数码摄像机影像的心脏：CMOS深度解析

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熟悉数码摄像机的人都知道，感光芯片是DV最核心的部件，其作用相当于电脑的CPU。过去，CCD是这个位置上是雷打不动的主力，但是随着今年索尼Handycam连续推出了两款以CMOS为感光芯片的数码摄像机DCR-PC1000E和HDR-HC1E之后，CMOS迅速成为市场的热点，那么，CMOS在数码摄像机上的使用是怎么发展而来的呢？
　　HDV进入民用时代
　　今年3月，索尼公司推出了世界上第一款使用3CMOS的民用高端数码摄像机DCR-PC1000E，DCR-PC1000E采用了3块1/6英寸CMOS传感器分别捕捉红、绿、蓝三原色，分别转化成数字信号进入处理器进行保存处理。这种色彩处理系统使摄像机能够获得更好的质量，尤其是色彩还原更加出色，从各方面的反馈来看，DCR-PC1000E的总体性能与民用级3CCD的DV旗鼓相当。
　　当然，DCR-PC1000E只是CMOS应用于民用级数码摄像机的第一步，2005年7月索尼在COMS应用方面有了更大的动作，推出了迄今为止世界上最小的高清数码摄像机HDR-HC1E，HDR-HC1E有很多不同凡响的地方，它是第一款解析度达到了1080i的民用级高清数码摄像机，所谓“民用”，体现在了价格和体积两方面，首先，HDR-HC1E不到15000元，这与此前动辄4、5万元的民用专业级数码摄像机相比，这个价格显得更加亲民，让许多民间超级玩家能够有机会体会到高清影像的魅力。另一方面，HDR-HC1E的体积和重量也大大缩小，它的净重仅为680克，体积为188毫米X71毫米X94毫米,影像制作爱好者从此不用再为拍摄高清影像而搬动体积庞大的摄像设备了。当然，所有这些改变的根源，还是来自于HDR-HC1E配备的1/3英寸3百万像素的Sony CMOS，以及索尼公司为此专门研发设计的“增强型影像处理器”。
　　一切改变源自CMOS
　　 在传统观念中，CCD代表着高解析度、低噪点等优点，而CMOS由于噪点问题，一直与电脑摄像头、手机摄像头等对画质要求不高的电子产品联系在一起。但是为什么索尼要在HDR-HC1E这样的顶级民用产品的选择CMOS呢？我们还是从CCD和CMOS的不同工作原理说起。
　　CCD在工作时，上百万个像素感光后会生成上百万个电荷，所有的电荷全部经过一个“放大器”进行电压转变，形成电子信号，因此，这个“放大器”就成为了一个制约图像处理速度的“瓶颈”，所有电荷由单一通道输出，就像千军万马从一座桥上通过，当数据量大的时候就发生信号“拥堵”，而HDV格式却恰恰需要在短时间内处理大量数据，因此，在民用级产品中使用单CCD无法满足高速读取高清数据的需要。
　　而CMOS则不同，每个像素点都有一个单独的放大器转换输出，因此CMOS没有CCD的“瓶颈”问题，能够在短时间内处理大量数据，输出高清影像，因此也能都满足高清HDV的需求。另外，CMOS工作所需要的电压比CCD低很多，功耗大约只有CCD的1/3。因此,电池尺寸可以做得更小，使得摄像机的体积也就做得更小。而且，每个CMOS都有单独的数据处理能力，这也大大减少的集成电路的体积，这也让高清数码摄像机得以实现小型化。
　　

　　当然，我们不是刚刚发现CMOS有这么多优点，过去没有在DV和DC产品大范围使用CMOS，是因为CMOS确实存在一些缺陷：由于CMOS的每个像素需要单独搭配一个“放大器”，这就会带来了两个问题：一方面，在每个像素中“放大器”都要占用一定面积，这部分面积不能感光，会直接损失图像；另一方面，要让每个“放大器”的放大效果保持均衡很困难，这也会增加噪点。现在看来，在这两个问题上，索尼公司已经找到了一些有效的方法。
　　首先是工艺上的改进，索尼制造的CMOS使用了所谓“精细处理”技术，简单地说，就是把像素中的“放大器”做得更精巧，通过减少了像素中“放大器”所占的面积扩大单个像素的可感光区域的面积。如图所示：（图1）这一点不难理解，索尼似乎总有这样一项特长：把同样的东西做得更小巧，CMOS的“精细处理”技术就是这个原理。
　　

　　索尼在数码摄像机的影像处理技术（也就是所谓的“算法”）上的改进也很重要。数码摄像机工作原理是这样：CMOS感光后生成一个电信号，再把电信号转化为数字信号，再通过独特的算法把数字信号还原为图像，这其中，影像的计算处理就成了一个极其关键的步骤。索尼为CMOS感光芯片专门开发了“增强型影像处理器”，它使用了一种全新的算法，能够很好地提升HDV影像的动态范围，平衡光暗度，表现影像的层次感。所谓“动态范围”是指一台摄像机在暗处拍摄物体时候的影像再现能力，这是考察数码摄像机成像质量的一个重要标准，高动态范围可以在暗处实现原始影像真实重现和同时有很好的细节表现力。“增强型影像处理器”把原始的影像信号分离成为“图像信号”和“亮度信号”，画面的明暗处被分别优化处理，更加逼真传神，高清晰的视频信号就这样实现了。如图所示（图2）
　　

　　CMOS取代CCD？
　　随着CMOS在制造工艺和影像处理技术上的不断突破，业内对CMOS的前景预测也越来越乐观。高清数字影像的普及更是CMOS技术发展的一个难得机遇。而且，与CCD相比，CMOS的制造原理更加简单，体积更小，功耗可以大大的降低，种种迹像表明：图像传感器的领域正面临着一个重大转折，尽管从目前的状况看，CMOS与CCD图像传感器的应用市场仍然有一个分界，但这个界限似乎越来越模糊。有专家预言，随着300万像素的CMOS图像传感器的上市，图像传感器即将进入“ＣＭＯＳ时代”。