雾沉沉仍望不见技术成熟期的隧道尽头，数码迷踯躅在自己喜爱的相机前，拿不定主意，眼花缭乱的品牌机莫不让人看走眼，巴不能怀里揣着那件克敌制胜的法宝，神来几张令摄影界的老狐狸也跌破眼镜的精美画面，又心疼兜里的几个钱，痴想着这笔不菲的投资能天长命久。旁轴、单反、便携、广角、定焦、浅度或深度变焦、CCD或CMOS传感、超高度感光、双防抖、去红眼、群脸识别、高密度多点自动对焦、全幅快速连拍…，日新月异的数码相机新功能，有哪一款更适合自己的需求呢？醉眼迷思明天就遇“突破”，把天底下相机的优点都掳于一身，而撞在“物理光学”这堵不食人间烟火的百年老墙面前，匍匐进取的数码技术仍未逾越瓶颈和障碍，离尽善尽美还有几箭之遥。

    数码相机的功能就是将自然界的人物美景无失真传递和记录在传感器芯片上，然后被高保真处理和还原，送人保留和欣赏。这涉及到三大核心原理和技术：镜头、传感器、图像处理器。

 

   1. 镜头

光线穿过镜头时发生转弯和聚焦的原理是古老的施耐尔定律（Snell’s Law），偏转角与入射角之间呈正弦函数变化的关系。为了在很宽的变焦范围，让穿过镜头中心和边缘的光线都能完美聚焦于同一点，要用到多片球面和非球面组合的镜头，如“托马”新出的一款15倍变焦镜头（Tamron，AF18－270mm），用了18片镜头13种组合的设计，包含了多个非球面镜头。

镜头的玻璃质量也很重要。迫使光线转弯的角度还与玻璃的折射率有关。因此，理想情况是在人眼感知的可见光波长区，玻璃的折射率不随颜色（波长）改变，使得任何颜色的光线都能汇聚于一点。否则，如折射率随波长改变，当绿颜色的光被调节和聚焦于一点时，红蓝颜色的光就会偏离焦点，使不同颜色的图像模糊不清。

这称为极低色散或无色散玻璃。优良的镜头玻璃，包括折射率、色散特性、硬度、应力、气泡、缺陷、温度系数、组分、工艺等关键参数，都是厂家绝不容外泄的核心商业秘密。即使凭借现代光学原理和软件，设计出复杂结构的镜头，如无高品质玻璃，终将是“巧媳妇难为无米之炊”，做不出合格满意的镜头。

镜头的膜也是关键。每片镜头有两个玻璃面，如18片镜头则有36个面，光线穿过每个面都有约4-5%的光强损失，累积的损失将导致光从最后一面玻璃穿出时，光强已所剩无几。这需要对每片镜头的玻璃面进行镀膜。优良的膜系结构（多层膜）、膜质材料和工艺将能够确保在可光见区、很宽的入射角（变焦）和变温范围，光线几乎都能无损耗地将图像信息传递到芯片上，获得高亮度的成像质量。

这些经过千锤百炼研究出来的核心工艺原理和秘密都被深锁在厂家严加看管的保险柜里，不会在文献资料中有任何的透露和报道。

因此，世界上的镜头千差万别，做得最好是“莱卡”和“蔡氏”镜头，看去不显眼的玻璃镜头甚至比机身还要贵。“松下”机配的是“莱卡”镜头，“索尼”机则与“蔡氏”结缘，在利润丰厚的数码相机市场杀出一条血路，赚到大笔的钱。这并非“松下”和“索尼”巨头不会做镜头，而是做不出象“莱卡”和“蔡氏”这样好的镜头。“莱卡”和“蔡氏”镜头又被称为“魔鬼”镜头，除了设计和工艺外，百年熬成精的“魔术”都藏在镜头的玻璃和膜里。

单有好相机而无好镜头，拍不出好片子，这是行家里手都明白的浅显道理，即使喷血也得兜里有几个好镜头。几十年过去了，老相机或已成古董遭淘汰，但优质的老镜头仍很值钱，具有很高的保值性。

 

2. CCD或CMOS芯片

数码相机要赶上传统胶片相机的成像质量，关键是光电传感器的特性，这包括感光度和像素密度等重要指标。目前，大多数相机，尤其是科学仪器级的高端数码相机仍采用低噪声CCD传感器，缺点是耗电、图像传输速度慢和价格偏高。在突破噪声瓶颈后，具有省电、快速图像传输、与集成电路工艺兼容等显著优点的CMOS传感器正呈现取代CCD的趋势,获得了广泛的应用。如手机相机和若干高端民用相机，都采用了CMOS传感芯片。

追求高像素密度始终是厂商为满足军／民用市场需求而努力的目标。从早期不到一百万像素，发展到今天超过一千万像素的CCD或CMOS芯片，急剧提高了数码相机的成像品质和分辨率。然而，像素密度的提高意味着单元传感器面积的缩小，这对于器件的感光度和光电动态响应等特性并不有利，因为传感器产生的光电子数与面积成比例。较大的像素面积将能够产生更多的光电子，具有较高的动态范围，能感知较弱的光。因此，用户在选购数码相机时，千万不要被一些厂商的高密度像素广告所迷惑，而要兼顾同样关键的感光度（ISO）等指标，这与像元尺寸密切相关。这里仅举几个简单的例子，可获得一些感性认识。

 

(1). 佳能5D相机（单反，2005－08年）

芯片：     CMOS

芯片尺寸:  36x24mm (全幅)

像元数：   1.28千万

像素面积： 8.2x8.2微米

像素密度： 每平方厘米1.5百万

ISO:       1600（可增强到3200）

AD转换：   12比特。

 

(2).尼康D3（D700）相机 （单反，2007－08年）

芯片：     CMOS

芯片尺寸:  36x24mm (全幅)

像元数：   1.21千万

像素面积： 8.4x8.4微米

像素密度： 每平方厘米1.4百万

ISO:       6400（可增强到25600）

AD转换：   14比特。

 

 (3).富士F100fd相机 （便携，2008年）

芯片：     7代超级CCD

芯片尺寸:  7.8x5.8mm

像元数：   1.2千万

像素面积： 1.95x1.95微米

像素密度： 每平方厘米2.65千万

ISO:       3200（可增强到12800）

AD转换：   8比特。

 

 (4).松下DMC-LX3相机 （便携，2008年）

芯片：     CCD

芯片尺寸:  7.7x5.7mm

像元数：   1.01千万

像素面积： 2.1x2.1微米

像素密度： 每平方厘米2.3千万

ISO:       3200

AD转换：   8比特。

 

(5).佳能SD890IS相机（便携，2008年）

芯片：     CCD

芯片尺寸:  6.16x4.62mm

像元数：   1.0千万

像素面积： 1.7x1.7微米

像素密度： 每平方厘米3.5千万

ISO:       1600

AD转换：   8比特。

 

(6).适马DP1相机（便携，2008年）

芯片：     CMOS （3层）

芯片尺寸:  20.7x13.8mm

像元数：   0.47x3=1.4千万

像素面积： 7.8x7.8微米（单层）

像素密度： 每平方厘米1.6百万（单层）

ISO:       1600

AD转换：   12比特。

 

(7).普林斯顿VA1300B相机（仪器级，2005-08年）

芯片：     CCD

芯片尺寸:  26.8x26mm

像元数：   1.7百万

像素面积： 20x20微米

像素密度： 每平方厘米25万

AD转换：   16比特。

 

 感光度ISO是一个很重要的指标。高感光度意味着即使不开启闪光灯也能在较弱光照条件下（如室内或夜景）拍摄到清晰的图像，甚至可在漆黑的夜晚拍摄到在遥远银河里戏耍的牛郎和织女。

 虽然便携式CCD相机的ISO指标近年来有了显著改善，从几年前400提高到当今1600－3200，主要不是通过改进CCD单元器件的光电转换效率和增大面积，而是采用了多种电子或软件降噪声的方法。但过度人为降噪声将导致图像信号的畸变和失真，并不利于图像质量的真正改善。对于ISO指标同为1600的两台相机，如比较图像的低噪声细部特征，2x2微米像元便携机的成像质量将难以与8x8微米像元的单反机相比，更无法与20x20微米像元以及动态范围达16比特的仪器级相机比。同为便携机，应选购像元有效面积较大的机型，真实的感光度和成像质量等指标将较高。电子和软件等后处理技术虽对改善图像质量有贡献，但关键是在同等光照等条件下单元传感器实际可产生的总电子数。相对来说，像元面积越大，产生的电子数越多，图像的信噪比质量就越好。

在便携式口袋机中，唯有“适马SP1” 高清晰图像质量达到了几乎可与“佳能5D”相比的水平，这是采用了一颗独特硕大无比的三层芯片的缘故，上市后好评如潮，却价格不菲。

人们依然在努力提高芯片的性能，富有潜力，也仍有很长的路要走。目前，彩色图像的获取是基于这样的方法，即在无色CCD或CMOS芯片的像素表面按一定格式贴有红、绿、蓝（RGB）三种滤色膜，分别感知不同颜色的光。譬如，当红绿蓝的多色光被聚焦在贴有红膜的像元上时，仅红颜色的光被感知，而蓝绿颜色的光都被反射和浪费掉了。对所有这种结构的三色芯片来说，超过50％的光都被浪费了，未有效利用。

改进的方法是结合光的干涉原理，采用红、绿、蓝三层分色结构，每一层芯片仅单独感知一种颜色的光，如“适马”相机采用的三层芯片，每一层仅含4.6百万像素，单元像素的尺寸可做得很大，三层的总像元数可达1.4千万，显著提高了光的采集率。缺点是芯片的结构和工艺十分复杂，仍有部分光在层间耦合中无可避免地被损失了。

 另一种探索的途经是设想采用四元像素结构，其中主像元的面积较大，贴有全色增透膜，可无损失采集到所有颜色的光，另外三个较小面积的像元贴有三色膜，用于确定红绿蓝三色光强的比例，并按此比例对主像元的光信号进行颜色分配和处理，可显著提高光的采集效率，还能使感光度ISO指标再提高2－4倍。

 现代集成电路工艺已不难刻出纳米器件，也谣传有所谓的纳米传感器问世，而经过几十年的努力，仍未突破微米传感的物理瓶颈，便可预知“纳米器”离实际理解和应用将有多远，许多这方面研究的钱和资源都用错了地方和方向。

 

3. 图像处理

自然界中五彩缤纷的人物景象如何被逼真地重建和还原是一门十分奥妙的学问，这与人眼感光细胞的光谱特性有关。有时按科学原理和比例调配出来的颜色不一定让人觉得很美，而对不同颜色的光强比例有意作一些“失真”处理，却“歪打正着”，会产生出格外令人赏心悦目的视觉效果。老牌胶片厂商，如“柯达”和“富士”都深谙人工配置“伪彩色”的道理，尤其是“富士”，将研究彩色胶卷积累的经验用于数码相机，占尽了先机，拍出的画面特别鲜艳和细腻，讨人喜欢。至于自然界人物景象的颜色光谱是否真的如此分布，已不很重要，一切以人为本，以人的欣赏满意度为底线，这在很大程度上依赖于图像处理技术。

当光电传感芯片获取了红绿蓝三种不同颜色的物理信号后，软件可按不同场景等情况对三色光强的分布作快速后期处理，如按人物、原野、冬雪、夜景、灯光等不同情况作分类处理。这些经历了许多代被精心研究和发展的高速图像处理软件被“凝固”在芯片中，都在友好界面环境下神不知鬼不觉被用户很方便地大量使用。如今未经学习训练的新手都能炫耀出几张高水平的图像作品，甚至可“以假乱真”，大部分的功劳要归于编写图像处理软件的研究人员，是他们在背后产生了“傻瓜机”的众多重要功能，也真是“傻”到了家，而不“傻”的是研究人员的心灵和智慧，是对自然界光线本质永久的探索和思考。

 

4.多余的感叹！

在我们国家，数码相机正在走进千家万户，成千上万的科学家和研究人员、政府公务员、大中小学生、各行各业的男女老幼，都无不希望和喜欢手里握有一台精美的数码相机，能将大自然的美景以及亲朋好友的身影留于人间，包括真实记录“百年奥运”诗情画意般的感人场面，而研制和生产高品质数码相机的镜头、传感器芯片和图像处理软件的研究人员都在哪里呢？铺天盖地都是泊来机，深感内疚的是缺少我国科研人员的创新贡献。这一具有巨大应用需求和丰厚利润的产业市场被彻底放弃了，在我国科研和产业结构的顶层设计中未作任何重大布局和投资，孵在顶层乱念经的“和尚”都糊涂和凉快得很，巨额的“863”、“973”和“大攻关”等项目经费都屡被无节制地引领到许多次要甚至不必要的方向和方面，教训是十分深刻的。

在这次“汶川”地震灾害中，空军一架直升机因故失事。一些遥感专家带了上千万的设备，向指挥部报告，失事飞机被发现在“映秀镇”东北约5公里的地方，最后却是靠最原始的人力“洞穴”搜索法，在镇西北7.5公里的山坡上找到了飞机残骸。其实，借助现代高分辨率数码侦察技术，按每像素0.1米的地面分辨率，采用一维4k像素或二维4kx4k像素的高性能数码相机，一次能对约三、四百米宽的地面目标进行低空航拍高速扫描成像，一天即可完成方圆数十公里的高分辨侦察，然后仅需利用高性能图像处理软件对目标进行快速识别和分析。偌大个失事飞机，即使散落于人迹罕到山谷的残肢碎体，也会分布在数米至数十米的不小空间，能够被高效率找到，如初步发现目标，还可作更精细扫描。这是最可靠能被实现的方法。但平时不投资和化精力开展这种很有效的地面侦察技术的研究和应用，而去盲目采用并未被原理和实验可靠证实的那些蒙人的方法，或是完全用错了目标和地方，让我们的指挥部和解放军吃足了苦头。

 在现代战争中，离开了高性能数码成像设备和技术，无论是白天还是夜晚，是在宇空、地面还是水下，我们的人民子弟兵即使胸怀大志和必胜信念，也都将变成“睁眼瞎”，这是又一需要被深刻认识和总结的经验教训。

我国高性能数码相机技术的曙光和出路究竟在哪里呢？

 

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