2008-09-23

革命性的傳感器開辟超高影像品質的全新紀元
“Super CCD EXR”

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一款完美的“三合一”的傳感器同時兼容超高分辨率、超高感光度和超寬動態范圍
由影像專家制造，為影像專家制造

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　　PHOTOKINA 2008，德國科隆，2008年9月23日——富士膠片，在其備受贊譽的FinePix系列數碼相機上市十周年之際，發布了全新的具有革命性意義的圖像傳感器“Super CCD EXR”，一款對于追求超高影像品質具有劃時代意義的CCD傳感器。

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　　在當今的數碼相機市場，圖像傳感器像素的大小始終是評價一臺數碼相機的重要指標之一，甚至經常被作為決定該相機成像質量的基本標尺。在兩款優異的擁有1200萬像素的機型FinePix F50fd和FinePix F100fd之中，富士膠片的工程師們在增加CCD像素密度的同時非常高效的控制了圖像的噪點并且優化了圖像的感光度，富士膠片在這方面取得了巨大的成功。富士的較終目標是全面提高影像的成像質量，在提高圖像傳感器分辨率的同時，通過“自然影像技術”以保證超高畫質。

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　　“自然影像技術”是一套基于那些資深攝影師的拍攝理念、基于那些曾經陶醉于使用如“Velvia”、“PROVIA”等富士專業反轉膠片的專業影像工作者的理念的數碼影像處理技術。完美的影像是諸多因素恰如其分的完美結合：色調、色度、飽和度、動態范圍、銳度和分辨率等等。而眾所周知的是當一塊圖像傳感器上像素的大量增加，必然會使得高感光度和寬動態范圍的獲得更為艱難。當圖像傳感器上的光敏二極管精細化程度越來越高，當單位像素的面積越來越小的時候，噪點、雜色等問題也隨之被越來越大的還原出來，從而極大程度的影響了較終的成像品質。

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　　“高分辨率”和“高感光度”在當今業內被始終認為是一對無法同時解決的矛盾，將這兩方面同時在一塊圖像傳感器上做到完美的優化是一個急需解決的難題，特別是對于那些擁有面積非常小的圖像傳感器的緊湊型數碼相機來說更是一道難以逾越的鴻溝。

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　　圖像的品質取決于被攝目標。優秀的低光照片需要超高的感光度；高反差的照片需要超寬的動態范圍；而詳盡的細節，比如樹葉、模特的發絲細節則需要超高的圖像分辨率。

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　　富士膠片的工程師們開始著手于研制出一款具有超高“靈活性”的圖像傳感器以滿足攝影師們的要求。而其研究的較終目標就是能夠生產出一款能夠類似于人的眼睛般工作的高性能圖像傳感器。場景里色彩、感光度上的極其細微的差別變化都將是我們的傳感器研發工程師所需要去面臨的挑戰。EXR傳感器本質上是一款可以“切換”工作方式的圖像傳感器，切換它復雜的電子工作模式以適合當前的拍攝目標，切換它的感光特性以適合攝影師的要求，而不需要象以往一樣為了實現畫質各方面因素的平衡而采取折中的會損傷整體畫質的方法。

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　　“Super CCD EXR”是富士膠片較新推出的一代Super CCD。許多年以來，富士膠片所推出各代Super CCD備受贊譽，如擁有超高分辨率的“HR”CCD（F50fd,F100fd），如擁有超高感光度/動態范圍的“SR”CCD（S3 Pro，S5Pro）。而未來的研究發展方向則是將HR和SR完美的結合起來，從而生產出一款能夠適合所有高品質影像攝影的圖像傳感器。

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Super CCD EXR技術

Super CCD EXR相比先前的Super CCD有三大方面的改進：

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1. 全新的色彩濾鏡排列方式
2. 全新的像素合并方式
3. 全新改進的電荷累積控制方式

	原先的CCD	CCD EXR
圖1）Super CCD EXR結構	圖2）原先的和EXR色彩濾鏡排列方式的對比

微透鏡
色彩濾鏡
光敏二極管

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1、EXR：“像素對”技術實現超高感光度和超低噪點

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　　以往通過加強單位像素的增益以獲得高感光度的方法會導致噪點的大量增加，而通常的降噪方法更會導致圖像模糊的產生（畫面銳度的損失）以及分辨率的下降。而目前實現高感光度的另一途徑則是，通過像素合并技術以獲得低噪點的圖像信號。但是，傳統的像素合并方法（沿著水平或垂直方向合并）會因為處理相同顏色的像素點之間的間距而導致錯誤顏色的產生，而抑制這一現象的結果就是圖像銳度的大幅下降。

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　　EXR改變了色彩濾鏡的陣列方式。這樣兩個處理相同顏色的相臨像素點就會被完美的合并而做為一個像素工作。在這種設計之下，圖像信息（光信號）的捕捉就達到了雙倍效果，感光度也隨之達到了原先的兩倍，而“暗部噪點”則極其少量。因此，在實現超高感光度的同時伴隨超低的噪點成為完全可能，以此取代以往通過提高增益而導致噪點大量增加的方法。

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圖3）EXR的高感光度/超低噪點技術原理圖

　　另一個困擾傳統像素合并方法的問題在于處理同一顏色的像素之間的距離。一旦水平方向或垂直方向的像素被合并之后，由于兩個像素之間的間隔較大，且其中還間隔著處理其他顏色的像素點，結果就會導致錯誤顏色的產生，從而使較終圖像上產生雜色。Super CCD EXR上所擁有的引以為自豪的相臨斜向像素對能夠非常有效的避免這一問題，完美的實現相臨像素的合并，以獲得同時具有高感光度、超低噪點和銳利異常的照片。

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2．EXR:“雙重捕捉技術”實現超寬動態范圍

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　　Super CCD EXR采用非常靈活和高精度的曝光控制同時對同一場景進行兩次拍攝：一次以高感光度而另一次以低感光度進行拍攝。然后將兩次拍攝的效果合并較終獲得完美的高寬容度效果。

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　　以前，富士膠片采用過兩種方法以提高照片的動態范圍。

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　　第一種是Super CCD SR。通過采用基于銀鹽膠片原理的“雙像素結構”，“S像素”擁有更大的采光面積以獲得高感光度，而“R像素”的采光面積較小以獲得更多的亮部細節。這種特殊結構使得Super CCD SR能夠達到4倍于普通CCD的動態范圍。

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　　第二種則是基于Super CCD HR，暗部的細節層次通過圖像處理引擎提高感光度而實現還原，而同時高光部分的曲線也被調整到較佳以還原出更多的層次。

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　　類似于Super CCD SR,全新的EXR傳感器采用的“雙重曝光控制”通過控制不同的曝光時間（電荷累積時間）以實現不同的感光度。在這種嶄新的結構中， “A”和“B”兩組捕捉通道“先后”同時工作，較終“A”和“B”兩組通道所采集的圖像信息合并并生成較終圖像。這種電子控制使圖像捕捉實現了對高光和低光細節的全面捕捉。與SR所不同的是，單位像素點的尺寸大小是完全一致的，這就意味著EXR在寬動態范圍方面的潛力超越了SUPER CCD SR。

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通道A
　　　　　　　　　高感光度數據
通道B
　　　　　　　　　低感光度數據

圖4）EXR的超寬動態范圍技術原理圖

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3．EXR：“精細捕捉技術”實現超高分辨率

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　　Super CCD EXR所擁有的特殊結構在全像素輸出的時候結合新一代的自然影像處理引擎實現了超高的圖像分辨率品質。雖然EXR已經被設計成特殊結構以實現具有超寬動態范圍“雙重捕捉”技術和超低噪點的“像素合并”技術，但由于采用了極其先進的色彩濾鏡和光電二極管設計方式，使之絲毫不影響達到以往1200萬像素Super CCD所能實現的超高分辨率水準。當環境光線非常好甚至需要拍攝畫面的詳盡細節的時候，EXR在完美拍攝出風光和建筑物的同時，也能將人像攝影中衣物、發絲和首飾的每一處細節淋漓再現。

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　　EXR：未來

富士膠片決心盡較大努力將數十年以來在專業膠片上的深厚積淀應用于其圖像傳感器之上。數碼相機的發展至今才十年有余，富士膠片有信心能夠象在傳統影像上所做到的一樣為“完美成像質量”而不懈努力。

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　　隨著EXR的誕生，富士膠片選擇了一個明確的研究方向以代替以往分別實現高感光度和高分辨率的途徑。富士膠片將會陸續的將這款圖像傳感器應用于其高品質的數碼相機之中，并熱切的期望那些攝影愛好者能夠在不久的將來看到他們從來不曾見過的完美成像品質。