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數位攝影概論

數位攝影概論. 許舜斌. Outline 1/2. 成像原理 結構 感光元件 鏡頭 曝光 快門 光圈. Outline 2/2. ISO 白平衡 攝影 教學短片 數位格式 影像端子 結論. 成像原理 1/2. 成像原理 2/2. 回 Outline. 數位相機結構. 觀景系統 1/2. 觀景系統 2/2. 數位攝影機結構. 回 Outline. 感光元件 1/29. 感光元件 2/29. CCD (Charge Coupled Device) ， 感光耦合元件. 感光元件 3/29.

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數位攝影概論

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Presentation Transcript

  1. 數位攝影概論 許舜斌

  2. Outline 1/2 • 成像原理 • 結構 • 感光元件 • 鏡頭 • 曝光 • 快門 • 光圈

  3. Outline 2/2 • ISO • 白平衡 • 攝影 • 教學短片 • 數位格式 • 影像端子 • 結論

  4. 成像原理 1/2

  5. 成像原理 2/2 回Outline

  6. 數位相機結構

  7. 觀景系統 1/2

  8. 觀景系統 2/2

  9. 數位攝影機結構 回Outline

  10. 感光元件 1/29

  11. 感光元件 2/29 • CCD (Charge Coupled Device)， 感光耦合元件

  12. 感光元件 3/29 當CCD感光時，每個感光像素上依光量多寡累積相對應的電荷，並在感光結束後將各個電荷採序列的方式送到訊號放大器，以提供數位訊號處理器運算成數位影像。另外，由於CCD採用單一通道，故感光效率較慢且傳送電荷訊號時須外加電壓造成耗電量較大；但也因為單一通道，可有效減少電荷傳送過程與訊號放大時所產生的雜訊。

  13. 感光元件 4/29 • CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)， 互補性氧化金屬半導體

  14. 感光元件 5/29 CMOS傳送像素的通道不需外加電壓來傳送電荷，能立刻讀取電荷訊號，較CCD省電，感光效率也較快。另外，CMOS在每個感光像素旁都設計一組訊號放大電路，因此當像素越多時，越容易因電路間的訊號干擾而出現雜訊。

  15. 感光元件 6/29

  16. 感光元件 7/29 大部分的消費型數位相機，由於成本考量，都僅使用單片感光陣列。由於CCD及CMOS僅能感應光的強弱，無法分辨顏色，因此在每個像素上還會加上 “RGB”濾色片，只讓單一原色的光線通過進而使感光像素進行感光。因為人眼對綠色較為敏感，為了模擬人眼的視覺，濾色片會以1個紅、1個藍及2個綠為一組的陣列方式排列。

  17. 感光元件 8/29 • Bayer濾色片

  18. 感光元件 9/29 • 除了使用單片CCD或CMOS搭配濾色片來感應三原色外，現在也有Foveon X3與3CCD等技術，以多片感光陣列分別感應三原色，以還原真實色彩。

  19. 感光元件 10/29 • Foveon X3

  20. 感光元件 11/29 • Foveon X3

  21. 感光元件 12/29 • 3CCD 　利用稜鏡將光線分成三原色光，再以多片感光陣列分別記錄。

  22. 感光元件 13/29 • 微型鏡頭

  23. 感光元件 14/29 • SuperCCD ISUPER CCD畫素是45度回轉成蜂巢式排列，斜向比水平和垂直狹窄，所以水平、垂直方向解析度較高。

  24. 感光元件 15/29 • SuperCCD

  25. 感光元件 16/29

  26. 感光元件 17/29 • 電路結構之完整比較

  27. 感光元件 18/29 • 差異分析： • ISO ：CMOS 每個畫素包含了放大器與A/D轉換電路，過多的額外設備壓縮單一畫素的感光區域的表面積，因此在相同畫素下，同樣大小之感光器尺寸，CMOS的感光度會低於CCD。 • 雜訊：由於CMOS每個感光二極體旁都搭配一個 ADC 放大器，如果以百萬畫素計，那麼就需要百萬個以上的 ADC 放大器，雖然是統一製造下的產品，但是每個放大器或多或少都有些微的差異存在，很難達到放大同步的效果，對比單一個放大器的CCD，CMOS最終計算出的雜訊就比較多。

  28. 感光元件 19/29 • 差異分析： • 耗電量：CMOS的影像電荷驅動方式為主動式，感光二極體所產生的電荷會直接由旁邊的電晶體做放大輸出；但CCD卻為被動式， 必須外加電壓讓每個畫素中的電荷移動至傳輸通道。而這外加電壓通常需要12伏特（V）以上的水平，因此 CCD 還必須要有更精密的電源線路設計和耐壓強度，高驅動電壓使 CCD 的電量遠高於CMOS。

  29. 感光元件 20/29 • 差異分析： • 解析度：由於 CMOS 每個畫素的結構比 CCD 複雜，其感光開口不及CCD大， 相對比較相同尺寸的CCD與CMOS感光器時，CCD感光器的解析度通常會優於CMOS。但如果跳脫尺寸限制，目前業界的CMOS 感光原件已經可達到1400萬 畫素 / 全片幅的設計，CMOS 技術在良率上的優勢可以克服大尺寸感光原件製造上的困難，特別是全片幅 24mm-by-36mm 這樣的大小。

  30. 感光元件 21/29 • 差異分析： • 成本：CMOS 應用半導體工業常用的 MOS制程，可以一次整合全部周邊設施於單晶片中，節省加工晶片所需負擔的成本 和良率的損失；相對地 CCD 採用電荷傳遞的方式輸出資訊，必須另闢傳輸通道，如果通道中有一個畫素故障（Fail），就會導致一整排的 訊號壅塞，無法傳遞，因此CCD的良率比CMOS低，加上另闢傳輸通道和外加 ADC 等周邊，CCD的製造成本相對高於CMOS。

  31. 感光元件 22/29 • 尺寸說明： 大多數 DSC 消費型數位相機的 CCD 長寬比，依然沿襲 1950 年代電視規格標準剛制訂時 4：3的標準。

  32. 感光元件 23/29 • 尺寸說明： 常用的 CCD 尺寸並不是『單位』而是『比例』。業界通用的規範就是 1英吋 CCD Size = 長 12.8mm X 寬 9.6mm = 對角線為 16mm之對應面積。 例如: 1/2“ CCD Size 的對角線就是 1”的一半為8mm，面積約為 1/4；1/4“ 就是1”的1/4。

  33. 感光元件 24/29 • 常見尺寸比較：

  34. 感光元件 25/29 • 尺寸說明： 等同傳統底片面積的 CCD 或 CMOS 因為所使用的長寬比由 4：3放成3：2，就不以『英吋』作為表達方式，而改為 Full Frame 或 35mm Film Size （面積：36×24mm）直接稱呼，比這小一號的稱為 APS（25.1×16.7mm）  / APS-C size（23.7×15.6mm）。

  35. 感光元件 26/29 • 尺寸說明： 近來，為了補足 APS-C 以下的 CCD 尺寸空間，由日本 Olympus 主導的 4/3 系統（比一般消費型數位相機的 1吋型CCD 再大上 1/3 （22.5 ÷ 16mm）），但比例不是 3：2 而是 4：3 ，是故沿用『英吋』的稱法，命名為 4/3 或是 1又 1/3 系統。

  36. 感光元件 27/29 • 常見尺寸比較：

  37. 感光元件 28/29 • 此 inch 與 彼 inch？ 這個問題必須回到1950 從第一代電視機開始說起，當時的電視機和現在所使用的CRT 或映像管電視大同小異，但有一個最大不同點就是那時候的螢幕是『圓』的！對於當時的電視工程師來說，從 Tube 中發射出來的電子線本就會繞著圓形軌道散佈，因此，將螢幕做成圓形是理所當然的事。

  38. 感光元件 29/29 • 此 inch 與 彼 inch？ 對於大多數的消費者來說，圓形螢幕實在太難適應了，最後還是將螢幕裁成『方』型，已爭取大眾的認同。然而如何在『圓中取方』得到最大的面積，後來的工程學界看法不一定相同，但通常裁切比例維持在 1.4～1.6之間，這之中並沒有一定的數學式。不過在描述尺寸大小時，仍維持 50年代的傳統，把『圓』形概念套用到『方』型螢幕上，以英吋來表達。 回Outline

  39. 鏡頭 1/36 • 鏡頭是影像品質的最大關鍵，為有良好的鏡頭，才能拍出畫面清楚、色彩飽和的照片。

  40. 鏡頭 2/36 • 焦距： 當光線以接近平行的方通過一片鏡片，會在鏡片後方聚集成一點，稱為焦點；鏡片中心點與焦點的距離則稱為焦距。

  41. 鏡頭 3/36 • 等效焦距： 大部分的消費型數位相機感光元件尺寸都比底片小，只能擷取畫面中央的影像，因此當鏡頭接上相機時，會發現取景角度變窄，主體變大，有如傳統底片機使用更長焦距的鏡頭一樣。

  42. 鏡頭 4/36 • 等效焦距：

  43. 鏡頭 5/36 • 常用等效焦距參考表：

  44. 鏡頭 6/36 • 畫角： 　　畫角是鏡頭可以拍攝範圍的角度，當鏡頭焦距越短，畫角越大，取景畫面就能容納更多的景物；鏡頭焦距越長則畫角越小，畫面中可容納的景物就少。

  45. 鏡頭 7/36 • 不同焦距的畫角：

  46. 鏡頭 8/36 • 鏡頭口徑： 　　一般鏡頭上都會標一個數字，例如52mm、58mm、67mm…等，指的是鏡頭前方的口徑大小，主要是在為鏡頭加裝濾鏡時的依據。

  47. 鏡頭 9/36 • 有效口徑： 　　鏡頭口徑與鏡頭光圈大小並無直接關係。真正與光圈值有關的是有效口徑。有效口徑決定了鏡頭的最大進光量，也就決定了鏡頭的最大光圈值。 光圈值＝鏡頭焦距／有效口徑

  48. 鏡頭 10/36 • 有效口徑：

  49. 鏡頭 11/36 • 光圈 　　變焦鏡的光圈分成兩種，恆定光圈與非恆定光圈。兩者的差異在於非恆定光圈的最大光圈會隨著焦距改變，非恆定光圈則否。

  50. 鏡頭 12/36 • 恆定光圈

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