数字与胶片，两驾马车能否并驾齐驱?

近来关于数字相机与胶片相机孰优孰劣的各种争论喋喋不休，难分高低胜负也难以辩出是非高低。其实不论是传统的胶片相机还是新兴的数字相机不过是一种成像载体的不同，最终我们都要获得一个优秀的满足人类审美需求或者新闻信息传播为目的照片而已。PHOTOGRAPHY是两个词的结合，是用光线绘画的意思；CAMERA是指获得影像的设备或工具，它包括照相机、电影摄影机和电视摄像机。我们平时的照相机严格意义上应叫做固定影像照相机。

数字与胶片成像方式的对比
传统胶片照相机成像过程是基于光化学理论，数字照相机则基于光电子学理论。
照相胶片主要分为负性感光胶片、正性感光胶片和反转感光胶片三类。不论哪种类型的感光胶片，卤化银是主要的感光材料，感光乳剂中卤化银颗粒大小和颗粒度是最重要的参数之一。因为被摄景物的影像是由卤化银还原成颗粒状银所构成。在感光过程中，卤化银颗粒是单个地起作用的，每个颗粒形成潜影的一个显影单位。在正常曝光范围内，可显影的颗粒数目随着曝光量的增加而增加。感光层中卤化银颗粒最小的直径仅有50nm，大部分颗粒在0.1-4μm之间。卤化银颗粒大易感光，卤化银颗粒小不易感光。卤化银颗粒小的胶片感光度小，反之则大；卤化银颗粒越小分辨率和质感越好。在照相胶片的制备过程中，故意加入杂质并使非常小而均匀的杂质颗粒与卤化银感光乳剂非常均匀地涂布在胶片上，越均匀胶片质量越好，越均匀感光中心分布就越均匀，照片的分辨率和质感越好。
卤化银的晶体结构为正六方体。这样的理想结构是稳定的，没有光敏性，也就是不会被感光。只有具有缺陷的点阵结构排列才能造成晶体结构的薄弱环节，而这些成为感光中心的薄弱环节才使卤化银晶体具有感光性。胶片感光层曝光时，光量子作用于卤化银晶体上，卤离子首先吸收光量子，释放出一个自由电子后变成卤原子，卤原子组成卤分子后离开晶体晶格结构被明胶吸收，自由电子则迅速移向感光中心并固定下来。这样感光中心便成了吸附很多电子的负电场带电体。晶体内的晶格间银离子在电场作用下被引向电场，银离子反过来俘获聚集在感光中心的电子，结果被还原成银原子。还原后的金属银原子也被固定在该感光中心上，从而使感光中心进一步扩大，扩大了的感光中心又不断地俘获光解出来的电子，周而复始，感光中心不断长大，达到一定程度就曝光合适，这时的感光中心形成的显影中心构成影像的潜影核，潜影则是由无数显影中心构成并经过后期化学显影和定影过程形成我们需要的影像。
彩色胶片有三层感光乳剂层，在这些乳剂层里还分别含有不同的能够生成染料的有机化合物，叫做彩色偶合剂（成色剂）。它们本身是无色的，但在彩色显影时能与彩色显影剂的氧化物耦合成为有色的染料。对于负性胶片，上层盲色乳剂里所含的偶合剂在彩色显影时形成黄色，中层形成品红色，下层形成青色。这就是我们得到的经过冲洗的彩色胶片。通过扩印或放大再把影像投射到照相纸上或者是反转片的反转冲洗，胶片上层的黄色转变为它的补色蓝色，中间一层转为绿色，下层则转为红色；我们就得到了与自然状态一样的彩色照片或者透明的反转片。
CCD称为电荷耦合半导体器件，CMOS称为互补型金属氧化物场效应器件，她们都是半导体器件。它们在数字照相机中的作用是把影像的光信号转变为电信号并分别寄存起来，在外加扫描信号的作用下传输出去，最后经过各种运算转换为图像的电子档案文件。
CCD是在一块N型纯净的单晶硅上扩散一层二氧化硅，再在上面扩散一层接受光子辐射的搀杂多晶硅-二氧化硅-硅的MOS结构的相当于光电二极管作用的PN结作为感光单元，外围通过扩散不同的绝缘层沟道密布在单晶硅上，最后加上电源和控制信号引线做成集成芯片就是CCD图像传感器，因为制作过程就是这样一层一层的扩散形成，扩散不均匀的结果是各个CCD单元的电参数不均匀，整个器件就作废了，因此成品率往往很低，制约了大面积的成本，面积越大成品率越低。CCD和CMOS唯一的区别就是CCD是集成在半导体单晶材料上，而CMOS是集成在被称做金属氧化物的半导体材料上，工作原理没有本质的区别，都属于有源控制电荷输入型无增益电子器件的大规模集成电路，电荷收集元件。CMOS的集成度容易提高，工作电压低，动态参数低是所有各种CMOS与各种诸如TTL等半导体集成电路相比的固有特点，不仅仅表现在图像传感器上。不论采用何种结构，感光单元与CCD或CMOS单元集成在一个芯片上，那么CCD或CMOS单元的信号传输通道就要占据一定的比表面积，所有图像传感器的感光表面只能有一部分用作感光单元的光线接收面，其余部分还有留给CCD或CMOS单元以及元器件之间的绝缘隔离带；所以最终光电图像传感器不能像胶片一样整个表面积完全用来接收光线信号。
光线射入半导体，光子被半导体吸收，这样光学图像在CCD的感光单元上转换成为与光学图像中各相应像素上光照成正比的电荷包，每个电荷包就是图像信息，最后通过暂存区和信号读出寄存器把信号通过中央处理器进行信号处理后传输到存储器。一个好的影像传感器如果能够使得感光单元占据更多的比表面积，那么它的效率越高，再生像的准确度也越高。
CCD图像传感器利用感光单元来接受光线，对光线色彩没有识别能力。怎么让它感知色彩呢，在每个CCD或CMOS图像传感器单元的前面加上滤色片，红色滤色片只能通过红色成分光线（白色有红色成分）而拒绝其它颜色光线通过，同样加蓝色滤色镜的感光元只通过蓝色。这样蓝、绿、红有规律的严格排列，不论采用原色还是补色滤色镜，通过这种方式在所有感光单元前都加上滤色镜，再编制一个工作程序，使得照相机CPU中央处理器知道每个二极管对应的位置，这样的感光单元对应的CCD或CMOS单元就有了一个加权排列序号，输出信号不但包括色彩信息和强度信息，同时还包括位置信息，这种最后所有的加权图像信息汇总后由微处理器芯片运算得出一个模拟的图像复原图像。这就是我们所谓的插值，也是我们最后获得的照片信息。总之数字相机的色彩还原完全是根据设计者的软件编制方法模拟地把原始景物信息再现出来。
胶片由于每个点位的光线决定该点的化学物质的变化程度，相应地对应一个原像（被摄物体）的像点都会有对应的化学颗粒予以一对一的再现，因此，胶片的影像记录更加呈现数字化记录色彩。CCD图像传感器的信息是通过软件处理的方式模拟现实的，不论是积分、微分还是线形信号处理，数字相机的影像记录是对原像的数字化模拟，更严格地讲是模拟影像细节而不是完整地记录细节；胶片却是利用化学物质以颗粒为单位完整地再现影像，而不是人为地模拟。这是二者工作的本质区别。

数字与胶片未来出路之争
包括中央电视台在内的各大媒体纷纷报道数字照相机将在2008年完全取代传统相机。这是人类对技术进步和产品发展最为美好的愿望。但是数字照相机完全取代传统照相机还是在很长一段时间甚至永远都难以做到的事情。
单纯从目前照相机市场占有率来看，数字照相机将会占据绝大多数市场空间，这里面有很多利好因素，主要是有计算机的普及和计算机处理照片软件技术的推广、外置式大容量小硬盘的普及、热升华打印机的推广使用、数字照片彩扩服务业的兴起等等。还有数字照相机不浪费胶卷的费用支出、图像易于编辑加工和删除、数字照相机本身设计加工方案可以随意性的延伸和IT业新技术更加便于应用、民用数字照相机体积的缩小和小型镜头更易于加工并获得优质图像等等优势。传统胶片冲洗扩印和反复放大制作图片所造成的损害和浪费是一件令所有摄影人头痛的问题，这也加剧了数字照相机对传统照相机市场的争夺。
数字照相机与任何电子产品一样对温度的敏感性不容忽视，最佳工作环境都设定在27OC（绝对温度300 OC）左右进行产品和系统设计，拍摄环境的温度偏差和温度漂移都会影响影像的品质，如信号干扰、色彩传递等等。在极端温度下的工作可能遇到更多障碍，需要电池供电才能工作的电子产品还需要考虑能量效率，也就是考虑不同情况下能量会有一部分转化为热量而散发掉。不论是测光的光敏元件还是记录影像的CCD或CMOS传感器都有相对合理的工作环境温度，尽管新型数字集成电路的能耗已经十分小。温度过高会导致散热不畅，能耗增多且易于烧毁电路，而温度过低也同样会影响其正常工作，并且能耗也同样会成倍增加甚至死机拒绝工作。这些因素是在数字照相机使用领域不可忽视的问题，这在一定程度上必然制约其在取代胶片照相机道路上迈进的步伐。光电子器件本身属于自然老化速度偏快的元器件，这些在数字照相机使用领域是不可忽视的问题，CCD或CMOS光电传感器在制作过程中，几百万、上千万的感光单元很容易出现个别像元不工作的情况，只是这种坏点的数量不等，数量少的可以通过相机内预设程序软件的作用予以抵消，加上CCD或CMOS元器件坏点在使用过程中不可避免的增多，甚至会发生局部成片的失效现象。
从像素方面看，专业级别的小型135数字照相机的有效像素值已经超过1000万，而CCD及CMOS大小已经达到与24mm×36mm胶片相同的面积。而德国莱卡则以17.6mm×26.4mm的尺寸实现了1000万有效像素的规模，按照莱卡如此精度和传感器单元大小的尺寸计算，把CCD及CMOS做成24mm×36mm同样大小的尺寸，像素值可以达到1860万的规模,这个规模完全取代胶片十分现实可靠也可行。作为传统相机的最好成像载体，135反转片经过最好的专业扫描仪扫描获得的像素也就是2142万像素（4000DPI）或极端最高像素为3348（5000DPI）的电子图像，假如要考虑扫描过程可能损失的信息，同样像素的电子图片不如CCD及CMOS获得的电子图像更直接和不受影响，信息量也更丰富。另外，现在采用1/1.8英寸CCD的民用级别高档次数字照相机的像素值已经达到500万，尽管采用不同的制作技术和信号处理方式，但是如果按照这样类似的推断，就目前的技术成果生产出全画幅单片大型CCD或CMOS来，其像素值可以达到4000万左右，这个数字也将会成为数字照相机再难以逾越的界限。即使把CCD或CMOS图像传感器的像素提高到更高也受到镜头光学分辨率的限制，而难以发挥作用，也就是CCD或CMOS单元不会无限制缩小到3-4μm以下，小到一定程度将会失去感光敏感度和稳定性、信号太弱甚至导致光电子效应失灵，无法辨别和检出准确的图像信息。
对于中画幅数字后背，单就目前过高的研发费用和过小的市场容量来看，推动市场的困难就不容忽视。中画幅数码后背在像素信息质量和设备投资、数码存储介质的存储速度、野外拍摄的电池供应和严酷温度环境下的应用等等问题还无法满足各种摄影人的需要。就中画幅数码后背的CCD或CMOS图像传感器件的有效工作面积而言，由于CCD或CMOS图像传感器件在制作过程必须在四周留有必要的引线封装空间，目前还没有达到全画幅的水平。当然这在不断技术进步过程中会得到逐渐突破，周围留有10mm左右引线封装边长空间后问题应该逐步得到解决，可以接近或达到全画幅的程度。更大的问题是芯片加工技术，这至少在100mm（四英寸）以上的CCD或CMOS图像传感器件芯片技术获得突破以后才能够实现。这一技术壁垒在不久的将来是肯定会实现的，接下来就是图像感光单元的大小和密度，从而最终解决总像素值的问题。当然所有的技术进步必须依赖包括运算传输速度、存储容量和电池能量在内整个电子行业的发展和进步。
利用传统胶片成像并最终获得理想的照片，中间需要很多环节，任何一个环节出现问题都会最终导致照片效果发生偏差。正是这些各种偏差才在很大程度上促进了数字技术的应用普及，因为数字图像的修整制作过程借助于计算机技术而变的更加便捷。
一种好的胶片通过非常优秀的光学镜头和准确的曝光获得理想密度的潜影，必须通过根据胶片工艺所确定的化学冲洗配方和流程，加上准确的冲洗温度、反应时间和纯净的化学药物组成及纯洁水源的使用才能获得好的底片或反转片。获得底片后还要最终输出照片，冲扩放大设备的光学镜头质量、冲扩工艺流程控制和化学药物纯度及配方组分的严格浓度程度、照片相纸的质量、正确的三原色色彩还原校正程度、合理的曝光量等诸多条件最终决定照片效果质量。
上述诸多因素中任何一环出现偏差和失误都直接导致最终照片失败，因此胶片成像的优势必须靠严格的后期加工工艺和技术来保障，因而增加了胶片产生优秀照片的难度。尽管如此，胶片行业将会采取应对措施，积极提高胶片加工质量，应对挑战，研究更加切实的措施使得感光化学分子颗粒的涂布更加密集和均匀，颗粒数量更多、排列更一致，各层感光剂之间分布也会更加合理和精确，各种胶片的质量和后期加工工艺水平还会进一步提高。在特定领域，尤其是在大中画幅相机领域，传统胶片的自身优势会依然存在，全机械照相机能够长时间在酷暑严寒天气条件下应付的能力还是数字相机难以匹敌的。这在一定程度上会巩固已有的阵地，还会吸引部分留恋这种摄影方式的人们。
伴随数字照相机的普及，激光数字彩色照片冲扩放大设备应运而生。其实数字彩色扩印设备的诞生不仅仅给数字相机带来了福音，同时也为胶片影像的输出提供了划时代的发展机会，胶片影像品质在后期制作过程被弱化的现象会得到彻底改观，同样具有传统影像特点的优秀图片对于数字相机成像技术本身具有的缺憾提出了更高的要求。胶片影像记录方式的优势被后期暗房加工工艺技术的不完善而弱化，而数字相机先天成像技术的缺憾被后期强大的计算机技术而弥补。数字相机和胶片相机凭借各自的特点应该能够在未来的摄影天地里做到并驾齐驱和优势互补。

数字相机的未来技术展望
胶片的感光单元是化学分子颗粒，在胶片上以感光涂层方式分布，涂层是按照接受光原色颜色波长长短依次多层分布，每层感光层的感光单元是可以全部接收相应单色光线的，不论胶片上任何一个点出现何种光线，都有相应涂层的感光单元记录这种光线及其强度，但是图像传感器是按照矩阵排列的，所有感光单元分布在同一个平面上而不能分层布置，即使二者感光单元密度相同，胶片可以比CCD至少多二倍的分辨能力（按红绿蓝三色计算、胶片有三层以上感光层）。
上面我们已经了解了单片型CCD或CMOS图像传感器的成像原理和缺陷，那么有没有一种更好的技术方法来提高CCD图像传感器的成像效率和影像还原精度呢？答案是肯定的。那就是已经问世的广泛应用于专业摄像机的三CCD技术，三CCD 技术是利用三块CCD图像传感器分别记录红色、绿色和蓝色，这样每块CCD图像传感器可以连续的记录每种单色影像信息而不会出现单片CCD图像传感器因为在每个CCD或CMOS图像传感器单元的前面加上一个具有单一色彩的滤色片而造成某些感光单元对于其它颜色光线不工作的不利因素了。原像（被摄物体）通过镜头传过来的光线被分别投射到三片CCD的所有感光单元上，每个CCD更像是一块被确定了单一颜色的黑白胶片，这样用最后形成的红、绿、蓝三个感光单元都准确记录的单色完整图像合成为全彩色影像，效率比单片型图像传感器至少高出两倍。原理不用复述，但是它更好地模拟了胶片的工作方法，必然成为未来的数字相机的发展趋势。
还有一种技术就是只利用CCD记录图像密度而不记录色彩，从而取消了感光单元前面的滤波器，用一个可以检测光线波长也就是光线颜色的检波器只记录光线颜色，因为不同的波长就是不同的颜色，而且得到一种以往任何一种记录手段难以匹敌的准确色彩记录方式，然后与对应的CCD检测到的图像密度信号合成，这样的数字照相机或许是最完美的影像记录媒介了。
上面的推测只是基于我从半导体专业的一种单方面的愿望。要真正实现这种从理论上看很完美的摄影记录手段，还需要克服一些技术障碍，首先三块CCD或CMOS影像传感器必须参数一致，而半导体器件本身属于参数高度离散性的器件，何况集成了几百万上千万个单元器件的大规模集成芯片，如果三块传感器的像素值出现误差对于最后还原全色彩就是不完美的。还有现有的单镜头反光照相机结构由于取景反光镜的存在，会与相机内部安装用于反射和折射到不同影像传感器的多棱镜发生冲突，同时三CCD技术需要更大的占用体积，对于现有相机结构也需要彻底改变。而改变现有结构，由于镜头后截距的限制，现有镜头不能使用在未来的这种相机上。
检测光线波长的检波器件没有什么技术壁垒，但是如果加工出与CCD或CMOS面积和单元数量相同的检波器件在目前还没有发现实例，其他技术壁垒与三CCD技术有共同之处，当然我们还是寄希望于世界半导体领域的技术进步吧。


高宝昌—中国摄影家协会会员 在《中国摄影》、《摄影之友》、《中国摄影报》、《大众摄影》、《照相机》、《中国社会新闻》等报刊发表摄影稿件。
允许“中国摄影在线”直接发布。




附录：
购买数字相机需要注意的几个问题
不论你购买数字照相机干什么用，还是计划花多少钱，首先肯定要关注数字相机的像素值。那么你需要知道同样像素值的图像光电传感器，面积越大越好，因为面积越大则像素单元也越大，就越容易检出信号和信号强度。而同样面积的传感器则像素越多越好，像素越多意味着检出图像信号的精度越高，换句话说就是分辨率越高。
数字相机尤其是袖珍数字相机标注的快门速度越高意味着它的应用范围越广泛。但它的CCD图像传感器的灵敏度越高才能准确记录图像，可是如果使用镜间叶片快门的话，速度不会超过1/500秒的使用范围，它那1/4000秒的快门速度可不是真正的机械快门实现的，而是其内部的电子快门也就是控制CCD的开关电路来实现，这可与单反数字相机差了十万八千里。
购买数字相机可不要专门选购高变焦比可换镜头或带有高变焦比镜头的袖珍相机，数字相机对镜头成像质量要求比胶片相机还高，因为只有在CCD表面正确结像才能被后边的电子线路运算获得图像，否则出现的效果可就惨了。一般购买品质好的镜头或只选择3-4倍的变焦镜头的袖珍数字相机比较合算。
不论什么类型的数字相机，存储卡的容量不可忽视，存储量太小就如同胶卷长度太短一样拍不了几张照片。同样重要的就是电池容量，没有电池的数字相机面对再好的景色和美女同样是绝对罢工的。
就是同样像素值的袖珍数码相机可不是体积越小越好，体积越小越容易携带，但是镜头通经也就越小，光圈小的镜头特点大伙一般都知道，肯定不如光圈大些的好用，主要还是光线弱时，光圈越大的镜头越能派上用场。体积太小了，再高的质量它的存储卡和电池的容量也肯定大不了。用过手机的都知道这个道理。
最后一定要对准全黑色的地方拍上一张照片，如果在照相机LCD液晶显示器上看不到白点再掏钱不晚，如果有白点就说明它的CCD传感器上有不能工作的坏点或称死点，如同我们的胶卷上有个洞或者胶卷上有块脏斑一样。同样对全是白色的地方或天空拍张照片，它的LCD液晶显示器上也不应该有黑点。
上述问题解决了还要试试把快门按住，看看连续拍摄的速度。这是检查数字相机中央处理器以及整个系统配置状况的一个简易办法，如果在拍摄同样图像像素大小和存储模式的设置条件下连拍速度快表明它的大脑和各部位联系反应敏捷，否则就如同286一样技术过时或不可靠。
不要忘了它提供的驱动软件的通用性和配件的供应。当然由于电子产品的更新换代太快，考虑不贬值是多余的。