摄影的技术巅峰 飞思IQ260的感光元件深度解析,柯达永远的经典

发布:醒目小编 浏览:150 发布时间:2022-06-12 09:04:00


我们每日讨论CMOS、CCD、像素与噪点,但却很难接触世界上最尖端的感光元件技术,数码中画幅相机的元件通常都具备极高的像素,但令人更惊叹的是其中一些的超长时间曝光功能,我们能想象自己手中的相机长曝1小时却没有噪点么?很难,或许我只能想到胶片机了。但这样的技术确实存在。

 

 

《飞思IQ260传感器》
作者:道格•彼得森——数字图像转换

 

 

·这篇文章为谁而作?

 

    最近发布的飞思IQ260提出了一个重要特点:它使用Dalsa传感器,一个可以长时间曝光的传感器。实际上,它可以在ISO140的情况下曝光长达一小时。对于大部分的摄影师来说这一特性就已经足够惊人了——至于它是如何实现的,不重要。但还是有一些人对于细节感兴趣,对大型R+D计划背后的故事和飞思IQ260长时间曝光功能的发展历史感兴趣,这是如何办到的呢?
 
·那么,什么是Dalsa长时间曝光?

 

    当我第一次听到长时间曝光功能再次出现在飞思IQ数码后背系列的时候,我十分震惊。作为飞思最大合作伙伴中的技术专家,我对该功能如何实现非常感兴趣。长久以来,我知道Dalsa传感器的基本设计是不会考虑到长时间曝光的——这就像是事物的自然规律被扰乱。实际上,它好像是说:“看我从帽子中变出兔子吧:Dalsa传感器的长时间曝光功能。”飞思的固件工程师Lau Nørgaard如是说。

 

 

    我因写这篇文章而访问飞思开发团队,我发现故事比想象的还要有趣;这是一个飞思公司从未讲述的故事。这篇文章仅代表我的个人观点和意见,构思自与飞思开发团队的采访内容,以及他们作为世界领先中画幅领导者之一的数字转换的历史。为了正确理解这个成就,让我们流淌在历史的长河之中。

 

 

 

 

传感器制造商的抢椅子游戏:在2011年,柯达放弃了名为TrueSense Imaging的传感器部门。同年,Dalsa被Teledyne公司收购。Dalsa也收购了飞利浦的传感器部门,此部门在2002年作为飞思公司一些数码后背传感器的供应商。

 

 

 

 

 

 

 

 

·长时间曝光的发展历史:柯达和P45+数码后背

 

    现今所有中画幅数码后背的核心传感器,都由这两家公司制造:
-Dalsa(在进行了最近的收购以后成为现在的Teledyne Dalsa公司,之前的收购者是飞利浦)以及……
-柯达(在柯达内部拆分后,被放弃成为现在的Truesense Imaging公司)

 

 

    自2001年到2008年,飞思公司只使用柯达的传感器。在飞思与柯达合作关系紧密的这段期间,通过有效的R+D计划,生产出一系列能够进行极长时间曝光的数码后背。这些数码后背包括被大肆宣传的飞思P45+数码后背。

 

 

    飞思P45+数码后背可以在室温(低温状态的时间稍长,高温状态的时候时间稍短)、ISO50的条件下进行长达一小时的曝光。从2007年开始,它一直是中画幅的长时间曝光之王,直到飞思IQ260数码后背的发布。

 

 

 

 

飞思P65+

 

 

自2002年飞思首款H10数码后背起,飞思P65+是首个由Dalsa传感器制造的飞思数码后背。
    它使用的是Sensor+传感器,超快拍摄速度以及全画幅6000万像素传感器,但它的最长曝光时间只有60秒。

 

 

·长时间曝光功能的失去:转变为Dalsa

 

    在2000年代后期,柯达的传感器部门发展步伐显著放缓,部分原因归咎于它母公司的内部动荡;柯达的最新传感器(5000万像素 kaf - 50100)在2008年7月公开发布,但它并不是全画幅。

 

 

    在这段期间,飞思的R+D团队有一个新奇的想法,就是舍弃高分辨率换取更高的ISO值和更快的拍摄速度。这一想法需要在图像被记录之前,把像素集成(也叫做组合)在传感器里,因此需要与传感器制造商紧密配合。

 

 

    飞思向柯达和Dalsa都提出过这个想法。Dalsa渴望投资在这个长期发展项目中,而柯达则不然。同时Dalsa也渴望并已经准备好制造一个6000万像素的全画幅传感器,该传感器比柯达发展蓝图中的任何传感器都要大,分辨率更高并更快。为此,飞思公司更换了团队。

 

 

    因此,飞思获得了全画幅传感器、更快的拍摄速度* *和一系列以他们现有专利Sensor+技术制造的数码后背。在产品开始销往世界各国的时候,他们同时也发现用户几乎都因为新传感器能够提供饱满的肤色、平滑的色调和多种多样的色彩而赞叹不已。但他们同时也失去了长时间曝光功能。要想重新获得该功能,需要人才、资本以及几年的研发失败雏形和死胡同。

 

 

·重新获得长时间曝光功能的漫漫长路:飞思IQ180数码后背

 

    在更换与Dalsa合作之后不久,飞思就启动R+D(研究与开发)项目研发基于Dalsa传感器能够进行长时间曝光的数码后背。“为了与Dalsa一齐研发全新的独特传感器,而做出把研发额外长时间曝光传感器项目搁置的决定是十分艰难的,”飞思CEO Henrik Håkonsson回忆说。“当我们确定能成功研发出新的传感器时,我告诉我的R+D团队要把研发长时间曝光的数码后背重新摆在日程的优先位置。”

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

The Long Road Back to Long Exposure: the Phase One IQ180,Anthony Spencer拍摄

 

我们把研发分成两个方向:一个理想的短期项目,通过一系列的微调整与优化来提高长时间曝光功能(也就是说,从海绵中挤出最后一滴水);一个长期计划,通过对飞思P45+数码后背传感器的重新完整设计,以恢复长达一小时的曝光功能。

 

 

    短期项目的结果就是飞思IQ180数码后背,一个由飞思和Dalsa共同研发的8000万像素传感器制造而成的数码后背。它把飞思P45+数码后背1分钟@ISO50进度条提升为2分钟@ISO35。这些进步是少量的,但深受许多摄影师的喜爱,因为他们发现1分钟只是需求的起步,而两分钟就足以满足他们的长时间曝光需求。但是许多风光和建筑摄影师都需要更长的曝光时间,这样对于传感器的要求就不再是一点点的进步了。这就需要一个完全的重新设计,一个全新的技术,以及硬件、固件和软件开发团队的紧密合作。

 

 

·传感器背后的男人

 

    飞思IQ260传感器是飞思和Dalsa合作这几年来的巅峰之作。在飞思的角度看来,这些成就都是在飞思的CTO Thomas Andersen带领下取得的成果。在传感器设计的高度专业化世界里,Thomas是世界领先的专家之一。像素集成的专利中有他的一份(Sensor+),长时间曝光子系统(expose+)以及高质量RAW文件(IIQ-L 和 IIQ-S)他也均参与其中。从生产出扫描型数码后背的那天起,飞思生产的每一个数码相机系统都受益于他那关于传感器设计的详细知识。

 

 

 

 

Phase One IQ260. 1 hour @ ISO140. Thomas Andersen拍摄

 

一个工程师拥有的其中一项最宝贵技能,就是对将来可能达到的技术拥有一个准确的直觉,即便该技术已被完全开发。Thomas因拥有此直觉而在他的同事间闻名。IQ硬件开发团队队长Jacob Sørensen如是说:“当飞思开始考虑转向与Dalsa合作的时候,其中一个影响因素就是Thomas的自信,他相信使用Dalsa传感器生产一个拥有长时间曝光功能的数码后背是有可能的,即便他知道需要花费许多精力才能实现。

 

 

·砂子,加热和激光

 

    一个传感器最开始的起源是高纯度硅砂。通过严格的加热程序,在硅片中非常谨慎的将砂定时分层。之后把硅片通过制作工具蚀刻。制作越精密,硅片越好,它的物理特性也就越小,能够更可靠地加强硅片。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Phase One IQ260. 10 min @ ISO140. Schneider 55mm LS. Niels V. Knudsen拍摄

 

随着时间的推移,Dalsa以及整个行业也在提高该过程,通过蚀刻缩小硅片的尺寸,和提高电子产品里面以及周围每个像素的精度。理论上对于传感器的设计几乎没有什么特别限制,但就像设计师必须为建筑规划蓝图一样,要立足于现实世界中,一个传感器设计师必须坚持以现有的物理技术将电路、形状和大小蚀刻在硅片上。

 

 

 

上图的100% 截图

 

 

 

 

整体行业趋势是改进制造工艺,创造比以往更高分辨率(这需要更小的像素大小)的传感器。例如飞思IQ180和Aptus-II 12数码后背传感器的发展,这需要大量的制造改进将像素的尺寸大小从6微米缩至5.2微米,同时增加动态范围和色彩保真度。

 

 

    飞思IQ260打破了这一传统,将这些工艺上的改进运用在飞思IQ260全新的6000万像素传感器的设计和制造里。利用这些改进后的加工工艺让飞思和Dalsa公司的传感器设计中的更大的灵活性,包括以前认为不可能的像素级电路的修改。

 

 

·牧羊人Thomas和他的羊群电子

 

    拥有宽广的动态范围和清晰阴影的关键是收集尽可能多的信号,尽可能少的噪点。在一个数码传感器里,有许多电路可以收集“信号”,也就是收集场景中能够吸引传感器注意的光线。在曝光过程中,传感器会捕获电子并储存在临时的该像素的储存中。这个存储池储存的电子就是“信号”;只有一种信号。

 

 

    另一方面,噪点来源于几个地方,但对于长时间曝光来说,最主要的噪点来源于“暗电流”。当一个传感器产生热量的时候。这些热量聚集并积累在传感器表面。在传感器的世界里,热量和噪点是同一东西的两种名称。暗电流产生的热量对长时间曝光影响尤其严重,因为它随着时间的积累;传感器曝光时间越长,暗电流对于存储池中的电子的影响越大,最终图像中便有噪点。

 

 

    飞思IQ260传感器的创新核心就是在传感器表面将暗电流产生的热量与存储池中的电子隔离开。电子暂时储存的存储池有一定的物理宽度、长度和深度的,即便它们是以微米测量。这就意味着存储池的一部分是十分靠近表面的暗电流 而另一部分则远离。在IQ260存储池最深的那部分位置远离传感器的表面,这就为电子提供了一处安全区。

 

 

    这个过程就类似于一个牧羊人在远离狼的位置放牧羊群。Thomas解释说“因为电子都有负电荷,我们可以通过使用一个复杂的带正、负电荷的转向门引导它们,把它们集中到储存池中最深入的部分,这样它们就不会受到表面暗电流的影响。”

 

 

    当被问及飞思IQ260数码后背中的传感器发展中是否有灵机一动的时刻,Thomas回答说:“没有,没有一个短暂的时刻,没有灵机一动。相反,为了得到一个我们想要的结果,我们面临的是一个漫长的,困难重重的和充满挑战的道路。在某种程度上这也是我所骄傲的。”这种技术的发展既不直接也不简单。

 

 

 

 

Phase One IQ260. 8 min @ ISO140. Cambo Wide RS w/ Schneider 43mm XL. Doug Peterson拍摄

 

 

 

 

 几个原型的开发都没有达到飞思的期望。“由于之前我们拥有长时间曝光之王P45+数码后背,所以我们不能止步,直到我们开发出比P45+更好的数码后背。”飞思高级产品经理艾斯本•贝克这样说。从每次失败中吸取教训,飞思和Dalsa开发出一个他们不单在纸上设计出来,而且可以在现实中工作的原型:干净的一小时曝光。

 

 

·飞思IQ260数码后背vs. 飞思P45+数码后背

 

    所有工程设计都是妥协的;世界上没有免费午餐。但是在这种情况下是最小的妥协:暂时减少电子储存空间,原生的ISO值必须增加到ISO140,这样,与ISO50相比,同一个传感器的动态范围就会适度地减少。

 

    对于使用飞思P45+数码后背的用户来说是幸运的,从P45+柯达传感器发布以来的八年时间里,P45+在传感器技术上是领先的 ,而 IQ260@ISO140@10min与飞思

P45+@ISO50@10min

的效能是一样的好。此外,IQ260拥有更大、更高分辨率的传感器和从更高的原生ISO值中收集得到比之前多将近2档光圈的光线。

 

    除了长时间曝光这一功能作为IQ260与P45+的对比项之外,IQ260还拥有视网膜液晶显示屏,触控界面,对焦提示,可调节曝光警告,可以水平自动校正的双轴电子水平仪,评级,更快的拍摄速率,在iOS设备中使用wifi进行无线查看(包括放大100%),使用USB3连接到新的小型笔记本电脑,更出众的色彩,利用sensor+技术获得更高的ISO值和更快的拍摄速度,以及五年保修。

 

 

·超越的传感器:A/D转换器和FPGA控制器

 

    还有其它很多因素影响着图像质量。其中一个很明显的证据就是使用同一款传感器的不同数码后背所产生的图像质量是不同的。例如飞思与哈苏许多数码后背都使用同一款 KAF-39000传感器,但最后出来的结果都不一样,尤其是长时间曝光功能:
-飞思P45:大约五分钟
-飞思P45+:60分钟
-哈苏H3D-39/ii:32秒(后来增加至64秒)

 

 

 

 

Phase One IQ260. 8 min @ ISO140. Cambo Wide RS w/ Schneider 43mm XL Doug Peterson拍摄

 

 

 

上图的100% 截图

 

 

 

 

与此相关的两样东西就是A/D转换器和FPGA处理器。A/D转换器一块电子板,将纯模拟信号(包括电压)转换为数字信号(由1和0组成)。许多用户都会迷恋上A/D转换器出来的色彩深度。事实上,选择最好的A/D转换器只是复杂的工程游戏的一小部分。除了色彩深度,速度,热量产生,可靠性,灵活性以及与色彩深度无关的一直更改的转换质量属性。飞思选择A/D转换器就是将图像质量放在第一位,第二位,第三位。

 

 

    FPGA是一个可编程处理器,负责从传感器中读取数据和输送数据到A/D转换器中。FPGA类似于运用在大部分相机中的ASIC处理器 (例如佳能或者尼康数码单反相机),其中有两个重要的差别:FPGA安装在相机后依然可以使用新代码升级(而ASIC芯片在制造的一瞬间就是固定的),FPGA对于价格低的相机来说成本过高。

 

 

    FPGA 和A / D转换器作为传感器和系统其余部分的关键联系。因此飞思相对于其他制造商进步最快。就像一个汽车修理工学习如何运用经验和学习的内容将汽车的引擎优化到最好,飞思公司的工程队伍不断地改善如何令A/D转换在第一期完成后继续调整激活,读出和持续下去。他们把学习成果转换成更新的FPGA代码并发布為更新的固件给现有的用户。这一工作相当重要,因为飞思数码后背是以履行超过十年的主动式服务而设计的(根据经验,许多用户仍然使用2001年购买的飞思H20数码后背)。

 

 

·暗帧 

 

 

    与FPRA以及A/D转换器一起研究的还有暗帧减法,硬件/固件会在主曝光完成后自动增加额外曝光。这些额外曝光是用于映射和测量传感器的位置、类型以及产生的热量(亦叫做噪点)。使用这个作为指导,可以准确地在图片上映射出对细节、色彩或者动态范围影响较少的噪点。飞思在暗帧技术领域的专利和工程能力是世界领先的,使得他们制造的传感器远远超过其他制造商可以达到的。

 

 

    一般来说电脑的降噪功能十分差,因为它们对于噪点特性的认识十分缺乏,但如果噪点变成可描绘的并且可理解的,那么我们就可以随意去除它。例如最近的手机 都开始将额外的麦克风远离说话者的口来吸纳说话者周围的噪声。通过同时使用听[演讲者和噪声]以及[只听噪声]这两种方式,手机可以极大地减少噪声,即使在一个十分嘈杂的房间中也可以清晰听见说话者的声音。同样的原理也适用于暗帧减法。通过将图片的[景象与噪点]和[只有噪点]分离就可以使噪点的去除更简单。

 

 

    但不仅仅是噪点数量问题;噪点的类型也同样是一个大问题。试想一下,我们在一个喧嚷的咖啡厅进行交谈与在一个遍布引擎轰轰声的飞机客舱中进行同一场对话的对比。在这两种情况下噪声的绝对水平可能是一样的,但随机性和充满混乱声音的咖啡厅的嘈杂性使得挑出一个单一声音是十分困难的;虽然飞机的轰轰声是连续的,但持续发出舒缓的隆隆声的客舱更容易挑出声音。对于数码图像来说,结构、规律和噪点的分布问题同样十分重要。相同数量的噪点在系统中可以表现为丑陋的、点状的、块状的噪点,或者是细小的、呈高斯分布的、像结构清晰的纹理。在IQ260的开发过程中,更多的精力不仅是用于考虑在特定决策/条件下可以产生多少噪点,还要考虑那些噪点以什么形式表现。这个过程的一部分涉及到硬件和软件团队的密切合作。

 

 

·另一半:软件

 

    硬件和固件不能创造图像。他们只能创造一个装着原始数据的原始文件,换言之,这什么都不是。该过程的第二部分是将原始数据转换成完美的图像。就像同一首音乐被不同的乐队演奏会有不同的效果,数码相机中的原始数据也可以通过原始处理变成不同的结果。不仅是图片的“风格”不同(对比度,曲线,色彩调整),潜在质量,精确度和初始转换类型也不一样。

 

 

 

 

飞思对Capture One软件的细调,特别是关于噪点和细节控制,极大地帮助了IQ260的创造过程。硬件和软件的共同开发,做不能独自完成的工作。

 

 

    对于飞思的软件开发部门来说,图像质量是最优先考虑的,这就是Capture One所做的。在1997年,飞思公司开始着眼于raw转换;比Adobe正式推出LightRoom早十年。我们很容易就能想象出在经历16年的数学演算,将一个原始文件转换为一个可处理的文件再也没有发展的空间的结论。但用低于ISO3200的飞思P65+数码后背的样片在Capture One v6和Capture One v7的对比看来,他们依然在改进。

 

 

 

 

 Phase One P65+ @ ISO3200 在 Capture One 6版本 (左边) 和7版本 (右)处理后

 

 

 

 

 在飞思,raw转换改进与新硬件的发展需要齐头并进。软件工程师与硬件开发团队的工作位置是相邻的;他们在同一张吧台上喝酒,分享假期生活和不断合作。结果是,Capture One 经过广泛精细的调整能够从一个原始文件中提取到绝对最卓越的图像质量。这是行业中硬件和软件部门合作最紧密、效率最高的;这对于创造最好的图像结果的贡献不能低估。

 

 

    Dalsa传感器的发展从未如此真实。软件研发团队与硬件R+D团队一起工作,给每个硬件/固件团队关于raw转换结果的决定提建议。“每一个原始数据质量的原型都在改进,每一个原型都让我们的数学演算过程推进一步,然后给硬件团队即时反馈硬件怎么改进会对我们更有帮助。” 图像核心团队组长莱昂内尔•库曼如是说,他们团队负责Capture One的raw处理过程。

 

 

    一切都步入正轨。通过早期每个原型获取的原始文件,在最终产品发布的几年前,软件研发团队不断改写、完善以及调整他们的数学公式,其中一些被发现可以广泛使用于处理任何原始文件。事实上可以这样说,许多的改进都包含在Capture One v7中,特别是单像素降噪的改进,但是现在,只在向公众推出的IQ260数码后背中得到充分体现。

 

 

·欢庆时光

 

    在为这篇文章收集背景资料的时候,我与飞思的每个人都分享了共同的爱好。他们都很兴奋,因为他们多年的努力终于可以以某种公开的形式漂洋过海。顾客通常只看到和想到R+D项目的最后结果。我希望这篇文章能够为这巨大和漫长的工作过程给予一些赞美,只有经过这样艰难的过程用户才能拿到最终产品。

 

 

    正如Thomas所说“我们为此奋斗了无数的岁月。现在,是狂欢的时候了。”但是据我所了解的他,在狂欢的时候他也在思考着下一个大项目。

 

 

·编者

 

    整篇文章稍稍有些艰涩,但包含着一个技术开发人员的感情,或许对于拿起相机的人,制造相机是另一个世界的事情,但也要想到任何一个设备都可能是技术人员花费数年的心血研究出的。请珍惜我们手中的设备吧。

 

 

 客观来讲:

 

早期的柯达P45+的后背,相素3900万,ISO50、CCD48X36mm,各方面的需求都可以能完全满足的,因为他的色彩与长曝光及稳定性,是难以取代的。

 

 

如今现代的一批如:飞思(4000万相素以后)、哈苏(4000万相素以后)、富士(5050S100型号)、等品牌都是给戴尔莎合作,也有人讲是用的飞利浦工业的感光原件转变过来的,

 

 

那么有用过柯达与戴尔莎的后背的人会发现,柯达的CCD是一整块最大只能做到48X36mm,而戴尔莎则为多个小块组组的CCD,最大能做到50X40,一个为整块,一个为9块拼组而只为了2-4mm,整块与拼组,这个在技术上可以做说作弊,说好听点,换个方式进步,起步太高难免会损失一些。

 

 

后背的用户分类:

 

数码后背,以高相素,高画质、后期宽容度为摄影的巅峰,一直也是高端摄师的利器,但什么人会选购呢,一般分为3类。

 

 

第一类:摄影商级发烧友,历经数友的玩家,用过偏门的相机、后面上了佳尼、换了徕卡无味之后,以设备取胜,一套后背是在人群中最靓的仔,围观专业人士都算是个回头率。(中国一些高薪离退休、企业家、都备配一套)

 

 

第二类:商业摄影公司,在珠宝、化妆品、服装等产品类、静物、人物需要出街大片时,后背是个加分的设备,当然没有对比就没有伤害。从画质、原色调来讲,0-10分为评分,后背能达到7,所有单反均没有超过4的,差距多大自己想想,有句话,底大一级压死人,何部不是一级,是一倍。至于区别,拿更直观的区别来说,区别给视频1920X1080看着不错,当然进影院看4K电影时,看IMAX时,那就是差距,自己感受吧。(IMAX电影的机子感光元件都是48X36MM)全球也就那么几台设备,一天租金5万左右。

 

 

 

 

 

现在有米的玩家,设备都上亿相素,1.5万相素,一张图原档格式超过240MB,为了二次随意裁图出来也不是你单反能比的,也算是有钱任性。

 

设备够用就是。

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