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論感光元件與高感光度

說到這個就要從CCD與CMOS這兩種感光元件的特性與發展過程來作探討。
Canon僅第一代EOS-1D使用Panasonic生產的4mp CCD,之後自EOS D30開始,就清一色全部使用CMOS。Nikon,KM,Pentax早年均使用Sony CCD(僅D2H使用Nikon自行設計的CMOS)。

一般人其實對這兩種感光元件不會去研究,但卻只想同時擁有兩種感光元件的優點,卻又不想承擔任何一種感光元件的缺點....

CCD的特性是光線穿過鏡頭後大部分都可以到達CCD,CCD比較不需要大幅仰賴數位類比轉換器運算,畫質細膩、在立體感、層次、階調、色彩上均較CMOS佳,使用一定時間的CCD機身使者轉換到CMOS的機型後,往往都有一個結論,就是CCD比較銳利,但CCD因為沒有持續改良,因此高感光度雜訊就沒辦法處理到很低,在6mp時期,CCD機種的畫質就可以發現比CMOS好,只是機身處理雜訊只能靠大力抹除,結果就變成jpg很軟不堪用,講究的使用者會拍raw檔並搭配Noiseware等專業軟體降低雜訊,方可獲得較佳的高ISO圖片。

CMOS因為構造的緣故,光線穿過鏡頭後只有一半能到感光元件,那另一半要怎麼辦?就必須大幅度依賴A/D去「算出來」。CMOS就不具備前述CCD的優點,但高ISO就比較好處理,且在Olympus E-330首創DSLR即時預覽(live view)後,在消費者持續要求要高ISO及live view的訴求下,廠商也以這兩點做為新產品的賣點,就在這種交互作用下CCD在一般的民用市場裡就只能式微了,只剩120系統仍然有持續發展。(因為像645D為例,鎖定的顧客群是婚紗、商攝與工作室,這些行業都很重視不用經過大量加工又擁有大量資訊的高畫質影像,這些行業也不會把高ISO看得像一般人那麼「嚴重」)

CCD還有一個特點,就是不論片幅為何都只能做到1.3X,EOS-1D就是APS-H的CCD。比例大於1.3X,就會因為嚴重的邊角失光而有問題。早期Contax N Digital使用1.0X的35mm飛利浦 CCD,但聽前輩講代理商內部都私下承認畫質有不少問題,如果搜尋相關文章,雖然沒有具體的討論,但也可以發現有因為要減少邊角失光,而最後的版本像素變低。而近年Leica M8仍為APS-H,到M9達成35mm CCD,不過這也是依靠A/D運算才能達成的。M9也有一個特點,就是雖然Lecia宣傳修改微鏡頭改善入光,讓Leica鏡頭在M9上可以獲得與在底片上相同的表現,但資深的Leica使用者都可以發現M9已經不是Leica在底片上的調性了。而Pentax 645D一樣是1.3X,120市場使用CCD的機種目前沒有1.0X,故轉向CMOS也是為了鄉民非35mm不可的一項重要因素。

在6mp的時代,CCD除了高ISO必須靠raw再處理之外,畫質上有些比較資深的使用者做過比較均發現是CCD較佳。但Sony的CCD從6mp到10mp,製程上並沒有改良,像Canon從6mp到8mp, 8mp到10mp,10mp到15mp,再到18mp,每一代CMOS都會加大微鏡頭(macro lens)的開口率,讓像素增加的同時開口率可以維持與前代相同,因此維持前代的雜訊水準。Sony沒有這種改良,因此10mp第一款A100嚴格來講只能開到ISO400,ISO800就慘不忍睹了,其他後續的機種是ISO800 ok,但ISO1600就不能用了,不像6mp的機種是ISO800畫質不錯,ISO1600如果光線條件好的話也還堪用。在10mp CCD之後,Sony一方面推出12mp CMOS,另一方面也推出14mp的CCD,但Nikon與Pentax均無機型採用。

因此在K20D時期,身為專業預備機的K20D作了不同的嘗試,不用Sony 12mp CMOS,與三星合作開發14mp CMOS。業餘機K200D與入門級K-m使用10mp CCD,K-m雖然最高感度恢復到6mp的ISO3200,但ISO1600與K200D相比是否真的有達到堪用水平這點不無疑問,但筆者沒有去追蹤這點故不細究。

K-7仍然採用14mp CMOS,不過為了高速連拍所以使用的是四通道的版本。同時期產品線簡化至兩級,入門機K-x則是使用12mp CMOS,這相較Sony與Nikon來講算很晚了,主因是此時這塊CMOS的價格已經降低,可降低機身成本。

當時代的天秤由CCD倒向了CMOS後,此時人們變成也只會比較高感度畫質了......

K-7與K-x在Pentax網路社群中成為一個鮮明的對比,K-x被捧上了天,K-7被嫌棄如敝屣,fans club看多了讀者還有可能被洗腦以為Pentax真的腦袋壞掉了,入門機畫質都比專業機好?

事實上,Pentax在K-7剛推出之時,Dpreview上就有熱烈的討論,其中一篇是K-7 vs EOS50D,後者比前者多一百萬像素,到後來又有K-7 vs EOS7D的版本,後者比前者多四百萬像素!這個版本如下列連結:
forums.dpreview.com/forums/readflat.asp

K-7與EOS7D同級,EOS7D推出時間晚於K-7。這個連結可以發現ISO1600時K-7細節較多,甚至連ISO100 K-7細節都勝過像素較高的EOS7D。

這很明顯可以發現到,EOS7D「抹很大」,所以才會有這種結果。筆者看了一些說K-x高ISO如何棒的討論,發現K-x與K-7同樣在高ISO雜訊抑制設定於預設值時,K-x已經明顯損失細節,換言之K-x的畫質比較純淨是以犧牲細節換來的,並不是像網路上多數人認為的那樣是K-x高ISO真的比較好。

其實入門機高ISO抹得多,專業機抹得少,這算是很正規的設計思想。但現在的攝影人很多已經沒有經歷過底片時代的歷練,拍底片的人就會知道,ISO1600不論是正片還是負片沒有一款可以顆粒和ISO400底片一樣細,甚至是富士前幾年用最新技術推出的Natura1600負片也是一樣(許多數位起家的人就不能接受這種程度的顆粒)。不過這種狀況很多人不知道,底片顆粒內也是包含細節,正片用幻燈機投影,負片用光學放像的話顆粒都不會很明顯,但掃瞄成光碟在電腦上看數位圖檔的人就不會這樣想,只是底片設計就不是這樣用的,這是數位時代才變成這樣使用。同樣地,筆者過去的經驗就曾發現,富士正片顆粒雖然比較細,但層次卻不如看起來顆粒較粗的柯達正片,只是底片時代同樣也是很多人只以「顆粒細」為唯一......

而到了K-5,一般人普遍認為與K-7相比高ISO真是彷彿「從地獄進了天堂」(不過請記住K-7與K-x的畫質關係筆者前面已經釐清過了),以下這個討論
photofan.jp/camera/html/modules/newbb/viewtopic.php

編號第[76077] 篇中有K-5與三星NX11以NR預設值拍攝的原圖
K-5
www.flickr.com/photos/adilin/5694392464/sizes/o/in/photostream/
NX11
www.flickr.com/photos/adilin/5694395636/sizes/o/in/photostream/

NX11使用的正是K20D/K-7這款14mp CMOS,在Pentax不用之後只剩三星自己繼續使用。

可能是因為使用自動對焦拍攝的關係,兩張照片的焦點並不相同,但可發現跳跳虎從臉部到耳朵K-5的細節都明顯較少,倘若讀者覺得因為焦點不同景深有差,不適合這樣比的話那還可以看跳跳虎的鼻子,或是屹耳的耳朵紅色的部分。過去EOS7D與K-7 相比的狀況今天再次在K-5與NX11上出現,可以瞭解到三星對雜訊的處理方式與K-7相近,就是不用大力抹除而盡量保留細節。

Olympus在E-3的時候針對紅綠雜訊加強處理,保留亮度雜訊,這樣就會有如底片般的顆粒感,Nikon D300,Pentax K-7也都是走這種方式。只是很多數位使用者不願下功夫去瞭解這些,所以最後還是要求「乾淨至上,細節不重要」的結果,因此Pentax也只好「順應民情」K-5也開始大力抹。由前面的照片可以得知,縱使K-5在測試上高ISO是數一數二的,在NR預設值的情況下雖然看起來順眼,但細節已經比14mp少,不過沒辦法,不「順應民情」就很難活下去。到是若K-5 NR off與K-7 NR off相比若細節有比較多的話那對細節優先的使用者來說沒有影響,這個部分讀者有興趣的話可以參考dpreview做交叉比較。

高感光度雜訊的部分前面引用的網站中ADI有提到對色彩還原的部分,這其實也是一般人很在意的一點。但實際上超過ISO800就要大量依靠A/D運算,電子技術好的廠商當然也能處理的不錯,但這點說穿了如果情況允許使用腳架,絕對還是用低感度「色彩的飽和度」會最好。這也就是為何前輩會跟我講不論高ISO如何,他上限通常不超過800。

最後要提的還有一點,K-7確實在ISO1600的「畫質劣化」的程度比K-5來的大,但K-5筆者在很多照片中也發現ISO1600仍有劣化,所以雖然K-7最高可達ISO6400,K-x可達12800,K-5可達51200,但說穿了都只是個噱頭而已,筆者認為K-7的高ISO並沒有網路上講得那麼差,K-x,K-5也沒有網路上講得那麼神,畢竟像素持續增加,超過一個程度時增加的雜訊就會超過細節,不可能16mp擁有16mp的細節與6mp的雜訊,本來救無法兼得,而傳聞Sony A77為24mp,APS-C片幅在Canon EOS50D時已經使用無縫技術(兩個像素之間沒有縫隙),EOS7D更進一步改良將微鏡頭薄型化才達成18mp,雖然Sony的APS-C感光元件尺寸略大一點點,但再增加6mp是否會超過這個臨界點呢?這點相當值得觀察,尤其Sony自A700開始一路下來,都以「不擇手段」的方式在大力塗抹雜訊,換言之Sony本身並不會在乎像素增加那麼多,細節卻沒增加多少的問題,反正Sony為了處理雜訊犧牲的細節就已經超多了,12mp的A700細節比6mp的D7D少,24mp的A850,跟14mp的K-7比細節也沒有優勢。但Nikon與Pentax該怎麼辦呢?跟著沈淪不擇手段大力抹雜訊嗎?

而關於CCD與CMOS這兩種感光元件,有不少Pentax用家會提出「現在CMOS下Pentax就喪失發色的優勢,就不值得買了」這種論點,但是問題就在於前面已經講過在消費者與廠商的交互作用下民用市場CCD式微是必然的,倘若K-x,K-r用得是Sony 14mp CCD,我想光憑那個雜訊還有不能即時預覽就能註定絕對賣不到現在的銷售成績,問問K-x,K-r的使用者,如果今天你的相機不能即時預覽,讓你在選一次你還會買嗎?我想至少兩成的人就會買別家了。

以筆者自己同時使用K-7與K200D的經驗,K-7其實有一項優勢網路上多數使用者都不會提到,那就是使用Sony CMOS的機身大多「中間調很豔」,K-7雖然沒辦法達到CCD的畫質,但也沒失去Pentax的發色,也沒有中間調很豔的缺點(當然一般人只會覺得很讚啦),K-7其實處理的相當不錯,既然勢不可逆,那也只能去適應而已。

附註:
1.曝光不足與光線昏暗的情況均會加重紅綠雜訊與畫質劣化的狀況,因此不管是任何機型要獲得好畫質這些狀況都要盡量注意避免。

2. Canon鏡頭在EOS-1D上的色彩和整體表現相當接近在底片上的成像,但自從改CMOS之後色彩就變成截然不同的風格,簡單講是很好看,不與其他品牌比較的話也會覺得真實(因為好看),但若與KM/Pentax/Olympus相比的話就比較不真實了。

現在一般人缺乏深入分析問題的意願與能力,因此這些CMOS在大量仰賴A/D運算後出來的結果反而被歸類成是鏡頭的本質!

而Nikon則是不論CCD還是CMOS,色彩都相當飽和,若仔細比對三原色,會覺得太飽和很假,而換CMOS後則變成「低反差」,但Nikon鏡頭本身是高反差的。



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