[原创]数码相机可用像素 [复制链接]

数码相机的可用像素                      华光慎行   }jdmeD:  
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数码相机在使用中, 可用像素并不一定等于它所标定的像素。一是取决于数码相机接受面CCD或CMOS尺寸和拍摄时光圈大小。这是因为它会受到光学镜头衍射的限制!二是取决于数码相机所用镜头的分辨率。 I }8b]  
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一、平常说光是直线传播。其实它是波动传播,由于可见光波长极短:0.00039-0.00077mm 。人眼无法辩别,因此感到光是直线传播。一个物点小到一定程度,通过光学镜头成象会产生衍射，成为一个衍射光斑。衍射光斑尺寸取决于镜头直径（望远物镜）、相对孔径（照相机物镜）、数值孔径（显微物镜）的大小,为此产生光学镜头分辨率的极限。比如使用光学显微镜的专业人士都知道: 显微镜的最高放大倍数为1500倍, 大于它则是无效的。对于照相镜头, 在大学的”物理光学”、”应用光学”等教科书中都有清楚的讲述:在象面(也就是CCD或底片面)的分辨率为: dY=fx1.22xλ/D 。其中: f 是照相机镜头的焦距。λ是光波波长,通常取λ=0.00055mm 。D 是照相机镜头的使用口径   D = f/A 。  A是光圈数。 D>Rlm,U  
由此可得分辨率dY=0.00067A ,dY 就是此时数码相机能分辨的最小像素。像素再小就是无效的。CCD、CMOS的尺寸为L x M; 可用的像素即为K=L/dY x M/dY。 >xsY"N&1i'  
二、镜头的分辨率：相机镜头中定焦镜头质量比变焦镜头质量好。经查阅名牌厂家15种F50mm镜头分辨率最高的是莱卡镜头在最佳光圈处（5.6）的分辨率为133/mm。其它镜头都低于130/mm。因此可以认为133/mm是相机的极限分辨率！按此计算单反机全幅（36×24）的可用像素是：36×133×24×133≈1528万像素。单反机APS-C（7D）的可用象素是：22.3×133×14.9×133≈588万像素。 e+>$4Jq  
下面列举3种1000万像素,CCD、CMOS尺寸不同的数码相机光圈所对应的实用像素情况。（红数字按K=L/dY x M/dY而得；黑数字按镜头的分辨率计算而得） D*sL&Rt][Y  
                  数码相机最高可用像素表 x{Dw?6TP  
          光圈3.5    4    4.5    5.6   8    10  13.8  16                       eYUq0~3  
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1/2.3"CCD                                                                     dNov= w  
A0v@L6m-O  
6.41x4.27    498   381   301    194   95   61   (单位:万)                     j7NOYm5N  
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单反机APS-C                                                                   4-$kcwA  
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22.3x14.9    588   588   588   588   588   588  388  289                       a( N;|<  
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单反机(全幅)                                                                   ~d ~oC$=TC  
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36x24        1528  1528  1528  1528  1528  1528 1010 752                       roe_H>  
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三、几点说明：                                                                 jX*gw6!  
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1. CCD或CMOS是一种光电藕合器件，用于将接受的光能量转化为数码信号，它对光能量的强弱有识别能力，但识别不了颜色。故要在每个像素上加不同的三基色（红、绿、兰）滤光膜。通常都是将红、绿、兰滤光膜排列成棋盘形：绿、红、绿、兰滤光膜组成一个正方形,两个绿处在对角位置组成一个成像单元。一个小白点覆盖一个成像单元时是个小白点，如果白点太小只落在其中一个像素色彩就会失真，因此光电藕合器件上要加低通片，通常是用两片晶轴相交90度的石英片组成，使一个点像成为4个点落在一个成像单元上达到消除僞彩色的目的！由于4个像素组成一个成像单元，低通片又使一个点像成为4个点；因此不影响到上述分辨率问题的分析。 %kgT=<E'  
2. 经数码相机拍摄后目前观察图片的方法及有关问题： |tTcJ\bG  
a.通过电脑、电视观察:目前高清电脑和电视最高像素是1920X1080≈207万像素。 -@B6$XWL  
b.用数码彩扩机打印输出相片。富士FRONTIER 570数码彩扩机135底片的扫描精度为64线对/mm。对单反机(全幅)其扫描的像素为36x64x24x64≈354万像素。至今没有查到扫描精度更高的数码彩扩机。佳能canoscan 8800和EPSON Perfection 4490 两款专业底片扫描仪的扫描精度只有32线对/mm。 :&2%x  
c.人眼受到锥状视神经细胞大小的限制,人眼分辨率国际惯例按2'-4'计算。按2'计算在250mm明视距离的分辨率为250X tg2’ =0.145mm。作为一般观看,照片使用12 x 8吋:300 x 200mm(大于A4 纸幅面)已足够大, 此时清晰照片的像素是300/0.145x200/0.145≈285万像素。作为展览用的照片虽然大，但观看的距离必然远。如2.5米X 1.8米照片在2.5米处观看，此时清晰照片的像素是：213万素。 0 wDhX  
d.目前网站上交流的照片极大多数都限制在800K（相当于350万像素）以下。超过1000万像素的照片在传输中耗时和占用的存储单元太大也无实际价值。 iQ
LP~Z>,T  
e. 数码相机可用像素比电脑、电视观察和彩扩机打印输出像素要多几倍，它有利于数码照片裁剪后仍保留可供观察的高清像素是可以理解的，但多得过分是毫无意义的。 ;4Xx5*E  
3. 长期以来由于人们对数码相机存在误解，认为像素越多越好（与厂家片面宣传有关换代产品也是以像素增多为卖点）。像素多少应符合科学才对。我们知道：感光器面积越大，在相同条件下，捕获的光子越多，感光性能越好，就能记录更多的图像细节并且各像素间的干扰也小，信噪比就越低，成像质量就越好，也更有利于提高感光度。厂家主攻目标由像素增多转向提高感光器件的质量和提高感光度。致使ISO 1600达到目前ISO 200的质量水平是有可能的，其意义就更加重大。 \]\h,Y8  
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  4. 此文讨论的仅仅是科技问题，不妥之处敬请指正！ l\d[S]  
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  5. 原创文章请勿转载！ T| R!Aw
.  

写的很好，可以看出作者的光学功底，并做过认真的研究，欢迎发此类技术原创帖及讨论。顶一下。

不错！！！！！！！！！

引用第1楼天道笃行于2010-01-25 17:27发表的 : Ie8K[ >  
写的很好，可以看出作者的光学功底，并做过认真的研究，欢迎发此类技术原创帖及讨论。顶一下。 x"Ij+~i{l  

1d&Q E\2}  
感谢关注和支持。我想表达的是让大家都能了解数码相机像素的真实含义，不被厂家愚弄。因为目前厂家都是以像素为卖点引摄影爱好者盲目升级“换代”。最典型的是CANON  7D它属单反机APS-C型最高可用像素为600万。而它标称1800万；引得摄影爱好者高价购买。 ye| 2gH  
Y&i&H=U  

基本同意楼主的观点，单纯谈像素是没有意义的，很多时候只是商业噱头 t Q>/1  
但是也不是说像素是没有意义的 ~AF' 6"A  
因为“有效像素”的计算是基于0级衍射斑只包括一个像素的，但是到后期图像处理的时候（传感器出来的是RAW data，都是要经过图像化处理的，即使不算ps），任何算法都需要一定的信息量来完成工作，具体来说至少需要2-3个像素来完成对一个点的润色工作。总之这些像素还是有意义的，虽然不是纯光学的需要。 v6T<K)S  
另外7D的ISO表现还是不错的，表示它在感光度方面还是有很大进步，不能全算忽悠 u:^9ZQ+  
@DAaCF
8  
纯属无聊叫叫呵呵 4%u\dTg/B  

学习了~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

引用第4楼asm于2010-01-26 23:22发表的 : TwL
Q;Q  
基本同意楼主的观点，单纯谈像素是没有意义的，很多时候只是商业噱头 { K*  
但是也不是说像素是没有意义的 +o^sm'$  
因为“有效像素”的计算是基于0级衍射斑只包括一个像素的，但是到后期图像处理的时候（传感器出来的是RAW data，都是要经过图像化处理的，即使不算ps），任何算法都需要一定的信息量来完成工作，具体来说至少需要2-3个像素来完成对一个点的润色工作。总之这些像素还是有意义的，虽然不是纯光学的需要。 YB3?Ftgw  
另外7D的ISO表现还是不错的，表示它在感光度方面还是有很大进步，不能全算忽悠
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非常感谢您的关心和支持。您说的很有道理，不过请注意文中此点： ;iTZzmB  
1. CCD或CMOS是一种光电藕合器件，用于将接受的光能量转化为数码信号，它对光能量的强弱有识别能力，但识别不了颜色。故要在每个像素上加不同的三基色（红、绿、兰）滤光膜。通常都是将红、绿、兰滤光膜排列成棋盘形：绿、红、绿、兰滤光膜组成一个正方形,两个绿处在对角位置组成一个成像单元。一个小白点覆盖一个成像单元时是个小白点，如果白点太小只落在其中一个像素色彩就会失真，因此光电藕合器件上要加低通片，通常是用两片晶轴相交90度的石英片组成，使一个点像成为4个点落在一个成像单元上达到消除僞彩色的目的！由于4个像素组成一个成像单元，低通片又使一个点像成为4个点；因此不影响到上述分辨率问题的分析。 8$C?j\J|*  
另外您说：：“7D的ISO表现还是不错的，表示它在感光度方面还是有很大进步，不能全算忽悠 ”。“感光度方面还是有很大进步”更是我所期盼的。个人认为新的感光器材进步的不是像素提高而是感光器材质量和软件处理技术的提高。而厂家以像素为卖点我不同意。 "=vH,_"Ql  
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文章最后一段我想您会有同感的： |tqYRWn0  
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感光器面积越大，在相同条件下，捕获的光子越多，感光性能越好，就能记录更多的图像细节并且各像素间的干扰也小，信噪比就越低，成像质量就越好，也更有利于提高感光度。厂家主攻目标由像素增多转向提高感光器件的质量和提高感光度。致使ISO 1600达到目前ISO 200的质量水平是有可能的，其意义就更加重大。 Q]<6i  
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原文：因此可以认为133/mm是相机的极限分辨率。 133/mm是什么？133lp/mm吗？此处调制度降到0吗

引用第7楼jackbob08于2010-01-27 16:01发表的 : $1bx\  
原文：因此可以认为133/mm是相机的极限分辨率。 133/mm是什么？133lp/mm吗？此处调制度降到0吗 f$p7L.d<  

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谢谢关注！ }Asp=<kCc  
这里所说的分辨率是用鉴别率分划板实测的分辨率数与MTF值不能对应。由于日本厂家对照相机镜头只提供30lp/mm和10lp/mm时的MTF数值（它们的国标）。所以查不到照相机镜头MTF=0时所对应的数值。有一点可以肯定，调制度为0的分辨率毫无意义，通常认为MTF=0.05时所对应的分辨率才有起码的使用价值（仅供参考）。 /{HK0fd  
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引用第6楼华光慎行于2010-01-27 14:56发表的  :
非常感谢您的关心和支持。您说的很有道理，不过请注意文中此点： 'OIOl  
1. CCD或CMOS是一种光电藕合器件，用于将接受的光能量转化为数码信号，它对光能量的强弱有识别能力，但识别不了颜色。故要在每个像素上加不同的三基色（红、绿、兰）滤光膜。通常都是将红、绿、兰滤光膜排列成棋盘形：绿、红、绿、兰滤光膜组成一个正方形,两个绿处在对角位置组成一个成像单元。一个小白点覆盖一个成像单元时是个小白点，如果白点太小只落在其中一个像素色彩就会失真，因此光电藕合器件上要加低通片，通常是用两片晶轴相交90度的石英片组成，使一个点像成为4个点落在一个成像单元上达到消除僞彩色的目的！由于4个像素组成一个成像单元，低通片又使一个点像成为4个点；因此不影响到上述分辨率问题的分析。 v=kQ/h  
另外您说：：“7D的ISO表现还是不错的，表示它在感光度方面还是有很大进步，不能全算忽悠 ”。“感光度方面还是有很大进步”更是我所期盼的。个人认为新的感光器材进步的不是像素提高而是感光器材质量和软件处理技术的提高。而厂家以像素为卖点我不同意。  |,*N>e  
xV&c)l>}  
....... {9kH<,PJ;!  

Zj@k3y  
关于第一个问题，我的观点是那四个点是同一个信息的像，不能作为分辨的用途。我的意思是说实际CCD或者CMOS的信号都是原始的数据，真正的相机要形成可看的图像都要进行一定的转化和润色。现代的图像处理技术很多，但是几乎没有例外的需要一定的像素作为算法的基础，因为存在一个采样误差的问题，所以一般要求你的采样频率（实际的相机像素数）不能和你的信息频率（有效物理信息，比如文中所谓的最佳分辨率133lp）太接近。比如高ISO噪声不可避免的情况下，肯定要做一些降噪，像素点多的话算法容度就高，相反一个有效信息里面只有一个像素（或者说分成四个相同信息像素）的话误差就很大，采样的噪声甚至可能高过之前的ISO噪声，就没有意义了。
|JZ3aS   
还有个大像素数的比较实际的好处是对一些专业人员来说，大像素的可以直接出大画幅的印刷图，因为很多印刷打印设备的DPI是定的，你要出多大图就要多大像素数。是否有效信息不重要，你相机做不了他还要自己做插值，当然相机直接做了就好，反正对那种大型印刷品，人眼没有那么挑剔。 6w3z&5DY|  
高感光+高信噪比当然是好的，其实到底就是噪声控制的问题，现在主要还是要靠CMOS的电路设计问题，毕竟对于普通消费级的感光元件，热噪声是很难避开的问题。