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CCD. 底片. 及人眼的比较

发布者: 齐天天圣| 发布时间: 2011-7-9 13:34| 查看数: 6402

作者:王为豪

数字相机兴起后, 网络上最常见的FAQ是: "数字相机要几百万画素 (pixel, 以下称像元) 才够用?" 或 "数字相机要几百万画素才能跟传统相机一样好?" 虽然这些问的人, 常常连自己都不知道所谓的"够用"或"够好"到底是什么意思.....

以下我就来比较一下CCD以及传统底片的解析力, 更好玩的, 我连人眼也一并讨论. 当然, 既然这是个天文园地, 以下的讨论也只基于天文摄影的角度, 虽然比较的结果应用于一般摄影似乎也不差. 此外, 各位应视以下的讨论为某种概念的呈现, 要比较CCD与传统底片, 不见得只能在这样的概念框架下.

一个很基本的事实是, 用底片拍星星, 星星在底片上最小的直径, 一般在20到40 micron (1 micron = 0.001 mm)之间. 如果使用的光学系统与底片都有极高的解析力, 最小星像直径甚至可低到15 micron以下. 我们取30 micron来代表底片上的星像直径好了. 这样的星像要在CCD的数字影像完整呈现而维持与底片相同的分辨率, CCD的像元大小至少要是星像直径的三分之一以下, 也就是单一像元的边长至少要在10 micron以下.

如果CCD要与底片有相同的表现, 我们不只要求它的pixel大小要在10 micron以下, 其总感光面积亦应与底片相当. 传统135底片的大小是24mm*36mm, 如果CCD也具有相同的大小, 那么, 它的长宽便应各具有2400*3600个像元, 也就是总像元数是八百六十万. 换言之, 数字相机或CCD用于天文摄影, 若只考虑解析力效应, 要与传统135底片有同样的质量, 至少要具有八百六十万画素. 这只是用30 micron的星像直径来分析, 如果我们以20 micron星像为比较的基准, 那么CCD应具有的总像元数目会激增到一千九百万. 若以15 micron为基准, 那更会高到两千四百万.

目前消费市场上的主流数字相机(没有一个适合用于天文摄影), 像元数目在三到六百万之谱. 专为业余天文摄影设计的CCD相机, 其像元数目约在一百万上下. 看到上面沽算的数字, 不论是八百万还是两千四百万, 我们都不得不说, CCD用于业余天文摄影要完全将底片逐出场外, 还有一段很长很长的路. 此外, 这只是与135底片比而已, 还不是与更大的中型或大型底片相比.

当然, 我不得不强调, CCD用于天文摄影有很多其它底片没有的优点, 以上的比较不能就被当成CCD一无是处. 之所以重视总像元数目, 着眼点只是在于影像的细腻度而已. 底片在表现影像的细腻度上, 仍远优于数字相机或CCD. 但若我们细究, 为什么细腻度是重要的? 为什么我们要在意它? 追根究底, 细腻度关系着影像呈现在我们眼前时, 我们对此影像的观感. 如果固定一幅影像在我们眼前的大小, 那么, 该影像具有越多的像元, 看起来就会越细致而不至于模糊不清. 影像分辨率是否够高, 是否够细致, 最后的仲裁是观赏者的眼睛.

至此, 我不免想问, 怎样的影像可以满足我们的眼睛? 或换个方式问, 照片上所呈现的影像, 如何才能至少与我们肉眼看到的世界一样细腻?

肉眼的解析力约为一角分 (一度的六十分之一), 这是肉眼的解析元 (resolution element) 大小. 解析元在概念上所对应的, 就是底片的最小星像, 其三分之一, 便对应到CCD或数字相机的像元. 我们眼视的视角约为180度*120度, 两侧较宽广, 上下较狭窄. 这是整个视角大小, 但我们真正能集中注意力且分辨景物细节的, 约只有中心的90度*60度的大小而已. 在这90度*60度的范围内, 共容纳有一千九百万个解析元, 约相当于一亿七千万画素的数字相机.

这相当于怎样的底片? 底片的解析元大小, 用于天文摄影时, 前面已说过了, 从40 micron到15 micron以下. 在解析元为30 micron大时, 要拥有一千九百万个解析元, 底片面积需要约174平方公分, 也就是13公分见方. 这比4*5大型页式底片的面积还大, 是135底片面积的20倍, 67底片面积的4倍.

这说明了为什么很多进阶的(天文)摄影者, 总是想尽办法使用中形甚至大型相机. 135相机拍出的底片, 在放相成照片后, 若使用高倍率放大(譬如放大成16*20这种过份的大小), 其解析元在我们眼前将大于我们肉眼的解析元, 这将使照片显得粗糙. 但若只用低倍放大(譬如只洗3*5), 其固然显得细致, 但一张照片在我们的诺大的视界中只占了小小一块, 当然不过瘾. 要画面细致, 又要照片大张, 唯一的可能便是使用大底片. 于是, 有野心的摄影者在尝过入门级的135相机后, 便要尝试中型相机, 中型相机还不过瘾, 便用4*5相机, 再不过瘾, 要用8*10. 这都是为了满足人眼对画面中的细节的要求. 而从以上的讨论来看, 要完全满足, 至少要4*5底片才办得到.
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