【原】通俗说法所谓数码相机的“动态像素”和“静态像素”背后的故事

 

疑问：我的手机，拍照片时候分辨率达到2500多×1700多，录视频时候确是640×480。为什么差距这么大？

关键字：动态像素，静态像素，数码相机，DC，DV，CCD工作原理，CCD结构，RGB差值补偿算法，RGB三次曝光设计

动态像素这个概念，或者说动态有效像素。我在百度上查，根本查不到权威说法。笔者削微懂了点硬件电路布线，CCD结构及其数据传输过程。觉得动态像素的概念是销售商限于通俗的要求，妥妥地忽悠了一把广大消费者。

CCD的结构（和CMOS差不多，可以一起理解） 和工作原理

CCD和CMOS感光的原理无外乎是将光信号的强弱转化成电信号的强弱，然后通过ADC转化成数字信号。CCD由光敏元件阵列（矩阵）和读出移位寄存器组成。最外层的数字接口，一般数据宽度不会超过32位。CCD上有好几百万个感光点，甚至多大1000多万个，但是这些采集到的信号只能一排一排的读出来。而最后只能通过32位的数据线传出来。

简单说，CCD分为三层，第一层是采光曾，把光线聚拢，提高采光率。第二层是分色滤镜，把白光分成RGB或者CMYK。第三层是感光层，每一个感光元件对应一个像素。

为什么要有分色层呢？因为感光元件只能感受光的强弱，不能分辨颜色，所以用滤镜把光分成三原色再感光。这样，每一个像素同一时刻只能接收一种颜色的光。但是这样，拍出来的图片不就不真实了吗？没错，但是科学家们发明了一种RGB差值补偿算法，让每一个点跟它周围的另外两种颜色的点做运算，把其他两种颜色的光也算进来，这样，每一个点都变成正常的光，显示出来也正常了。这样做，牺牲了分辨率，因为“偷”来的颜色毕竟不是在那个位置曝光得到的，所以像素数量要除以3。所以现在所谓的1600W像素的数码相机，实际上都是500W万纯粹的有效点。怪不得数码相片放大到100%大小，都是模糊的！而缩小到30%之后再看，噪点也几乎没了，图像也清晰了。这就是原因。

有一家公司制作出了4500W像素的相机，原来他是用三次曝光，分别取RGB三种颜色，然后叠加出来的，这样1500W像素的CCD感光三次，然后用差值算法，弄到4500W的尺寸，何必呢？但是人家为了跟以前那种同台竞技，也许就是懒得解释那么多。

原理说了那么多。现在大家也该清楚，没有所谓的静态像素和动态像素。相机的工作过程就是：

①曝光，采集数据，把数据通过CCD传输到高速缓存

②CPU把数据从高速缓存读出来，做RGB差值补偿处理（也可以通过专用电路完成）

③压缩成JPG，PNG，RAW格式，放到内存，然后再传出到高速缓存

④最后由高速缓存转储到SD卡。

也就是说，CCD上所有的感光点，都经过了曝光，都产生了对应的数据，207W像素就可以达到1920×1080P高清画面。

那为什么以前600万像素的数码相机，录像时候只有640×480大小的画面呢？这个原因在于当时的硬件电路和cpu处理不过来，只能少传过来一些数据，图像尺寸小一些了。现在可好，一个500万像素的IPhone4，居然就1080P录像，原因是cpu足够快，而且有硬件H264编码器协助处理图像。但是人家销售商懒得解释那么多，所以出现了动态像素的概念，起个新名词，忽悠大众。

①从性能方面讲。设想，一个1080P是207万像素，RGB方式存储，是6MB数据，但是每秒钟要处理30幅图像，这一算下来就是180MB的数据，而且要压缩成MPEG4或者H264，以前是3GP。光用CPU处理是不行的，需要硬件编解码器协助处理。以前100MHz的处理器，是根本啃不动的。现在IPhone4是1GHz处理器，还是相当给力的。H264视频编码是非常复杂的，S帧，P帧的获得是需要前后存储十几幅图像做比较的，对内存的大小和CPU性能要求非常高。酷睿i7都达不到要求，所以要有硬件解码器的支持。

②从原始数据传输方面讲。CCD和系统总线之间的数据位宽，我想对于这种小型设备而言，8位的位宽已经极其奢侈。1080P的30FPS视频流，带宽是2MB×30×3 = 180MB/s，在八位位宽下，需要频率180MHz。对于小型设备的电路板布线，180MHz已经很难做了。

③从视频存储方面讲。以前手机上的TF卡写入速度也就2MB每秒，只能录制分辨率极小的那种3gp格式视频。现在SD卡10MB每秒的很多，存储经过H264压缩的视频，速度上还是能够达到要求的。

 

所以，综上所述。处理速度的局限性才是录像分辨率如此之低的最根本原因。

 

P.S.笔者最近参与了Android平台H264硬件编码实现摄像头图像经过网络传输的项目，以及使用千兆网不压缩传输1000×1000像素30fps视频流的项目。遇到了最上面提到的问题，才写出了这篇日志。并非内什么。