2008-09-23

革命性的傳感器開(kāi)辟超高影像品質(zhì)的全新紀(jì)元
“Super CCD EXR”

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一款完美的“三合一”的傳感器同時(shí)兼容超高分辨率、超高感光度和超寬動(dòng)態(tài)范圍
由影像專家制造，為影像專家制造

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　　PHOTOKINA 2008，德國(guó)科隆，2008年9月23日——富士膠片，在其備受贊譽(yù)的FinePix系列數(shù)碼相機(jī)上市十周年之際，發(fā)布了全新的具有革命性意義的圖像傳感器“Super CCD EXR”，一款對(duì)于追求超高影像品質(zhì)具有劃時(shí)代意義的CCD傳感器。

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　　在當(dāng)今的數(shù)碼相機(jī)市場(chǎng)，圖像傳感器像素的大小始終是評(píng)價(jià)一臺(tái)數(shù)碼相機(jī)的重要指標(biāo)之一，甚至經(jīng)常被作為決定該相機(jī)成像質(zhì)量的基本標(biāo)尺。在兩款優(yōu)異的擁有1200萬(wàn)像素的機(jī)型FinePix F50fd和FinePix F100fd之中，富士膠片的工程師們?cè)谠黾覥CD像素密度的同時(shí)非常高效的控制了圖像的噪點(diǎn)并且優(yōu)化了圖像的感光度，富士膠片在這方面取得了巨大的成功。富士的較終目標(biāo)是全面提高影像的成像質(zhì)量，在提高圖像傳感器分辨率的同時(shí)，通過(guò)“自然影像技術(shù)”以保證超高畫質(zhì)。

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　　“自然影像技術(shù)”是一套基于那些資深攝影師的拍攝理念、基于那些曾經(jīng)陶醉于使用如“Velvia”、“PROVIA”等富士專業(yè)反轉(zhuǎn)膠片的專業(yè)影像工作者的理念的數(shù)碼影像處理技術(shù)。完美的影像是諸多因素恰如其分的完美結(jié)合：色調(diào)、色度、飽和度、動(dòng)態(tài)范圍、銳度和分辨率等等。而眾所周知的是當(dāng)一塊圖像傳感器上像素的大量增加，必然會(huì)使得高感光度和寬動(dòng)態(tài)范圍的獲得更為艱難。當(dāng)圖像傳感器上的光敏二極管精細(xì)化程度越來(lái)越高，當(dāng)單位像素的面積越來(lái)越小的時(shí)候，噪點(diǎn)、雜色等問(wèn)題也隨之被越來(lái)越大的還原出來(lái)，從而極大程度的影響了較終的成像品質(zhì)。

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　　“高分辨率”和“高感光度”在當(dāng)今業(yè)內(nèi)被始終認(rèn)為是一對(duì)無(wú)法同時(shí)解決的矛盾，將這兩方面同時(shí)在一塊圖像傳感器上做到完美的優(yōu)化是一個(gè)急需解決的難題，特別是對(duì)于那些擁有面積非常小的圖像傳感器的緊湊型數(shù)碼相機(jī)來(lái)說(shuō)更是一道難以逾越的鴻溝。

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　　圖像的品質(zhì)取決于被攝目標(biāo)。優(yōu)秀的低光照片需要超高的感光度；高反差的照片需要超寬的動(dòng)態(tài)范圍；而詳盡的細(xì)節(jié)，比如樹葉、模特的發(fā)絲細(xì)節(jié)則需要超高的圖像分辨率。

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　　富士膠片的工程師們開(kāi)始著手于研制出一款具有超高“靈活性”的圖像傳感器以滿足攝影師們的要求。而其研究的較終目標(biāo)就是能夠生產(chǎn)出一款能夠類似于人的眼睛般工作的高性能圖像傳感器。場(chǎng)景里色彩、感光度上的極其細(xì)微的差別變化都將是我們的傳感器研發(fā)工程師所需要去面臨的挑戰(zhàn)。EXR傳感器本質(zhì)上是一款可以“切換”工作方式的圖像傳感器，切換它復(fù)雜的電子工作模式以適合當(dāng)前的拍攝目標(biāo)，切換它的感光特性以適合攝影師的要求，而不需要象以往一樣為了實(shí)現(xiàn)畫質(zhì)各方面因素的平衡而采取折中的會(huì)損傷整體畫質(zhì)的方法。

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　　“Super CCD EXR”是富士膠片較新推出的一代Super CCD。許多年以來(lái)，富士膠片所推出各代Super CCD備受贊譽(yù)，如擁有超高分辨率的“HR”CCD（F50fd,F100fd），如擁有超高感光度/動(dòng)態(tài)范圍的“SR”CCD（S3 Pro，S5Pro）。而未來(lái)的研究發(fā)展方向則是將HR和SR完美的結(jié)合起來(lái)，從而生產(chǎn)出一款能夠適合所有高品質(zhì)影像攝影的圖像傳感器。

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Super CCD EXR技術(shù)

Super CCD EXR相比先前的Super CCD有三大方面的改進(jìn)：

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1. 全新的色彩濾鏡排列方式
2. 全新的像素合并方式
3. 全新改進(jìn)的電荷累積控制方式

	原先的CCD	CCD EXR
圖1）Super CCD EXR結(jié)構(gòu)	圖2）原先的和EXR色彩濾鏡排列方式的對(duì)比

微透鏡
色彩濾鏡
光敏二極管

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1、EXR：“像素對(duì)”技術(shù)實(shí)現(xiàn)超高感光度和超低噪點(diǎn)

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　　以往通過(guò)加強(qiáng)單位像素的增益以獲得高感光度的方法會(huì)導(dǎo)致噪點(diǎn)的大量增加，而通常的降噪方法更會(huì)導(dǎo)致圖像模糊的產(chǎn)生（畫面銳度的損失）以及分辨率的下降。而目前實(shí)現(xiàn)高感光度的另一途徑則是，通過(guò)像素合并技術(shù)以獲得低噪點(diǎn)的圖像信號(hào)。但是，傳統(tǒng)的像素合并方法（沿著水平或垂直方向合并）會(huì)因?yàn)樘幚硐嗤伾南袼攸c(diǎn)之間的間距而導(dǎo)致錯(cuò)誤顏色的產(chǎn)生，而抑制這一現(xiàn)象的結(jié)果就是圖像銳度的大幅下降。

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　　EXR改變了色彩濾鏡的陣列方式。這樣兩個(gè)處理相同顏色的相臨像素點(diǎn)就會(huì)被完美的合并而做為一個(gè)像素工作。在這種設(shè)計(jì)之下，圖像信息（光信號(hào)）的捕捉就達(dá)到了雙倍效果，感光度也隨之達(dá)到了原先的兩倍，而“暗部噪點(diǎn)”則極其少量。因此，在實(shí)現(xiàn)超高感光度的同時(shí)伴隨超低的噪點(diǎn)成為完全可能，以此取代以往通過(guò)提高增益而導(dǎo)致噪點(diǎn)大量增加的方法。

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圖3）EXR的高感光度/超低噪點(diǎn)技術(shù)原理圖

　　另一個(gè)困擾傳統(tǒng)像素合并方法的問(wèn)題在于處理同一顏色的像素之間的距離。一旦水平方向或垂直方向的像素被合并之后，由于兩個(gè)像素之間的間隔較大，且其中還間隔著處理其他顏色的像素點(diǎn)，結(jié)果就會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤顏色的產(chǎn)生，從而使較終圖像上產(chǎn)生雜色。Super CCD EXR上所擁有的引以為自豪的相臨斜向像素對(duì)能夠非常有效的避免這一問(wèn)題，完美的實(shí)現(xiàn)相臨像素的合并，以獲得同時(shí)具有高感光度、超低噪點(diǎn)和銳利異常的照片。

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2．EXR:“雙重捕捉技術(shù)”實(shí)現(xiàn)超寬動(dòng)態(tài)范圍

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　　Super CCD EXR采用非常靈活和高精度的曝光控制同時(shí)對(duì)同一場(chǎng)景進(jìn)行兩次拍攝：一次以高感光度而另一次以低感光度進(jìn)行拍攝。然后將兩次拍攝的效果合并較終獲得完美的高寬容度效果。

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　　以前，富士膠片采用過(guò)兩種方法以提高照片的動(dòng)態(tài)范圍。

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　　第一種是Super CCD SR。通過(guò)采用基于銀鹽膠片原理的“雙像素結(jié)構(gòu)”，“S像素”擁有更大的采光面積以獲得高感光度，而“R像素”的采光面積較小以獲得更多的亮部細(xì)節(jié)。這種特殊結(jié)構(gòu)使得Super CCD SR能夠達(dá)到4倍于普通CCD的動(dòng)態(tài)范圍。

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　　第二種則是基于Super CCD HR，暗部的細(xì)節(jié)層次通過(guò)圖像處理引擎提高感光度而實(shí)現(xiàn)還原，而同時(shí)高光部分的曲線也被調(diào)整到較佳以還原出更多的層次。

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　　類似于Super CCD SR,全新的EXR傳感器采用的“雙重曝光控制”通過(guò)控制不同的曝光時(shí)間（電荷累積時(shí)間）以實(shí)現(xiàn)不同的感光度。在這種嶄新的結(jié)構(gòu)中， “A”和“B”兩組捕捉通道“先后”同時(shí)工作，較終“A”和“B”兩組通道所采集的圖像信息合并并生成較終圖像。這種電子控制使圖像捕捉實(shí)現(xiàn)了對(duì)高光和低光細(xì)節(jié)的全面捕捉。與SR所不同的是，單位像素點(diǎn)的尺寸大小是完全一致的，這就意味著EXR在寬動(dòng)態(tài)范圍方面的潛力超越了SUPER CCD SR。

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通道A
　　　　　　　　　高感光度數(shù)據(jù)
通道B
　　　　　　　　　低感光度數(shù)據(jù)

圖4）EXR的超寬動(dòng)態(tài)范圍技術(shù)原理圖

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3．EXR：“精細(xì)捕捉技術(shù)”實(shí)現(xiàn)超高分辨率

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　　Super CCD EXR所擁有的特殊結(jié)構(gòu)在全像素輸出的時(shí)候結(jié)合新一代的自然影像處理引擎實(shí)現(xiàn)了超高的圖像分辨率品質(zhì)。雖然EXR已經(jīng)被設(shè)計(jì)成特殊結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)具有超寬動(dòng)態(tài)范圍“雙重捕捉”技術(shù)和超低噪點(diǎn)的“像素合并”技術(shù)，但由于采用了極其先進(jìn)的色彩濾鏡和光電二極管設(shè)計(jì)方式，使之絲毫不影響達(dá)到以往1200萬(wàn)像素Super CCD所能實(shí)現(xiàn)的超高分辨率水準(zhǔn)。當(dāng)環(huán)境光線非常好甚至需要拍攝畫面的詳盡細(xì)節(jié)的時(shí)候，EXR在完美拍攝出風(fēng)光和建筑物的同時(shí)，也能將人像攝影中衣物、發(fā)絲和首飾的每一處細(xì)節(jié)淋漓再現(xiàn)。

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　　EXR：未來(lái)

富士膠片決心盡較大努力將數(shù)十年以來(lái)在專業(yè)膠片上的深厚積淀應(yīng)用于其圖像傳感器之上。數(shù)碼相機(jī)的發(fā)展至今才十年有余，富士膠片有信心能夠象在傳統(tǒng)影像上所做到的一樣為“完美成像質(zhì)量”而不懈努力。

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　　隨著EXR的誕生，富士膠片選擇了一個(gè)明確的研究方向以代替以往分別實(shí)現(xiàn)高感光度和高分辨率的途徑。富士膠片將會(huì)陸續(xù)的將這款圖像傳感器應(yīng)用于其高品質(zhì)的數(shù)碼相機(jī)之中，并熱切的期望那些攝影愛(ài)好者能夠在不久的將來(lái)看到他們從來(lái)不曾見(jiàn)過(guò)的完美成像品質(zhì)。