【相机知识详解】9/10 CMOS图像传感器知识补充

        本篇文章包括简要介绍摁下快门后CIS曝光的全过程、像素位移技术以及信噪比对画质的影响（即为什么“底大一级压死人”）

如未了解过前面的相关知识，建议先看一下之前的文章

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CV9177067   前言
CV9266076   基础篇（上）
CV9340341   基础篇（下）
CV9377605   手机中的算法
CV9518899   杂项
CV9529972   CIS的大致组成
CV9769773   CIS速度的影响因素与结构
CV9843413   快门的种类与优劣

一、按下快门后发生了什么？

        首先，光线进入镜头内，通过光圈和打开的快门后照射在CIS上。而后，先被红外滤光片滤除波长长于红外的光，再被OCL汇聚，穿过CFA，光子在像素上的光电二极管上发生光电转换，产生的光电子进入势阱，势阱存储电子（电子的多少代表了这一像素对应位置对应颜色的光的强弱）。

        曝光结束后，先经每个像素内的电荷电压放大器（CVC）放大，将势阱内的电子转换为电压信号，后由程控增益放大器（Programmable Gain Amplifier，PGA）对电压信号的强度进行增益到原生ISO的水平，再由ADC将这一模拟信号转换成数字信号。读出的信号经预处理后传输至ISP进行处理形成最终成片。 

二、像素位移多重拍摄

        俗称“像素摇摇乐”。严格的位移要求传感器配备IBIS。

        在拍摄时，CIS每次移动半个像素（或1个像素），共计拍摄16张（或4张）图片，合成为一张色彩信息完整且分辨率为先前4倍（或单纯补全色彩信息）的图片。

        拍摄过程中，相机必须十分稳定，且被摄主体必须严格不发生改变（不移动、亮度不变、颜色不变等等）。

        当全画幅60mp的α7R4拍摄4张像素摇摇乐仅单纯补全色彩信息时，其画质已经高于100mp拜尔排列的中画幅GFX 100拍摄的单张照片，也可见颜色信息的缺失对画质的影响之大。（当然，GFX 100也可以摇摇乐）

        在手机上，由于其使用者人群的特点，不可能将手机架在三脚架上，被摄主体也不可能不移动，因此可以通过算法实现“手持摇摇乐”，利用拍摄者手部的抖动来补全色彩信息。这种方式可以提升照片的分辨率，但效率和效果远不如上述相机的方式。Olympus的m43画幅相机也可以用类似的方式进行“手持摇摇乐”。

三、信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR）

        拍摄图像时，噪点多的根本原因是进光量不足。

        日常生活中拍摄时，产生噪点的噪声主要来源于CIS的读取噪声和环境中的散粒噪声。

        读取噪声在前面的文章中已有介绍，它主要影响的是画面中受光量极少的部分的画质。

        散粒噪声的数量与进光量相关，大约是进光量的平方根。即进光量越大，散粒噪声越大，但是噪声在其中的占比会减小。它主要影响了画面中受光量较少的部分的画质。

        信号总量（即进光量）与噪声的比值称为信噪比。信噪比越高，图像的质量越好。

        现在重新来看等效ISO这一概念。它的本质原因是不同大小的CIS在曝光量相同（即曝光三角的乘积相同）时，假设曝光时间、视场角、光圈相同，那么光圈的孔径不同。大尺寸CIS的光圈孔径更大，因此进光量更多，信号总量更大，信噪比更高，曝光时间不同时的进光量也同样如此。而等效ISO相同，就是在保证二者的进光量相同，因此信噪比相同，画质相同。

        更深一步讲，这是等效光圈的效果。小底无法做到很大的光圈，所以进光量受限。

        降低原生ISO在部分情况下可以变相提高进光量。也正是因此，Nikon的D850由于具有原生ISO64，而被成为“风光神机”。

        所以，“底大一级压死人”的原因，就是因为底大，所以进光量可以更大。

目录：

下一篇（补充2）讲解双原生ISO技术与双增益转换技术的区别

将于2.24发布

        我不是专门学这个的，这些知识都是我在购买相机前，以及个人兴趣从网上的文章中学的，结合自己的理解写的这一系列的文章。或因为原文章本身有误，或因为我的记忆或理解出现差错，不能保证文章的内容都是正确的。如果文章中有错误，可以在评论区指出或私信与我讨论。