资讯中心

解读相机分辨率

发布时间:2021-11-04 10:16:32 最后更新:2021-11-04 10:51:26 浏览次数:179

“在太空中仅凭肉眼能否看到长城”科学公案的由来,似乎要追溯到人类第一次进入太空之日起。宇航员 “看到长城” 的随意一句话,立刻传遍世界。在人们尤其是十几亿中华儿女心中扎下了根,而且根深蒂固。

在六年制小学语文课本第七册课文《长城砖》中有这样一段文字:“一位宇航员神采飞扬地说,‘我在宇宙飞船上,从天外观察我们的星球,用肉眼观察出两个工程:一个是荷兰的围海大堤,另一个就是中国的万里长城!’”2000 年语文高考试卷要求阅读理解的《长城》一文中就如此表述:“外层空间能看到的地球上惟一的人工痕迹,就是你呵,长城!”

这种说法在国外也颇流行。美国出的麦片包装盒上经常写一些给小孩看的小知识,其中就有 “你知道中国的长城是太空惟一肉眼可见的人造物吗?” 甚至有人说长城是月球上惟一肉眼可见的人造物。

但无论在学术界还是民间,“肉眼看长城” 始终存在争议,而且长久以来没有定论;而西方宇航员在太空看到过长城的说法也从来没有得到过证实。

1. 像素 & 分辨率

也许有人会问,我们的眼睛最小能看到多细的物体呢?

有关研究资料说,人的眼睛最小能看到0.02到0.01毫米粗细的小点。也就是1270到2540PPI。

以头发来打个比喻吧!

我们的头发大约是0.05毫米粗。在光线充足和视力非常好的条件下,且放置头发的背景是白色情况下。在2米远应该能看得到头发的,你能在5米外看得到吗?假设是刚好可以看得到吧!还是假设长城处处都有10米宽!

则5X(10/0.00005)=100万米=1000公里,也就是说在1000公里远处看到的长城就象一根头发线一样。对于在340多公里高空飞行的航天器来说,宇航员能看得到的长城,0.00005(340000/10)=1.7,相当于你看着1.7米远处的一根头发而已。你说有可能看得到吗?

1.1. 什么是PPI

这个每英寸长度上的像素数个数叫做影像分辨率,简称PPI(pixels per inch)。如每英寸长度上有82个像素点,即用82PPI来表示。

摄像头也和我们人类的单个眼睛一样,当然了,人单个眼睛左右有160度的视野范围,上下有120度的视野范围。而现在最大的超广角数码相机也很难达到这个范围。据说鱼眼镜头相机的视角范围可以达到220至230度。但无论是其视角有多大,在左右的长度和上下的宽度方向上的比例是和人眼睛一样的,即 160:120=4:3 。所以所成图片的尺寸也是采用这个比例的居多,如:

  • 15万像素480X320=153600
  • 20万像素640X320=204800
  • 30万像素640X480=307200
  • 50万像素800X600=480000
  • 80万像素1024X768=786432
  • 100万像素1140X900=1026000
  • 130万像素1280X960=1228800
  • 200万像素1600X1200=1920000
  • 300万像素2048X1536=3145728
  • 500万像素2576X1932=4976832
    或2592X1944=5038848
    或2560X1920=4915200
  • 800万像素3264X2448=7990272
  • 1000万像素3648X2736=9980928
  • 1200万像素4000X3000=12000000
  • 1400万全线4228X3264=13800192

也有采用16:9,如

  • 900万像素4000X2256=9024000

更有采用3:2的呢!如

  • 600万像素3000X2000=6000000
  • 1100万像素4000X2664=10656000

还有采用5:4的,如

  • 130万像素1280X1024=1310720

当然还有采用黄金分割系数的,即16:10=1.6:1=1:0.618,如

  • 100万像素1280X800=960000

1.2. 像素点里面还有些什么?

像素组成的图像叫位图或者光栅图像,点阵图,像素图形,网格图(光栅一词源于模拟电视技术,我们的电视信号就是模拟信号)。

在一般情况下,像素是一块正方形,带有高度、色调、色相、色温、灰度等的颜色信息,一定数量的颜色有别的正方形小块排列组合,用以表示一幅点阵图像,也就是位图图像。通过数码相机拍摄、扫描仪扫描或位图软件输出的图像都是位图。

一张位图,颜色信息越是丰富,则图片的容量就越大。在光线充足的环境下所得的图片,其容量往往都很大。

研究表明超过300ppi(像素点0.085毫米)人眼就察觉不出颗粒感。

当图片的分辨率大于显示屏的分辨率时,显示屏会把图片按比例相对的宿小。相当于把图片的两个或多个像素在显示屏上以一个像素显示出来。所以我们的图片分辨率越大,看到的图片就越清晰细腻逼真。

2. CMOS: 像素的物理载体

CMOS是一种“特殊的半导体器件”,上面有很多微小光敏物质感光元件,每个感光元都称作一个像素(Pixel)。

也就是说同一尺寸的CMOS,可以包含不同的像素。

很明显CMOS有很多种尺寸:

  • 1000C: 1/4CMOS
  • Z5C: 1/3CMOS
  • EX1R: 1/2CMOS
  • DVCPRO: 2/3CCD
  • AF103: 3/4CMOS
  • 5D2: 35mm全画幅

一块CMOS上包含的像素数越多,其提供的画面分辨率也就越高。

通过上面的论述,我们已经明确了像素数是指CMOS上感光元件的数量。
摄像机拍摄的画面可以理解为由很多个小的点组成,每个点就是一个像素。

显然,像素数越多,画面就会越清晰,如果CMOS没有足够的像素的话,拍摄出来的画面的清晰度就会大受影响,因此,理论上CCD的像素数量应该越多越好。

但实际情况是,在同一个电视标准下(例如:高清格式),像素数增加到某一数量后,再增加对拍摄画面清晰度的提高效果变得不明显。而且CMOS像素数的增加会使制造成本。

CMOS能安装的像素数量有上限

CMOS片儿的尺寸限制了像素的数量。我们没有见到1/4CMOS超过100万像素,1/3CMOS超过150万像素。

单位像素的大小

单位像素就越大,就可以收集更多的光线,提高了低照度、信噪比,有利于提高画质。



2.1. 工业相机vs 手机镜头

手机相机,例如2019年大卖的索尼IMax586,已经达到了4800w像素,但其cmos尺寸不过1/2"。而工业相机的cmos尺寸是和手机差不多的,一般是1/3"或1/2"。那么为什么工业相机的像素低很多?

1.工业相机一般需要长时间工作,发热量不是手机那种小模块能hold住的,然后就是镜头,机器视觉要求图像畸变小,以及对不同像平面的物体放大率相同,还有较深的景深,这些手机镜头没一个能满足。

2.快门模式的不同。手机的相机全部是卷帘快门,价格便宜。而工业相机一般需要全局快门,所有在价格上会贵很多。

3.工业相机的帧率远远地高过普通相机。比如智能相机的30万像素照相机,能够轻松达到两百帧。

4.智能相机与普通相机光谱差异

智能相机通常情况下输出的是裸数据信息,其光谱区域也往往较为宽,较为适用进行高品质的图像处理算法 ,比如机器视觉技术应用。

5.扫描方式差异

智能相机的图像传感器是逐行扫描的,而普通相机的图像传感器是隔行扫描的,逐行扫描的图像传感器生产工艺流程较为复杂,产出率低,销售量少,并且价格比较贵 。

2.2. CCD 对比 CMOS

CMOS价格比CCD便宜,图像质量相比CCD来说要低一些。

CMOS针对CCD最主要的优势就是非常省电,不像由二极管组成的CCD,CMOS 电路几乎没有静态电量消耗,只有在电路接通时才有电量的消耗。这就使得CMOS的耗电量只有普通CCD的1/3左右,这有助于改善人们心目中数码相机是"电老虎"的不良印象。

CMOS主要问题是在处理快速变化的影像时,由于电流变化过于频繁而过热。暗电流抑制得好就问题不大,如果抑制得不好就十分容易出现杂点。

2.3. 怎么看4800万的手机像素

自2018年以来,智能手机的摄像头就开始了新一轮的“数字大战”——4000万像素、4800万像素、6400万像素……

早在2018年2月,我们就曾经针对这种“超高像素风潮”提出过疑问,并认为其在传感器尺寸并未明显增大的情况下,仅靠缩小像素尺寸(降低感光能力)换取名义上的更高像素,未必就能带来相比大底大像素设计更好的画质水准。

不要说智能手机的小传感器,就算是旗舰全画幅单反的大底,由于传感器的尺寸本身是固定的,增加像素数量就必然意味着减小每个像素的感光面积,而这就必然带来感光能力的下降,导致画面出现更多噪点。如此一来,对于一般手机(相机)用户来说,他们会觉得更多的像素其实并没有带来更优秀的画质;而对于那些有专业需求的用户来说,这更意味着设备投资的一种浪费。

让我们一起来开一下脑洞:在面前放一块毛玻璃、一块正常的玻璃,大家都会觉得正常的玻璃“清晰度高”,而毛玻璃则是模糊的。毛玻璃为什么是模糊的?这是因为它的表面凹凸不平。然而,如此一来,问题就来了——在我们肉眼看来正常透光的透明玻璃,其表面就一定是完全平滑的么?

另一个层面——不是只有数码感光元件才有“分辨率”,玻璃镜片本身也有。

稍有物理常识的人都知道,玻璃的表面不可能完全平滑,只不过是我们的肉眼看不到那些细小的缺陷罢了。可是,如果将玻璃的大小缩小到芝麻那么大,将观察它的对象从相隔几十公分的肉眼、换成了相距几毫米的,数千万像素的CMOS感光元件呢?

没错,此时哪怕是表面上看起来再完美无缺的玻璃,其微观结构上的瑕疵、不必要的折射与反射等等,在CMOS看来都会被放大,成为阻碍透光率,降低实际成像清晰度的负面因素。如此一来,就意味着对于一个完整的相机系统来说,其镜头中所使用的透镜都必须要进行特殊的表面处理、有时甚至要运用一些稀有材料来制造,以保证最终入射到CMOS表面的光学影像的清晰度要至少大于等于CMOS自身的物理分辨率,只有这样,CMOS才不会相当于是透过“毛玻璃”来拍照,其本身的感光元件分辨率才有意义。

2.4. 单反相机 vs 微单

单反,即数码单镜头反光相机(Digital Single Lens Reflex, DSLR)的反光板的去除已经是大势所趋。在胶片时代,由于存储影象的介质——胶片,在取景时必须严格保护不能漏光,而单反巧妙地利用反光镜既解决了取景的视差问题,又避免了胶片在取景过程中漏光。胶片时代,单反相机把相机技术推到了顶峰。然而,进入数码时代,情况有了根本性的变化——CCD不怕漏光。它既可以用来取景,也可以在清零后再用于成像,它的工作原理,决定了反光镜取景不适合数码摄影,在完全可以实现全电子化的数码相机上,没有必要再保留反光镜。随着电子取景技术的日臻完善,有朝一日,电子取景的清晰度与明亮度迟早会好到足以取代反光镜。

所以,理论上来说,单电相机可以拥有单反相机几乎所有的一切优点——画质更好、景深更大、可换镜头,唯一的对焦速度目前还不及单反,这是因为电子对焦尚处于幼儿期,现在市售同等价位单电的画面表现效果与单反相比还是太差了,等待需求一旦爆发,这类问题肯定会迎刃而解,而单电的体积则是单反永远无法追赶的优势。

在线客服
客服电话
  • 0755-23712116
  • 13822267203