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富士第四代超级CCD的奥秘
作者: 来源: 时间:2003-5-9
    富士公司发布了第四代超级CCD,据称性能进步可以掀起CCD技术的一项革命。

迪派影像   日前,富士公司发布了第四代超级CCD,据称性能进步可以掀起CCD技术的一项革命。为此,本刊记者对富士胶片中国投资有限公司进行了独家专访,该公司市场部部长王正先生携技术主管陆铮刚先生,回答了记者提出的问题。

记:自第一代超级CCD问世以来,业界对超级CCD众说纷纭,那么超级CCD超级在哪里?有什么技术优势呢?
富:与传统CCD相比,在CCD面积与感光单元数目均相同时,第一代的超级CCD分辨率提高60%,动态范围提高130%,感光度提高130%,色彩再现能力提高40%,而能量消耗却下降了40%,所以称为超级CCD。

记:在物理的感光单元密度没有增加的情况下,超级CCD是如何提高分辨率的呢?

富:由于超级CCD采用了独特的感光单元排列方式和独特的数据计算方式,与同面积、同数量感光单元的传统CCD相比,超级CCD可以输出像素数多一倍的数码图像,实测数据也的确表明,300万像素的超级CCD的真实分辨率不亚于400万像素的传统CCD。

记:那么就是进行了插值运算了?
富:可以这么说。但是超级CCD的插值,和传统CCD以及图像处理软件的插值完全不同。效果要好得多,能够真正提高分辨率。

记:都是插值,为什么有所不同呢?
富:这要从人的视觉原理说起。科学家对人类视觉形成的生理过程的研究结果表明,人在观察一幅图像时,对图像水平与垂直方向的信号变化非常敏感,而对斜向的变化则比较迟钝,超级CCD正是巧妙地利用了这一原理。

  超级CCD的感光单元采取蜂窝状排布,使得像素与像素之间在水平与垂直两个方向的间距缩短,可以提供更多的有用视觉信号。传统CCD像素与像素之间在斜线方向的间距更很短,而在真正对提高分辨率起作用的水平与垂直方向间距却很大,无法提供足够密度的信号。

  另一方面。由于超级CCD采用了独特的结构设计,缩小了电荷传输路径所占的面积,感光单元面积更大,可以撷取更多的光信号。

  超级CCD在进行插值时,由于插值获得的中间像素由紧邻的优质真实像素计算而出,而且插在水平与垂直轴线上,所以可以有效提高分辨率。

  传统CCD如果进行插值,只能根据距离较远的四周像素估测计算,而且插值产生的中间像素位于斜线方向,而人类视觉对此并不敏感,所以,无补于分辨率的提高。

记:谢谢您的解释,那么动态范围的提高是否是感光单元面积的增大所带来的好处呢?
富:正是这样,更大的感光单元捕捉到更多的光子,不但动态范围可以大大提高,也提高了色彩还原能力。电荷传输路径的优化还带来另外的一些好处,例如能耗减少,速度提高,所以使用超级CCD的数码相机可以实现比较高的感光度,电池也比较耐用。

记:哦,许多采用超级CCD的富士数码相机都有很好的连拍和录像能力是否得益于此呢?
富:正是这样!

记:超级CCD历经了三代的发展,每一代都有什么进步呢?
富:第二代超级CCD在第一代的基础上进一步提高了分辨率;第三代超级CCD又在第二代的基础上大大提高了感光度,生产出感光度可高达ISO1600的新一代数码相机。

记:使用每一代超级CCD的代表机型各是什么?
富:最早使用超级CCD的是FinePix 4700和FinePix S1 Pro,它们使用的是第一代超级CCD;第二代超级CCD用在诸如FinePix 6800、FinePix 6900等机型上,其中FinePix6900取得了极大的市场成功;而FinePix F401、FinePix S2 Pro等,使用的是第三代超级CCD。

记:既然每一代超级CCD都有所进步,那为什么说日前发布的第四代超级CCD是超级CCD的一次革命呢?
富:以往的两次升级,基本都是集成度和信号处理等方面的升级,在超级CCD的物理结构上没有根本的变化,所以性能提升也有限,只能说是改进,而第四代超级CCD,尤其是Super CCD SR,结构和性能都发生了根本性的变化。

记:具体的变化是什么呢?
富:第四代超级CCD包括两种型号,即超级CCD HR和超级CCD SR。其中 HR是 Hige-Resolution的缩写,指超高分辨率;SR指宽动态范围。
超级CCD HR 在1/1.7” 的芯片上,集成了600万个感光单元,可以输出1200万像素超高分辨率的图像。超级CCD SR则采取了更为独特的结构设计,将成像的动态范围提高了4倍。

记:超级CCD HR通过提高集成度进而提高了分辨率,比较容易理解。我们知道,CCD感光器件的物理特性决定了其动态范围比较窄,那么超级CCD SR是如何拓宽其动态范围的呢?
富:传统化学胶片的感光乳剂中有大小不同的感光颗粒,其感光灵敏度不同,对低光和高光都能很好地回应,因此动态范围比较大。传统CCD的感光单元性能单一,导致动态范围受限。

  超级CCD SR的每个像素点使用了一大一小两个不同性能的感光单元。分别称为主单元和副单元。主单元感光度高,提供主要的成像信号,但高光信号会溢出。副感光单元感光度低,能记录高光信号的变化,作为补充信号提供给数据处理过程,扩大动态范围。

记:可以详细说明一下技术原理吗?
富:CCD的感光单元在受到光线照射时会蓄积电荷,但当电荷蓄积到一定量以后就达到饱和,感光曲线是这样的:

  可以看出,达到饱和以后,光量增加,电荷量不再增多,表现在最终图像上,高光区域一片白色,没有层次。

  如果降低感光单元的灵敏度,可以改善高光感光性能,但是低光区域又会因信号太弱而丢失层次,甚至成像信号低于干扰信号而形成噪点。所以使用单一感光单元的CCD对高光低光的感应不能两全,导致动态范围狭窄。

  采用双感光单元的超级CCD SR就截然不同了。

  S像素的高灵敏度与R像素的高饱和度相结合,优势互补。成像时既能从低光区域获得足够的图像信号,又可以使高光区域不致溢出,从而使总的动态范围得以拓宽。

未采用超级CCD SR的效果 采用超级CCD SR的效果

记:那么未采用双感光单元的超级CCD HR就不具备动态范围方面的优势了?
富:是这样,它的动态范围和前一代的超级CCD是一样的。

记:如此说来超级CCD SR是牺牲了本来可以更高的分辨率来获取宽动态范围的了?
富:也不能说是牺牲,只是侧重点不同。如果希望获得更高分辨率的图像,就采用超级CCD
HR;如果经常拍摄光比比较大的拍摄对象,希望数码相机的动态范围更大,就采用超级CCD SR。

记:能否采用同一块CCD进行性能上的转换呢?
富:恐怕不太容易,因为超级CCD SR的两种感光单元性能截然不同。


记:从您的介绍来看,第四代超级CCD在动态范围、分辨率和感光度三个方面都取得了很大的进步,似乎已经将CCD的性能发挥到了极致,富士在下一步还会有怎样的技术发展呢?
富:尽管第四代超级CCD的性能已经非常好,但不得不承认,在一些成像指标上与专业的化学胶片相比可能仍存在一些差距,也就是说,技术发展的空间还是有的。

记:包括贵公司的超级CCD在内,使用马赛克型滤色镜的CCD在一般图像的表现上的确已经达到了一定的技术高度,已经十分接近传统胶片,但是在图像锐度、色纯度、画面干净程度的整洁尤其是在表现复杂的线条方面仍然有很难跨越的障碍。业内许多评论都认为Foven 公司的X3芯片技术是数码成像技术的一次彻底的革命,代表了成像芯片技术的未来,您怎么看?
富:X3芯片技术的确值得关注,但目前还有一定的局限,市场表现也有待进一步观察。

记:那么CMOS技术呢?富士公司怎么看待?
富:CMOS有其固有的一些技术优势,例如工艺简单、节电、造价低廉等等,但目前多是低端产品,高端的CMOS产品还不是十分成熟。

记:这是否可以理解为富士公司会坚持在超级CCD上做文章?
富:可以这么认为,至少我们认为在近期和可以预见的将来,CCD技术仍会是数码成像技术的主流。

记:由市场表现和举措可以看出,富士公司在发展数码成像技术方面可谓不遗余力,但我们知道,富士公司是传统影像市场的世界两大巨头之一,发展数码成像会不会对传统产业造成冲击,最后蚕食了自己原有的市场份额?富士公司有没有这样的顾虑?
富:没有,数码技术是大势所趋,不是一两个公司所能左右的,富士必须跟上这个潮流,而且要争取站立潮头。一说到富士公司人们就会联想到富士胶卷。的确,胶卷是富士公司的重要产业,但事实上,富士公司已经发展为多元经营的大型跨国企业集团,以胶卷为代表的传统影像业务在富士公司的总的经营收入中所占的比例并不是最大。

记:谢谢你们在百忙之中抽出时间接受我们的采访,最后请问,第四代超级会使用在贵公司的高端还是低端数码相机产品中?会是怎样的产品,什么时候能面世?
富:富士公司在高端和低端产品中都会采用新一代的超级CCD,设计中的两种机型包括:
配备超级 CCD HR的相机 配备超级 CCD SR的相机,产品可能会在今年的五、六月份发布。

  配备超级 CCD HR的相机 配备超级 CCD SR的相机
有效像素 635 万 620万(310万S像素和310万R像素)
输出像素 最大4048 x 3040 (1230万) 最大2832 x 2128 (603 万)
感光度 ISO 200 - 1600
(ISO 1600时只能使用1280 x 960 像素模式)
A/D 转换 12 - 14 bits 14 bits
动态范围 相当于目前的富士数码相机 相当于目前富士数码相机的4倍
录像模式 VGA ,每秒30帧

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记者:忧天



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