附: 彩色胶片与数字成像效率的分析 [转贴 节选]
原文作者:谷忠昭(Tadaaki Tani),现任国际影像科学委员会主席,长期从事卤化银成像体系的基础研究。
Ashigara Research Laboratries,Fuji Photo Film Co.,Ltd。
Minami- Ashigara,Kanagawa,250-0193,Japan
此文发表于《感光科学与光化学》2001年2月,第19卷,第1期,p.48~p.71
四、彩色胶片与CCD的比较
在上述对影像形成效率的分析的基础上,我们可以对彩色胶片和数字成像相机进行对比,这样可能对业余用户有一定的意义。
图21:对彩色胶片和数码相机影像形成有贡献的过程示意。
1、影像形成效率
如前面的章节及图21所述,彩色胶片的影响形成效率由三部分组成:
a:乳剂颗粒对入射光的吸收;
b:从光子到光生电子的转换;
c:被捕获的影像以潜影的形式被记录下来。
在上述三个步骤中,a、c步骤的效率显然较低。对于彩色负片来说,其影响形成效率还有5~10倍的发展空间。如第二节及图21所示,CCD的影响形成效率也由三部分组成:
a:入射光被像素吸收;
b:光光生电子的产生;
c:光生电子被势阱俘获,形成代表影像的电信号。
最后这种电信号被记录装置储存起来。众所周知的是,上述的三个步骤的效率都已经比较高。出了装在像素点上的微透镜和彩色滤片之外,CCD在影响形成效率方面的改进空间已经很小了。
以上事实已经被detective QE方面的测量和分析实验所证实。
2、像素数
虽然CCD在影像形成效率方面优于彩色胶片,但对于业余用户来说,彩色胶片在总像素数、动态范围、感光度、和效费比等许多方面要优于CCD对这一情况的说明将在下面以总像素数为例加以说明。
图22:高感光度彩色负片中使用的感光乳剂和CCD特性曲线的对比图,二者的
象素大小分别为100mm2和50mm2。感光乳剂的特性曲线表示的是乳剂中可以被显影的颗粒的百分比与每个象素吸收的光子数目的关系,而CCD的特性曲线则表示每个象素产生的光生电子的个数与之吸收的光子的个数的关系。
图22所示的是高感光度彩色胶片和CCD的特性曲线的比较。在彩色胶片中,可显影颗粒的比率与每像素吸收的光子数目成正比,而在CCD中,光生电子的数目与每像素吸收的光子数目成正比。图中彩色负片的像素大小被定为100 μm2,这是基于ISO400的135负片每幅2400万像素的的假定之上的。CCD的像素大小被定为50 μm2。如图所示,两者特性曲线的形状截然不同。这反映了它们不同的响应机制。也就是说,CCD的像素是一种模拟式的累积型传感器(analog and accumulative sensor),它的特性曲线是线性的。而乳剂颗粒是一种数字式的阈传感器(digital and threshold sensor)。
基于以上因素,对它们进行完全精准的比较是不可能的,但也可以近似的认为一个单层乳剂层可以与CCD相比。
图23:各种彩色胶片和CCD画幅大小的对比
CCD是一种二维的影像传感器,而如图1所讲,彩色胶片是一种由多层乳剂堆叠而成的三维感光材料。它的三个主要感光层分别对三原色敏感,可以在较大的动态范围内捕捉彩色影像的全部信息。这样,我们就有理由认为,彩色胶片与单层乳剂(对应CCD)的胶片相比,在面积相同时有效像素数是后者的三倍,而实际的信息容量还将大于三倍。图23 所示的是不同的小画幅胶片的画面尺寸和一些 CCD的画面尺寸的示意图。值得注意的是,135胶片的画面面积是1/2英寸的CCD的画面面积的28倍。考虑到前面讲的彩色胶片的每一层都可以与CCD相比的的因素,我们可以认为135胶片的像素数比1/2英寸的CCD要多两个数量级。
增加每幅像素数的方法一是在合理控制成本的前提下增加画面尺寸,另一种是减小像素尺寸,同时保持感光度和动态范围不变。
对于CCD来说,在控制成本的前提下增大画幅尺寸是比较困难的,而对于彩色胶片来说就不然。虽然生产彩色胶片要用到100多种原料,但是它们和制造CCD的原料――硅片比起来要便宜的多。彩色胶片由多层乳剂相互覆盖制成,涂覆用的机器可以用很长时间,同时可以用来生产多种胶片,因为生产胶片的技术是共通的。
CCD由昂贵的硅片制成。为控制CCD的成本,必须提高由硅片到CCD的生产率。生产CCD需要100多道微加工工序,往往需要几个月,与胶片相比,CCD并不适合于业余消费者使用。
图24:彩色胶片和CCD的成品率与画幅面积的关系。
如图24所示,CCD的成品率随着幅面的增大而急剧下降。由于CCD的每个像素之间都有电气连接,一个缺陷就能毁掉整个CCD的功能。而彩色胶片的像素是几百万个相互独立的卤化银颗粒加和而成,少量的污损和颗粒的缺陷很难影响到整个胶片的功能。这是两者之间的一个重要差别。
图25所示的是彩色胶片和CCD的像素大小的变化趋势。与MOS记忆体的变化相比,CCD像素的下降比较慢。这是由于要减小CCD像素的面积而又不降低灵敏度和动态范围只能以提高CCD的影像形成效率为前提。实际上CCD的像素大小是受这两方面的制约的。值得注意的是,虽然CCD的像素比胶片的小,但是二者的下降趋势大致相同。彩色胶片像素大小的下降可以通过前述的一些提高影像形成效率的手段来达到,而对于CCD来说,提高影像生成效率主要靠在每个像素单元前面加微透镜和像素单元与彩色滤镜的配合来努力。
图25:彩色负片、彩色反转片、CCD传感器象素面积的变化以及MOS记忆体的工作单元的变化规律。
3、像素尺寸的极限
如前所述,彩色胶片的影像形成效率的发展空间仍然很大,可是CCD的影像形成效率的发展空间却很小。现在CCD的像素大小已经达到了3.3μm。据文献记载,最近CCD像素面积的减小是通过扩展CCD的动态范围才避免感光度的下降的。从这个意义上说,影像形成效率方面的限制造成了CCD的像素大小有一个下限。
最近,在讨论CCD像素的极限问题方面还有一些其他的说法。他们认为,目前CCD的像素大小已经接近了理论极限。其主要观点为,在CCD的像素小于4μm时用现今的摄影镜头已经不能很好的解析。同时也不能保证提供足够的光生电子以达到足够的动态范围。从这个角度讲,今天的CCD已经达到了这一限制。
4、其他特点
这一节主要简明地比较一下CCD与彩色胶片的其他特点之间的差异。首先是电力消耗。胶片吸收的光子提供记录影像的能量,而数码相机必须用另外的电力来捕捉并记录影像,因此,数码相机的耗电量必然很大。
图26:(a)含有彩色耦合剂的彩色负片的显影过程中的化学影像操作,(b)数码影像操作应用于不用耦合剂形成彩色负像的过程。黑点和×分别代表象素中染料的主要吸收峰(生成我们所要的颜色)和不受欢迎的副峰(可能对应着负片的色罩)。注意,在化学影像处理过程中影像是平行处理的,而在数码影像处理过程中,影像是顺序处理的(in series)。
值得注意的是,两者影像处理过程的方法和思想是不同的。彩色胶片的影像再现过程需要很多操作步骤和化学药剂,如显影,定影以及为了增加彩色影像的色彩饱和度而添加的Color couplers;为了改善颗粒度,增加锐度及色彩饱和度而添加的development-inhibitor-releasing couplers;为了实现色彩的精确再现而使用的四感光层技术等。这些过程是在显影过程中,作为化学反应平行地在画面的各处进行的。操作时间与像素数无关。如图26所示。
而另一方面,数码相机的操作时间及费用随像素数的增加明显增加。一般的认为,如果价格合理并可以接受的话,数码影像对于处理业余作者的作品是合适的,然而当每幅像素数增加时,数码体系的可用性对于业余用户来说就降低了。而且在PC机上处理动辄上M的图像也是比较麻烦的。以上讨论的几个体系在图27中有所阐述。
图27:对不同影像系统的数字化的分析示意。每个系统的数码化附加值被以它们的每幅象素数
(这与它们在进行数码化的过程中所花的时间和金钱紧密相关)的函数的形式标在图中。当一个系统的数码化附加值超过其数码化过程所耗的金钱及时间的时候,对之进行数码化就是有价值的,尤其是当原始影像被重印多次或是可以产生很大价值得时候。在有用和无用之间的界限随着数码网络技术的进步而变化。
虽然以上阐述的用于彩色胶片的技术非常有效,但在处理胶片(影像再现)的过程中,影像形成效率不可能不遭到破坏性的影响。最近有一种有趣的想法,即用数码技术来代替彩色胶片的后处理的某些过程。如果这一想法得以实现,后处理过程对影像形成效率的副作用就可以避免,胶片影像系统的灵敏度和影像质量还会进一步提高。
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http://www.xitek.com/papers/translate/pipedream/pipedream1.htm