攝影 作為當代 視覺傳達 最基礎的一環,因為發展過程緊挨著國內數位化的風潮,使得整體的發展過於速食,以致產生了許多似是而非的二手傳播。本系列文章試著從 數位攝影 的 基礎 原理入手,以精簡易懂的比喻澄清一些網路上過於模糊的定義。

 

像素(Pixel)

像素這個東西,算是數位影像裡面最基本的一個單位了。不過,像素到底是什麼東西?基本組成又是什麼呢?且讓我們回到數位的基本概念裡面,一步一步的紮好馬步,細細的去了解最基本的問題。

數位影像是由一顆顆排列整齊的像素所組成的,就像是棋盤一樣,一個方格填一顆。按照影像的組成每一顆像素呈現出不同的顏色,而且在電腦裡面,每個像素都是獨立的一筆資料。集合了一大堆的資料,按照順序排好就形成了我們在螢幕上所看到的影像。也就是說,一張一千兩百萬像素的影像,真的是由一千兩百萬顆像素以矩陣的型式排列而成的。這扎扎實實的一千兩百萬筆資料,是如何儲存在記憶卡裡面的?又佔了多少記憶空間?又是如何讓我們看見的呢?

▲CCD的內部構造圖(圖片出自於astrosurf

 

首先,我們先回到數位像機的感光元件上面來了解一下。目前市面上數位像機的感光元件,大致可分為兩種,CCD與CMOS。主要是每個單元結構的組成不同,成像原理上還是接近的。每塊感光元件,都可分為最下層的光線感應單元,中間的色彩矩陣以及最上層的微形鏡片(高階的數位單眼有的不會有)。每個成像單元對應一個像素,也就是說一千兩百萬個像素是由同樣的一千兩百萬個成像單元,一個一個匯集資訊形成的。現在,我們先從單一一個像素開始來仔細的研究!

CCD 的三層結構:上層→微型鏡片、中層→色彩矩陣、下層→感應單元。

 
▲CCD的三層結構(圖片出自於astrosurf 和富士super CCD

 

(像素是怎麼用數字來表示?請準備好筆跟計算紙,動腦時間到了~)

像素的數位表示法:

 (R,G,B) 其中 R=0~255, G=0~255, B=0~255

也就是一般的8位元,RGB彩色的像素。其中8位元的意思就是指單一像素可以表現的階調數目。在數位的世界裡面,通常是用二進位為單位。比喻來說,一盞燈只有開或關兩種狀態。但是如果按照順序橫列的八盞燈,就會有 28=256 種排列組合的狀態。為什麼用8位元來表示呢?因為早期電腦的匯流排寬度就是8位元,而當初在定義一些輸出入字元就是以這256個為定義範圍(A~Z 外加數字還有一些特殊符號,表格之類的)。當然現在電腦架構更新飛快,作業系統也都可以接受16位元,32位元甚或64位元的資料。不過因為人眼沒有辦法清楚辨識那樣細圍的差異,所以目前的數位像機或是影像擷取設備頂多就是支援到16位元。而16 位元的影像,就是從最暗到最亮總共有 216=65536 個階調,其中 (R,G,B) 的範圍就是0~65535。

 

像素的大小:

這邊所講的並不是實際的尺寸大小(這一部份會在解析度一節裡面深入探討),而是在數位世界裡面,一個像素的資料所佔據的儲存空間。以一個8位元,RGB三色的彩色影像來說,一個像素是由三個數據所組成的。描述紅色光須要 8 bits,綠色跟藍色也各佔據 8 bits,所以一個像素就剛好24bits。以下就幫大家回憶一下計算機概論囉~

1byte = 8bits

一張 8 bits RGB 彩色影像,因為 1 pixel→24bits =3 bytes

所以,一個1200萬像素的影像,在沒有進行運算壓縮的情形下,實際的檔案大小應該為:

12,000,000x3=36,000,000 bytes

除以 1024 (數位檔案裡面的進位是以 210=1024 為基準)

=35156.25 KB

再除以 1024

=34.33 MB

 

所以1200萬像素的不壓縮影像檔案大小就應該為34.33MB,數位單眼的RAW檔解開成 tiff 檔也應該接近這個數字。同樣的道理,如果你的像素基本設定更改之後,檔案大小也會更動:

  • 一張 16bits RGB 彩色影像,因為1 pixels→48 bits=6 bytes (檔案大小為 8 bits 的兩倍)
    所以同樣1200萬像素的影像,在沒有進行運算壓縮的情形下,實際的檔案大小應該為68.66MB。
  • 同理一張 8 bits CMYK 四色彩色影像,1 pixels→8x4=32 bits=4 bytes(因為一顆像素是由CMYK四個數值所組成的,所以檔案大小為 8 bits RGB 的 4/3 倍)
    所以同樣1200萬像素的影像,在沒有進行運算壓縮的情形下,實際的檔案大小應該為45.77MB。

 

早期因為儲存媒體價格居高不下,容量頂多8MB或是16MB,所以這樣大的影像一張記憶卡都不夠用。於是變產生了影像壓縮的運算法,眾所周知最出名的就是.jpg的檔案,一直沿用到現在。不過,這就是另一個大題目了!

 

(算完數學後,後面告訴你像素的紀錄流程!)

像素的紀錄流程:

雖然一個像素,都是由三個原色的光線組合而成的,但是我們的感光元件(CCD/CMOS)實際上卻是色盲。他只負責紀錄光線的強弱,而顏色的部份,就由覆蓋在上一層的色彩矩陣來紀錄。要完整記錄一個像素的資料,流程如下:

Step1.光線經由鏡頭進到感光元件表面,經由元件前的微鏡頭修正光路增加集光效率。

Step2.進到色彩矩陣,由四個RGGB的方形小單元紀錄色光,並以四個單位相互運算還原顏色。

Step3.光線最後進到集光單元,紀錄下光線的強弱(或是光子數量的多寡)產生微小的電流。

Step4.經由集光單元內的線路,將強弱不一的電流傳到QV( Electron to voltage converter)之中,將電荷轉換成電壓。

Step5.下一步再將電壓送入放大器中進一步放大(當你調整數位相機上的感光度的時候,其實也就是調整了放大的幅度),然後再把類比訊號轉換為數位訊號(ADC Analog to Digital Converter)。

▲類比訊號轉成數位訊號的過程。

Step6.ADC轉換器能將信號配合色塊馬賽克的分佈,轉換成一個2D的平面矩陣,並賦予每個像素一個數值。

Step7.最終再整合影像輸出。

 

 

一個像素被紀錄下來的過程,極為複雜。雖然我們沒有必要很精確的去了解每一個環節,但是了解成像流程,其實有助於將來在數位暗房進行後製處理的時候,對每個潛在問題的了解。比如,雜訊是如何產生的?CCD尺寸跟影像清晰度之間的關係?從原理著手,才不會永遠都是下一台相機比較好。

下一講,我們就來探討像素數目與解析度之間的糾葛與迷糊帳。

 

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李旭彬
目前在台南獨立經營海馬迴光畫館,從事攝影藝術的推廣及教育,並持續從事攝影創作。曾負笈佛羅倫斯、紐約及舊金山等城市學習攝影。作品主要在探討土地的議題,影像風格深沈優雅。文字風格剽悍,理性感性兼備。
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共 1 則回應

1 樓 · 偉軒 · 發表於 2011-08-20 12:50 · 檢舉

很期待你下一講-像素數目與解析度之間的糾葛與迷糊帳。
常這二個分不太清楚

另外請問一下,就CCD上的像素顏色表現上,是每一個像素代表一個原色,還是一個三個原色形成一個像素