人眼與照相機有何異同 談 1/3 吋 CMOS 裝在手機上

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畫素競爭下的真相 ---- 1/3 吋 CCD CMOS 作成 400萬畫素 是否是正確選擇

HTC但這次大膽嘗試新像機概念，將CMOS影像感應器之面積升為 1/3吋，畫素降為 400萬。
行動大膽， 這種 PM 決策到底是對是錯。消費者要如何從眾多似是而非的雜訊中取得正確的資訊以供判斷。

人眼到底需要多少畫素才能感覺舒服。
萬畫素，是 400分之滑鼠滾輪 吋對角線 ( 看看夠不構精細

(圖無法貼上請指導)

舉起你的手機、小相機、拍一下路邊紅綠燈及小綠人，疑!! 怎麼變成小白人，
紅綠燈怎麼變成 白、白燈加紅綠框。相機壞了嗎?
回家換價值15萬元的高級單眼相機 D-800 加高級鏡頭 24-70mm F2.8 再照一次，
噯! 怎麼還是一樣，縮小光圈再照一次，還是一樣，再縮小光圈看看..................

這就是動態不足，CMOS 上的三色資訊已全部飽和。


(圖無法貼上請指導)

這就是動態不足，三色資訊全部飽和。

人眼之桿狀體 等效ISO感度約在 800~1600 左右， 錐狀體等效 ISO感度約在100~200左右，因人而異。
又因網膜上面的感光化學成分可以在30~180秒鐘替換成另一組藥水，
所以在暗處一段時間後，ISO 感度會再提高，但是色分辨力會大幅降低。

人眼之瞳孔光圈則聽說是約在 F=1:1 ~1:8 左右，也有一說是 F8~11 是人肉自動光圈。

網膜底片之靜態-動態比因種族而異，有一說是 1,000,000:1  但我認為可能高估了，那可能是含瞳孔自動光圈，加大腦 HDR 多張影像組合計算後的 動態-動態比。

人眼如果瞳孔不縮放，眼睛不亂動，只看一次，不用大腦做動態 HDR 影像組合，其動態應在 1000:1 ~3000:1 附近。

那相片、海報燈箱、螢幕要做到多少對比才能使人眼感到愉快呢?

實測結果是要 50:1 的動態才能使麻瓜的眼睛覺得可以接受，要 100:1 動態才能使經過訓練的眼睛覺得愉快。但是既然人眼的本質動態可達 1000:1 以上。它是視覺經驗是可以訓練的，一旦大家都看到過好的像片，就回不去了。當人們都發現"對比動態" 比 "解析度"重要時，一場眼球革命即將開始。所以CMOS會越用越大。直到能產生 1000:1 之影像。
當然 LCD 螢幕也要有相應的配合。

那市面上號稱 1,000,000:1 對比之 LCD AMOLED 又是怎樣。


圖貼不上

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[ 本帖最後由 BV2FB 於 2013年2月27日 11:21 PM 編輯 ]

BV2FB

手機或相機廠商如果輸在畫素戰爭上，則連被考慮購買的機會都沒有。
這就好像一個美女如果身高不夠 170CM 再漂亮也不能當模特兒一樣。

其實製造 CCD 或CMOS 的廠商最清楚，小面積的 CMOS 採用高畫素其實是畫質的毒藥。
但是迫於大眾多年來已被教育成只懂追求畫素，不懂追求畫質動態比，所以只好隨波逐流。靜待聖人出現。

幸好這些年CMOS 的本質感度與訊噪比有相當的進步，例如SONY 的 BSI 背照技術使開口率大幅提高，對靈敏度提升幫助很大，加上DSP 消雜音技術進步，多少將高畫素產生之缺點稍加彌補。所以高畫素競爭迄未見停歇。

但是手機上的相機功用，在這兩年有重大社會革命。他已由手機附屬品，聊備一格，變成最主要的功能。
連70歲老太婆都要買一台手機，照相上 Facebook WhatApp Line WeChat....等與兒女孫子溝通。
生日照相更是重要。據說日本人統計CCD攝影機最大用途就是生日攝影，第二才是婚禮。
生日攝影對工程師是最大考驗。因為蠟燭下光照低，色溫2800k下對 動態、雜訊，白平衡是重大考驗。

所以小面積 (1/6~1/4 吋) 高畫素 (800~1300萬) 照相機，可能要等到科技在進一大步後，才能再予考慮。
例如，光電轉換效率再升高至更接近量子極限。pixel 立體結構更加成熟，線性及數位雜訊抑制，及影像處理，更進一步。

BV2FB

由於 CCD 逐漸被 CMOS 光感應器取代。
製程也由 21道光罩降為12~15道光罩，許多提高畫素的良率瓶頸漸漸消失。
有些公司就開始以高畫素為廣告主打，卻沒告訴使用者 "高畫素" 的代價是犧牲相片最重要的 "動態比"。
由於要導正消費者很難，因此各照相機及手機大廠都被迫昧著良心捲入無盡的畫素戰爭中。
從35萬畫素到100萬，400萬 800萬 1300萬，不知伊於胡底。
此間很少有大公司願本著良知告訴消費者，畫素與畫質的真正關系。

反正推出高畫素新產品很容易，人家推 8M=800萬畫素，我就推 13M=1300萬畫素。
單眼相機甚至有2400萬，3600萬畫素，不久之後或將有5600萬，甚至 1億畫素之 CMOS 出現。
反正消費者很少懂得真正去詳細比較動態，亮部飽和，暗部雜訊問題。
照到畫面鈍鈍的，動態不夠好的照片，還誤以為是因為畫素不夠高。

其實只要拿手機或單眼相機，在夜間照街上紅綠燈，看到相片上的紅綠燈竟然都變成白燈，灯框上雜訊一堆，就知道 CCD CMOS 相機與人眼有多大差距。

"動態比" 是甚麼，1/3 吋 CMOS 為何會在 100:1 附近。
粗略的講，動態比就是一個影像之最亮點與最暗點之輝度比例.

例如:假設太陽光照在一個平面上，照度為 100,000 lux ，此時若有樹檔住造成陰影，陰影下照度若為100 lux， 這時我們若拿一片報紙放在陰影交界處。想要用相機拍照。此時若正好有兩隻相同的蝴蝶各自飛到陽光直射及陰影區下。

這時你就會發現若將光圈快門調至陽光下那隻蝴蝶曝光正確，報紙文字清晰。那陰影下那隻蝴蝶就會變成全黑，那區的報紙也變全黑，看不見文字。
如果將光圈快門調至陰影下蝴蝶曝光正確，那陽光下那隻蝴蝶就變成全白。那區的報紙也會變成全白看不到文字。

為什麼人眼可以看清兩隻蝴蝶，一張完整報紙，而照相機不能呢?
因為人眼是經億萬年改良過的，而照相機只是清朝末年發明的。

假設一個1/3吋 CMOS 每個畫元 Sub-pixel element 約有 2X2=4 平方微米之公稱感光面積。
當光子打到光電二極體時會將矽晶中的電子激發跳脫軌道，成為自由電子，一個電子帶有一個負電荷，電荷會被旁邊的電容器收納而產生電壓。因為 Q=CV V=Q/C 電壓(伏特) =電荷 (庫倫) / 電容 (法拉第)

假如在100lux 照度下，每顆畫元上的光電二極體在 1/60 秒內有 6000顆負電荷產生。灌入電容後會出現 500mV=0.5V 電壓。
這時若加強光度或延長曝光時間 (例如加大為 200 lux 或 拉長快門為 1/20 秒) 每顆畫元能產生之電壓不再增加，例如CCD 之水桶滿了，溢出來流掉，這就是動態上限。

當光線關閉後，光電二極體上理應沒有任何電荷產生，但事實上因為熱量也會激發電子，所以繼續會有電荷產生。 也會產生電壓。此外電場、磁場、電磁波、 Gamma 宙射線， Alpah Beta 射線也能幫忙激發電子。也就是雜訊。
再加上光子落在鄰近畫素之光電二極體時，因或然率的關係，有時會分布不均。
就好像軍人開槍亂掃射時，敵人有人中3彈，有人中2彈，有人中1彈，有人不中彈，也會造成雜訊。
電壓進入放大器後也會再增加雜訊，如果這些因素產生了 10mV 電壓，那麼 10mV 以下之亮度細節就會淹沒在雜訊下。

最亮處 500mV : 最暗處 10 mV = 50:1 這就是 CCD CMOS 的動態範圍概算法。

當每顆畫元上的光電二極體增大時，單位時間產生之電荷增加，輸出電壓自然也會增加。此時若雜訊不增加或增加有限，動態就會增加。
例如 D800之 畫素若為 5X5=25微米平方， 設若最高能產生之電子數為 40000顆。因而產生之電壓為3000mV。若當時雜訊昇高為 20mV 3000:20: 150:1 動態就會比 1/3吋好

(對半導體而言，攝氏是25度是它的克氏 298度，很熱的，你看連水銀(汞)那麼硬的得金屬都融化成液態了。
在克氏 25度也就是 攝氏 -248度時 汞比剛硬，可以當鐵鎚。 碳鋼則一敲就碎，如同玻璃)

ken fan

好文章,感謝分享