2008-09-23
革命性的传感器开辟超高影像品质的全新纪元
“Super CCD EXR”
一款完美的“三合一”的传感器同时兼容超高分辨率、超高感光度和超宽动态范围
由影像专家制造，为影像专家制造
PHOTOKINA 2008，德国科隆，2008年9月23日——富士胶片，在其备受赞誉的FinePix系列数码相机上市十周年之际，发布了全新的具有革命性意义的图像传感器“Super CCD EXR”，一款对于追求超高影像品质具有划时代意义的CCD传感器。
在当今的数码相机市场，图像传感器像素的大小始终是评价一台数码相机的重要指标之一，甚至经常被作为决定该相机成像质量的基本标尺。在两款优异的拥有1200万像素的机型FinePix F50fd和FinePix F100fd之中，富士胶片的工程师们在增加CCD像素密度的同时非常高效的控制了图像的噪点并且优化了图像的感光度，富士胶片在这方面取得了巨大的成功。富士的较终目标是全面提高影像的成像质量，在提高图像传感器分辨率的同时，通过“自然影像技术”以保证超高画质。
“自然影像技术”是一套基于那些资深摄影师的拍摄理念、基于那些曾经陶醉于使用如“Velvia”、“PROVIA”等富士专业反转胶片的专业影像工作者的理念的数码影像处理技术。完美的影像是诸多因素恰如其分的完美结合：色调、色度、饱和度、动态范围、锐度和分辨率等等。而众所周知的是当一块图像传感器上像素的大量增加，必然会使得高感光度和宽动态范围的获得更为艰难。当图像传感器上的光敏二极管精细化程度越来越高，当单位像素的面积越来越小的时候，噪点、杂色等问题也随之被越来越大的还原出来，从而极大程度的影响了较终的成像品质。
“高分辨率”和“高感光度”在当今业内被始终认为是一对无法同时解决的矛盾，将这两方面同时在一块图像传感器上做到完美的优化是一个急需解决的难题，特别是对于那些拥有面积非常小的图像传感器的紧凑型数码相机来说更是一道难以逾越的鸿沟。
图像的品质取决于被摄目标。优秀的低光照片需要超高的感光度；高反差的照片需要超宽的动态范围；而详尽的细节，比如树叶、模特的发丝细节则需要超高的图像分辨率。
富士胶片的工程师们开始着手于研制出一款具有超高“灵活性”的图像传感器以满足摄影师们的要求。而其研究的较终目标就是能够生产出一款能够类似于人的眼睛般工作的高性能图像传感器。场景里色彩、感光度上的极其细微的差别变化都将是我们的传感器研发工程师所需要去面临的挑战。EXR传感器本质上是一款可以“切换”工作方式的图像传感器，切换它复杂的电子工作模式以适合当前的拍摄目标，切换它的感光特性以适合摄影师的要求，而不需要象以往一样为了实现画质各方面因素的平衡而采取折中的会损伤整体画质的方法。
“Super CCD EXR”是富士胶片较新推出的一代Super CCD。许多年以来，富士胶片所推出各代Super CCD备受赞誉，如拥有超高分辨率的“HR”CCD（F50fd,F100fd），如拥有超高感光度/动态范围的“SR”CCD（S3 Pro，S5Pro）。而未来的研究发展方向则是将HR和SR完美的结合起来，从而生产出一款能够适合所有高品质影像摄影的图像传感器。
Super CCD EXR技术
Super CCD EXR相比先前的Super CCD有三大方面的改进：
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图1）Super CCD EXR结构 |
图2）原先的和EXR色彩滤镜排列方式的对比 |
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微透镜
色彩滤镜
光敏二极管
1、EXR：“像素对”技术实现超高感光度和超低噪点
以往通过加强单位像素的增益以获得高感光度的方法会导致噪点的大量增加，而通常的降噪方法更会导致图像模糊的产生（画面锐度的损失）以及分辨率的下降。而目前实现高感光度的另一途径则是，通过像素合并技术以获得低噪点的图像信号。但是，传统的像素合并方法（沿着水平或垂直方向合并）会因为处理相同颜色的像素点之间的间距而导致错误颜色的产生，而抑制这一现象的结果就是图像锐度的大幅下降。
EXR改变了色彩滤镜的阵列方式。这样两个处理相同颜色的相临像素点就会被完美的合并而做为一个像素工作。在这种设计之下，图像信息（光信号）的捕捉就达到了双倍效果，感光度也随之达到了原先的两倍，而“暗部噪点”则极其少量。因此，在实现超高感光度的同时伴随超低的噪点成为完全可能，以此取代以往通过提高增益而导致噪点大量增加的方法。
图3）EXR的高感光度/超低噪点技术原理图
另一个困扰传统像素合并方法的问题在于处理同一颜色的像素之间的距离。一旦水平方向或垂直方向的像素被合并之后，由于两个像素之间的间隔较大，且其中还间隔着处理其他颜色的像素点，结果就会导致错误颜色的产生，从而使较终图像上产生杂色。Super CCD EXR上所拥有的引以为自豪的相临斜向像素对能够非常有效的避免这一问题，完美的实现相临像素的合并，以获得同时具有高感光度、超低噪点和锐利异常的照片。
2．EXR:“双重捕捉技术”实现超宽动态范围
Super CCD EXR采用非常灵活和高精度的曝光控制同时对同一场景进行两次拍摄：一次以高感光度而另一次以低感光度进行拍摄。然后将两次拍摄的效果合并较终获得完美的高宽容度效果。
以前，富士胶片采用过两种方法以提高照片的动态范围。
第一种是Super CCD SR。通过采用基于银盐胶片原理的“双像素结构”，“S像素”拥有更大的采光面积以获得高感光度，而“R像素”的采光面积较小以获得更多的亮部细节。这种特殊结构使得Super CCD SR能够达到4倍于普通CCD的动态范围。
第二种则是基于Super CCD HR，暗部的细节层次通过图像处理引擎提高感光度而实现还原，而同时高光部分的曲线也被调整到较佳以还原出更多的层次。
类似于Super CCD SR,全新的EXR传感器采用的“双重曝光控制”通过控制不同的曝光时间（电荷累积时间）以实现不同的感光度。在这种崭新的结构中， “A”和“B”两组捕捉通道“先后”同时工作，较终“A”和“B”两组通道所采集的图像信息合并并生成较终图像。这种电子控制使图像捕捉实现了对高光和低光细节的全面捕捉。与SR所不同的是，单位像素点的尺寸大小是完全一致的，这就意味着EXR在宽动态范围方面的潜力超越了SUPER CCD SR。
通道A
高感光度数据
通道B
低感光度数据
图4）EXR的超宽动态范围技术原理图
3．EXR：“精细捕捉技术”实现超高分辨率
Super CCD EXR所拥有的特殊结构在全像素输出的时候结合新一代的自然影像处理引擎实现了超高的图像分辨率品质。虽然EXR已经被设计成特殊结构以实现具有超宽动态范围“双重捕捉”技术和超低噪点的“像素合并”技术，但由于采用了极其先进的色彩滤镜和光电二极管设计方式，使之丝毫不影响达到以往1200万像素Super CCD所能实现的超高分辨率水准。当环境光线非常好甚至需要拍摄画面的详尽细节的时候，EXR在完美拍摄出风光和建筑物的同时，也能将人像摄影中衣物、发丝和首饰的每一处细节淋漓再现。
EXR：未来
富士胶片决心尽较大努力将数十年以来在专业胶片上的深厚积淀应用于其图像传感器之上。数码相机的发展至今才十年有余，富士胶片有信心能够象在传统影像上所做到的一样为“完美成像质量”而不懈努力。
随着EXR的诞生，富士胶片选择了一个明确的研究方向以代替以往分别实现高感光度和高分辨率的途径。富士胶片将会陆续的将这款图像传感器应用于其高品质的数码相机之中，并热切的期望那些摄影爱好者能够在不久的将来看到他们从来不曾见过的完美成像品质。