第二章 数码摄影简史

第一节 数码摄影的诞生

一、数码摄影的工作原理

同传统的胶片摄影一样，景物先是通过镜头成像在相机后部的焦平面上。但承接它的不再是密布着银盐感光材料的胶片，而是“图像传感器”。在图像传感器的表面，密布着大量的能把光信号转变为电信号的光电半导体元件，每一个点被称为一个像素，如果某一款相机是800万像素的，则意味着其图像传感器表面有800万个光电半导体。这个能把光信号转变为电信号的光电半导体材料构成的光敏元件，是数码照相机非常重要的部件，在很大程度上决定着数码相机的档次和质量。其具体的种类有很多，我们最常见的是CCD和CMOS。CCD是英文Charge Coupled Device的缩写，译为“光电耦合元件”；而CMOS则是Complementary Metal Oxide Semiconductor的缩写，译为“互补型金属氧化物半导体”——作为光电半导体，它们的作用是一样的，都是把光信号转变为电信号。在被摄景物比较明亮的部分，产生的电荷量会比较多，而黑暗或相对暗淡的部分，产生的电荷数就比较少，从而可以很成功地表征出景物的亮暗情况。

景物的色彩又是如何来反映的呢？数码图片千变万化的色彩由基本的三种色彩信号混合而成。如图2-1所示，光线进入相机后被分为了三部分，分别由表面覆盖着红绿蓝滤镜的光电半导体感光，从而使得光电半导体进行了分工，一片只对红色的光进行光电转换，而另两片则分别只对绿色的光和蓝色的光进行光电转换，于是，景物投射在每个像素点上的色彩和亮度情况被记录了下来。三路电信号分别表征景物的红绿蓝三色光的强度，通过后面电路的计算和混合就可以成功地还原出真实且丰富的色彩——这就是3CCD数码相机色彩处理的基本情况。

实际上，为了节约成本，普通消费者使用的普及型数码相机往往只有一片CCD，其红绿蓝色彩又是如何分别表征的呢？聪明的科研人员经过不懈努力，发明了“马赛克技术”。由于数码相机图像传感器上感光元件的数量非常之多，完全可以让其中一部分负责感蓝光，一部分负责感绿光，另一部分负责感红光。尽管在感红光的那一个像素部分，景物中的绿光和蓝光成分不能得到直接表征，但其完全可以通过相邻的感绿和感蓝像素部分所获得的绿、蓝电信号的强度来推测该感红像素点大致的绿、蓝情况。这一过程，通过数码相机内部的微处理器便可以成功实现。很显然，数码相机的软件编制或者说“算法”对这一过程的意义是非常重要的。同样质量的CCD，因相机软件的“算法”不同，获得的画面色彩和细节是有区别的。

这些表征着不同色彩、亮度的电荷，紧接着来到的地方是数码相机的模数转换元件。在这里，根据电荷的情况，每一个像素都被赋予了相应的特征值。这个特征值，是用数字化的方式来记载的。它不仅要表征该像素点的亮暗，还要表征该亮暗程度究竟是由红色光引起的，还是由绿色光或者蓝色光引起的，还必须附带着地址信息，否则就无法还原了。经过了这一关，我们才真正得到了数字影像信号。

剩下的工作，就是把获得的数字信号保存下来。相机里负责保存这些信号的元件叫存储设备，具体有很多种，我们后面会专门介绍。在保存前，相机内部往往有一个叫作“内存”的缓冲区，如同一个酒店的大厅，在把已经数字化了的图像“客人”派到房间里去保存前，它们都需要经过这里。很显然，这个大厅，即数码相机“内存”的大小及其工作效率，对整台相机的工作效率有明显影响。此外，如前所述，数字图片的数据量往往是非常大的，如果直接记录，所占用的存储空间就会太大。为了解决这个问题，数码相机里往往还设置了专门的数字信号压缩处理模块，对文件进行适当的压缩处理。不难看出，数码摄影带来了宽广的后期处理空间。

同传统胶片相机不一样，数码相机不需要经过后期冲洗就可以获得图像，具有“即拍即显”的特点，能把获得的图像信号直接传输到外部显示设备上，如计算机、电视机等，甚至直接连接到打印机上打印出照片或幻灯片等。因此，数码相机与传统胶片相机比较大的不同点就是，它还必须有适当的输出线路和接口。另外，为了可以立刻观看拍摄的效果，数码相机往往会比传统相机多出一个显示器。当然，还有相应的控制电路、软件、微处理器及操作界面，等等。

二、数码摄影的诞生

摄影史上的每一个进步都是有的放矢，应需要而诞生的。数码摄影的出现当然也是科技力量和客观需要的共同结果。20世纪四五十年代，人们已经掌握了比较成熟的电子成像和视频磁记录方法。1957年10月4日，苏联发射了人类历史上第一颗人造卫星，从此人类进入了太空时代。同时，如何把卫星拍摄的图像发送回地球便成了一个必须解决的问题。早期的人造卫星将其拍摄的图像转换成电子编码后，以无线电的形式传送给地球上的接收装置，计算机对接收到的编码进行处理后将之重新还原为影像。这大概可以算作最早的数码摄影系统，至少这样的图像转换思路和程序，无疑是现代数码摄影的先祖。事实上，数码摄影最初的发展也主要是由从事宇航研究的科技人员来推动的。20世纪60年代，在宇航员登陆月球前，美国国家航空航天局（NASA）发射了一些探测器到月球上，以摸清月球表面的情况，这些探测器使用模拟信号将信息发送回地球。NASA的技术人员发现，模拟信号的传输强度非常弱，根本无法与自然信号源相比，而当时的电视接收器也无法对月球发回的信息进行解码，因而NASA技术人员只能寻求其他方法来增强信号，使图像清晰化。于是模拟信号由计算机处理后转变成数字信号，而信息中影响图像质量的噪声和不足也尽量被清除了。这就是最初数码图像的应用。紧接着，20世纪五六十年代的冷战进一步加速了数码成像技术的发展，其中，大部分都是使用在间谍卫星的图像拍摄系统上。

数码摄影的思路来源于电视摄像技术的发展和人类探索太空的需要，与现代数码摄影紧密相关的光电半导体元件，即图像传感器，是由美国贝尔电话研究所作出了最初的卓越贡献。1969年10月17日，该研究所的鲍尔和史密斯向世界公布了他们的新发明，一个可以把“光”信息转换成“电”信息的装置，这就是最初的CCD元件。为了抢占先机，那些富有远见的影像企业从此开始了对数字成像技术，尤其是感光元件CCD质量一轮又一轮的升级换代和开发研究。毕竟静止图像和动态图像之间还存在着很大的区别：动态图像要求的像素相对较低，由于是在电视屏幕上连续播出，画质稍差一点也不容易看出来；但是对于静止图像，需要放大成照片，像素太低，质量稍差一点，都会立刻被发现。同时价格也是一个问题，如果不能实现更低成本，那根本就无法与传统的胶片摄影进行角逐。勇于探索的人们是不会害怕困难的，在数码影像的研发道路上，他们努力克服着一个又一个的困难。

1972年索尼公司的一个研究人员用64像素的CCD显示出来了粗糙的字母“S”。在当时，CCD只能算是实验室里的东西。按照当时的技术水平，要运用大规模的集成电路技术、完美无缺地在一个集成块上生产具有10万元件以上的CCD，几乎是不可能的。经过艰苦的努力，索尼公司于1973年11月正式开始了“电子眼”CCD的研究工作。不断的技术积累使得索尼公司于1981年推出了全球第一台商品化的不用感光胶片的电子相机——静态视频“马维卡（MAVICA）”。该相机使用了10mm×12mm的CCD薄片，分辨率仅为570×490（27.9万）像素，将光信号改为了电子信号进行传输，并以模拟信号的方式存储在磁盘上。一磁盘可以存放约50张照片，并且对磁盘上记录的图像可以进行删除和重拍，也可以通过视频连线直接在电视机上播放，或通过扩印机印放出照片。这就是当今数码相机的雏形。此后数码相机便成为了各大厂商关注的焦点。1984—1986年，松下、富士、佳能、尼康等公司也纷纷开始了电子相机的研制工作，相继推出了自己的原型电子相机，数码相机的竞争开始爆发。

在商品化数码相机诞生之前，必然还有更多艰苦的研究工作和精彩的研究成果。实际上，早在索尼商品化的磁录摄影机MAVICA（Magnetic Video Camera）之前六年，世界上第一台数码相机就在美国柯达应用电子研究中心诞生了。图2-11中，数码相机之父赛尚（Steven J. Sasson）就正抱着他一生都可以引以为豪的1975年发明的名为“手持电子照相机”的原型机欢笑呢。如大家所看到的那样，该照相机非常笨重。照相机宽20.9cm，厚15.2cm，高22.5cm，重3.9kg，拍摄的时候需要16节AA电池供应电力，而存储介质则采用了标准300英尺（1英尺=0.305m）的飞利浦数码磁带。曝光时间为1/20s，记录一张影像需要23s，每盒磁带可存储30张照片。相机通过拥有10 000像素（按100×100的阵列排列）的CCD拍摄影像，每个像素占4个位——由0和1组成的四位数组合，表示照片中的每一个点。一旦拍摄完毕，影像便会经过数字化处理并存储到相机中的内存缓冲区。从这里，照片进一步被记录到更具永久性的存储器内，以便从相机上取下进行播放。尽管按赛尚自己的话来说，这个“古怪”的同时也是伟大的发明是“只不过想做一个试验”的结果而已。但他们已经在官方的研究报告中对未来数码相机的发展前景做出了大胆的预言：“随着技术的进步，摄影系统必将对未来的拍照方式造成实质性的影响。未来的相机可以被想象成是一种能在光照条件极差的情况下拍摄出彩色照片的小型设备。那时的照片将存储在一种磁介质内，一种非易失性、稳定性极佳的存储器，可从相机内取下以进行播放。这种照片的分辨率将至少相当于现在的110胶卷。声音也可同影像一并录下，以增加照片的诠释性。电子形式的照片经稍做修改或不做修改便可通过现有的通信渠道发送出去……照片将保存在胶卷、磁带或视频光盘上，并且相机存储介质将可重复使用。”

20世纪80年代，各厂家在索尼“MAVICA”静态视频相机的刺激下，纷纷开展了大量的与数码相机有关的技术研究，包括CCD像素和质量的提高、彩色成像传感器的发明、彩色滤镜阵列的研究、图像压缩技术的开发和改进等诸多决定数码相机发展和生存的关键技术。据称，在这一阶段，仅美国柯达实验室就产生了1000多项与数码相机有关的专利，不少至今仍在广泛运用。很显然，这些研究奠定了我们今天所见到的数码相机的基本架构和发展基础，让数码相机一步步走向成熟。在这些研究的基础上，各厂家和研究机构纷纷推出了自己的原型机，有的甚至还推出了一些商品化的机型。比如1988年，富士与东芝就在德国科隆博览会上，展出了共同开发的使用闪存卡的Pujixs数字静物相机“DS-1P”。在这前后，富士、东芝、奥林巴斯、柯尼卡、佳能等相继发表了数字相机的试制品，如：佳能RC-701、卡西欧VS-101、富士DS-X、东芝MC2000等。这些产品的推出大大刺激了大众的好奇心，“不需要感光胶片，相机同样可以记录影像”成为了当时最热门的话题之一。不过由于这些试制品造价昂贵，体积庞大，不利于普及，大多数消费者当时还是把数码影像作为一项高科技新异产品来看待的。