可以讓三種像素點分別專門感知紅色、綠色、藍色三種灰度。這樣，光三原色的單個顏色的採樣灰度色階就有了。
一個像素可以理解為一個採樣精度為255階的模數（AD）轉換口。如：負責採樣紅色灰度值的像素，得到當前光線中紅顏色的灰度數字信息。同理，得到綠色、藍色的灰度數字信息。
電荷藕合（CCD）上，三種採樣不同顏色灰度數字信息的像素點交叉布局的結構，如圖1所示。
圖1 三種感知顏色的像素分布從圖中可以看到：紅綠藍三種顏色的像素點的分布數量比是1:2:1。
紅色和藍色點是一個隔一個。而綠色點則占了一整行。也就是說紅綠藍（RGB）三種顏色像素點的數量之比為1:2:1。
由於人的視覺器官，對綠色特別敏感。所以，刻意多加了綠色灰度數據信息的收集，這樣做的目的是為後期處理相片的做鋪墊。
當拍完相片圖像之後，得到的就是這些小型數模（AD）採樣灰度值，也就是相機原始圖像編碼的表示媒體信息——數位相機的“底片”。輸出的檔案叫做RAW格式檔案。存的就是這三種顏色的灰度數字信息。
例如：一台1200萬個像素的照相機。
CCD上有1200萬個感光像素點。紅綠藍（RGB）三種顏色像素點的數量之比為1:2:1。最終生成的RAW格式檔案中，包含300萬個紅（R）顏色的灰度值，600萬個綠（G）顏色的灰度值，300萬個藍（B）顏色的灰度值。
⒈計算沒有壓縮時的成像檔案的大小：
①如果1個感光像素點占用8個二進制位。那么，1200萬個感光像素點占用的二進制位數為：8位（bit）×12000000=96000000位（bit）
②1200萬個感光像素點占用位元組數為：96000000位（bit）÷8=12000000位元組（Byte）
③單位換算：
12000000位元組（Byte）÷1024=11718.75位元組（Byte）=11.71875兆位元組（MB）≈12兆位元組（MB）
答：這一台1200萬個像素的照相機，最後生成一個未壓縮的RAW格式檔案大小約為12MB。
⒉將1200萬個像素的RAW格式檔案，轉換成紅綠藍（RGB）像素的TIFF格式檔案，有多大？
①一個紅綠藍（RGB）三種顏色像素點，用一個3×8位（bit）=24位（bit）表示，那么TIFF格式檔案的大小應為：
11.71875兆位元組（MB）×3=35156.25兆位元組（MB）≈36兆位元組（MB）
②分析：那么，多出來的2倍的數據是哪裡來的？是因為一個像素是由一個8位的二進制數來表示，而最終看到的圖像是一個紅綠藍（RGB）像素，則是由一個8位×3=24位的二進制數值來表示的。
這是數位照相機、或者計算機的中央處理單元（CPU），採用所謂“插值算法”算出來的。
（插值算法簡述：通過這個像素周邊的顏色灰度值來計算出這個像素點的紅綠藍（RGB）值。如果這個顏色像素點記錄的是紅（R）的灰度值，那么插值的時候，程式就會去找這個像素點周邊綠（R）和藍（B）像素點的灰度值，這樣可以補足24位。）
數位照相機成像出現紫邊產生的原因，可以總結為三點：
①照相機鏡頭的色差。②電荷藕合（CCD）成像的局限性。③相片放大倍數。
其中，插值算法應該是出現紫邊的主要原因。
二、互補性氧化金屬半導體
互補性氧化金屬半導體（ComplementaryMetal-OxideSemiconductor，簡寫為CMOS）和電荷藕合（CCD）一樣，同為在數位相機中可記錄光線變化的半導體。
CMOS主要是利用矽或鍺的半導體元素，使其在CMOS上存有PN結，由於互補效應所產生的電流，被處理晶片紀錄和解讀成影像。
缺點：太容易出現雜點。（早期的CMOS在處理快速變化的影像時，由於電流變化過於頻繁而產生過熱現象。）
三、超級電荷藕合
超級電荷藕合CCD（SuperCCD）則採用了一種八邊形的二極體，像素是類以蜂窩狀（六邊形）排列，並且單位像素的面積要比電荷藕合（CCD）大。
將像素鏇轉45度排列的結果，是可以縮小對圖像拍攝無用的多餘空間，光線集中的效率比較高，效率增加之後使感光性、信噪比和動態範圍都有所提高。
圖2 普通CCD（呈矩陣排列）、超級CCD（呈蜂窩狀排列） 普通電荷藕合CCD中的每個像素，是有由一個PN結的感光二極體、控制信號路徑和電量傳輸路徑組成。
超級電荷藕合CCD採用蜂窩狀的八邊二極體，原有的控制信號路徑被取消了，只需要一個方向的電量傳輸路徑即可。使得感光二極體有更多的空間。
特點：排列結構緊密，像素利用率較高，感光度、信噪比和動態範圍都有所提高。
