更大的像素更好?

<h1>更大的像素更好?</h1>
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<h2>选择相机第1部分：我应该担心像素尺寸?</h2>
在这一点上，对图像质量的更全面，全图级的视角至少与担心您的单个像素的噪音至少有意义. 每个像素较小的像素比大的像素的光较少，所以总是会始终 单独 吵闹（因为对于大多数摄影而言，大多数噪音来自您采样的光量）. 但是，一旦我们必须扩展图像以查看或打印它们，这种差异就会变得不那么重要或完全消失.
<h3>关键要点：</h3>
<ul>
<li>在任何给定的曝光期间，较大的像素会变得更多，因此在查看1：1时嘈杂的噪音较小</li>
<li>当观察相同的大小时，组合多个小像素会消除大多数（或全部）差异</li>
<li>对于大多数应用程序，您最终会缩小图像的缩小，因此通常存在分辨率优势</li>
</ul>
<h2>像素大小的效果：</h2>
尼康D850和索尼A7都是相对现代的全帧传感器，但它们的像素计数非常不同. 因为它们具有相同大小的传感器，这意味着12MP A7上的单个像素比D850大得多，D850具有由4800万像素组成的传感器.
A7通常被描述为在弱光中很棒，但是只有当您像素peep时，这是正确的.
让我们看看它们在缩放到相同大小时的比较：
 <table border=”0″ cellpadding=”0″ cellspacing=”0″ data-image-height=”null” data-image-width=”520″ style=”width: 520px;”> <tbody> <tr><td colspan=”3″ style=”width: 520px;”><img src=”https://1.img-dpreview.com/files/p/articles/5365920428/Pixel-Size/DSC_0327-002.acr.jpeg?v=5540″ /></td> </tr> <tr><td colspan=”3″>ISO 6400</td> </tr> <tr> <td style=”width: 33.333333333333336%;” data-image-id=”12mp” data-image-src=”https://2.img-dpreview.com/files/p/articles/5365920428/Pixel-Size/DSC_0340-002.acr.jpeg?v=5540″ data-large-image-src=”https://www.dpreview.com/files/p/articles/5365920428/Pixel-Size/DSC_0340.acr.jpeg”>D850全尺寸 [原始文件]</td> <td style=”width: 33.333333333333336%;” data-image-id=”12mp” data-image-src=”https://1.img-dpreview.com/files/p/articles/5365920428/Pixel-Size/DSC00074-002.acr.jpeg?v=5540″ data-large-image-src=”https://www.dpreview.com/files/p/articles/5365920428/Pixel-Size/DSC00074.acr.jpeg”>A7 [原始文件]</td> <td style=”width: 33.333333333333336%;” data-image-id=”12mp” data-image-src=”https://3.img-dpreview.com/files/p/articles/5365920428/Pixel-Size/DSC_0340-12mp-002.acr.jpeg?v=5540″ data-large-image-src=”https://www.dpreview.com/files/p/articles/5365920428/Pixel-Size/DSC_0340-12mp.acr.jpeg”>D850（调整大小：12MP） [原始文件]</td> </tr> <tr><td colspan=”3″>ISO 12800</td> </tr> <tr> <td style=”width: 33.333333333333336%;” data-image-id=”12mp” data-image-src=”https://1.img-dpreview.com/files/p/articles/5365920428/Pixel-Size/DSC_0349-002.acr.jpeg?v=5540″ data-large-image-src=”https://www.dpreview.com/files/p/articles/5365920428/Pixel-Size/DSC_0349.acr.jpeg”>D850全尺寸 [原始文件]</td> <td style=”width: 33.333333333333336%;” data-image-id=”12mp” data-image-src=”https://2.img-dpreview.com/files/p/articles/5365920428/Pixel-Size/DSC00077-002.acr.jpeg?v=5540″ data-large-image-src=”https://www.dpreview.com/files/p/articles/5365920428/Pixel-Size/DSC00077.acr.jpeg”>A7 [原始文件]</td> <td style=”width: 33.333333333333336%;” data-image-id=”12mp” data-image-src=”https://4.img-dpreview.com/files/p/articles/5365920428/Pixel-Size/DSC_0349-12mp-002.acr.jpeg?v=5540″ data-large-image-src=”https://www.dpreview.com/files/p/articles/5365920428/Pixel-Size/DSC_0349-12mp.acr.jpeg”>D850（调整大小：12MP） [原始文件]</td> </tr> <tr><td colspan=”3″>ISO 25600</td> </tr> <tr> <td style=”width: 33.333333333333336%;” data-image-id=”12mp” data-image-src=”https://1.img-dpreview.com/files/p/articles/5365920428/Pixel-Size/DSC_0352-002.acr.jpeg?v=5540″ data-large-image-src=”https://www.dpreview.com/files/p/articles/5365920428/Pixel-Size/DSC_0352.acr.jpeg”>D850全尺寸 [原始文件]</td> <td style=”width: 33.333333333333336%;” data-image-id=”12mp” data-image-src=”https://2.img-dpreview.com/files/p/articles/5365920428/Pixel-Size/DSC00080-002.acr.jpeg?v=5540″ data-large-image-src=”https://www.dpreview.com/files/p/articles/5365920428/Pixel-Size/DSC00080.acr.jpeg”>A7 [原始文件]</td> <td style=”width: 33.333333333333336%;” data-image-id=”12mp” data-image-src=”https://2.img-dpreview.com/files/p/articles/5365920428/Pixel-Size/DSC_0352-12mp-002.acr.jpeg?v=5540″ data-large-image-src=”https://www.dpreview.com/files/p/articles/5365920428/Pixel-Size/DSC_0352-12mp.acr.jpeg”>D850（调整大小：12MP） [原始文件]</td> </tr> <tr><td colspan=”3″>ISO 51200</td> </tr> <tr> <td style=”width: 33.333333333333336%;” data-image-id=”12mp” data-image-src=”https://3.img-dpreview.com/files/p/articles/5365920428/Pixel-Size/DSC_0361-002.acr.jpeg?v=5540″ data-large-image-src=”https://www.dpreview.com/files/p/articles/5365920428/Pixel-Size/DSC_0361.acr.jpeg”>D850全尺寸 [原始文件]</td> <td style=”width: 33.333333333333336%;” data-image-id=”12mp” data-image-src=”https://3.img-dpreview.com/files/p/articles/5365920428/Pixel-Size/DSC00083-002.acr.jpeg?v=5540″ data-large-image-src=”https://www.dpreview.com/files/p/articles/5365920428/Pixel-Size/DSC00083.acr.jpeg”>A7 [原始文件]</td> <td style=”width: 33.333333333333336%;” data-image-id=”12mp” data-image-src=”https://2.img-dpreview.com/files/p/articles/5365920428/Pixel-Size/DSC_0361-12mp-002.acr.jpeg?v=5540″ data-large-image-src=”https://www.dpreview.com/files/p/articles/5365920428/Pixel-Size/DSC_0361-12mp.acr.jpeg”>D850（调整大小：12MP） [原始文件]</td> </tr> </tbody> </table> 
在 像素级 正如您所期望的那样，A7的嘈杂程度要少得多. 但是，除了最高的ISO设置以外，当您以相同的比例进行比较时，该优势消失了. 不同之处在于，您通常保留D850捕获的其他细节.
我们在几乎所有相机中都看到了相同的模式. 我们唯一看到对小像素的劣势的时间是智能手机中使用的最小像素（以及经常使用多发模式来克服这一点的像素）或使用非常规传感器技术的传感器中.
更有可能改变您的图像质量的是传感器尺寸. 我们将在本文系列的下一部分中查看这一点.
<h2>更大的像素更好?</h2>
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<h2>更多百万像素与较大的传感器与较大的像素：什么使更好的电话相机</h2>
<img src=”https://cdn.mos.cms.futurecdn.net/ZoYDzfPqPXK93NJSpQcgkZ-300-80.jpg” alt=”荣誉徽标” />
无论您是摄影业余爱好者，经常的社交媒体共享者，还是只是热衷于捕捉生活中的那些小时刻，您都需要一台可以满足您需求的手机摄像头.
如今，相机质量是智能手机市场的真正焦点，其中一些 最好的相机手机 吹牛的鲷鱼，具有兆像素的计数和像素尺寸的增加以及更大的传感器.
这导致了相机风格的分歧：像Realme和Motorola这样的制造商提供越来越大的百万像素计数，而索尼和小米等品牌则提供了更多有关传感器尺寸的信息.
因此，购买照相手机时更重要?
<h2>传感器尺寸为什么很重要?</h2>
所有摄影都取决于光捕获的一个基本方面是传感器大小如此重要的原因.
该传感器实际上由许多称为Phototits的小型光传感器组成，可捕获光光子，这些光子被转换为电信号，最终将您的最终图像转换为电信号. 较大的光子可以收集更多的光并产生更少的噪音，这使得低光摄影的传感器变得更好
相比之下，较小的传感器倾向于密集地包装较小的光子，这会产生更多的噪音并影响图像的清晰度. 但是，尽管智能手机的传感器确实比数码单反相机和无反光摄像机更小，但它们越来越多地通过结合来自多个帧的信息（否则称为计算摄影）来克服这种劣势。.
我们已经 解释的传感器尺寸 如果您想了解更多信息，请深入研究.
<h2>为什么百万富翁很重要?</h2>
百万像素（或国会议员，每个像素大约100万像素）在相机手机中已成为一个营销流行语. 如上所述，Photosite很重要，因为它们捕获了要将数据转换为数据（如像素），创建图像.
但是，每个像素只能传达如此多的数据，这意味着越多的像素，所得图像可以是越高的分辨率（这通常意味着要处理更多的数据，并具有更详细的最终图像的潜力.
许多人在选择更大的MP计数时没有意识到的是，理想情况下，传感器也应该变得更大，否则会将更多像素塞入同一传感器表面积. 为了使其工作，必须使像素本身变小.
然后出现下一个挑战 – 噪音. 所有像素尺寸都会获取好数据和坏数据，但是较大的像素将收集更多可用的信号并因此产生更清晰的图像，而较小的像素将产生嘈杂和颗粒状的图像，因为每个照片都在努力捕获足够的光线.
<h2>更重要的是，百像计数或传感器尺寸?</h2>
传感器尺寸，MP计数和像素大小都很重要，但智能手机相机的成功最终取决于传感器大小的组合和图像处理的质量.
查看我们测试过的一些我们最喜欢的相机手机，运行主题通常是更大的传感器，而不是更大的像素，而不是紧密包装的高MP计算机. 但是，由于一个称为“ Pixel Binning”的过程，高级像素手机越来越缩小差距.
在最近的“ Pixel Binning”盛行之前，2010年代中期急于提供大量MP计数，迅速取代了大多数旗舰手机，将12MP传感器作为标准配置，并增加了传感器和像素尺寸，提供了一些越来越令人印象深刻的计算摄影技术。 – 质量图像数据.
这也是为什么一些专用MP计数的专用数字摄像机通常会超越智能手机的图像质量，因为较大的传感器可以吸收更多的光线并提供更强大的图像.
如果您选择不购买带有大传感器的手机，请进行一些解决方法 – 如果您使用三脚架来减少手持式手机，那么您可能可以使用较小的传感器和更长的曝光时间逃脱，但仍然存在问题框架中的运动会影响您的形象的清晰度.
另外，计算摄影的快速发展意味着，无论如何，我们可能会在未来的相机手机中看到对传感器和百万像素的依赖. 软件和后处理越来越有能力改善和适应我们的数码摄影，但是从根本上讲，相机将始终需要硬件骨架来捕获可用的镜头.
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<h2>更大的像素更好?</h2>
罗杰·n. 克拉克
<H2>介绍</H2>
在当今的数码相机市场中，有一个令人困惑的模型可供选择. 最近我想购买一个小点并拍摄数码相机时，我面临着这样的决定. 我想要一个小尺寸，高贵的百万像素计数，快速响应时间（低门滞后）和低噪声摄像头. 我没有得到想要的东西，因为它在购买时不存在. 经过一番研究，我发现我永远不会得到我想要的东西，除非有人想出一种打破物理定律的方法. 我希望向你展示我的意思. 
<H2>计数光子</H2>
当今数码相机中的传感器使用电荷耦合设备，CMOS传感器或其他类似设备，这些设备是一系列像素. 每个像素是一种吸收光子并释放电子的半导体材料. 电子被收集并保持在所谓的潜在井中，或者电压井，以防止电子漂流. 类比是一桶水雨滴，光子是雨水落在水桶上的雨水. 该类比如图1a所示. 但是图1a类比不完整：我们需要镜头. 图1b显示了一个更完整的类比：Funnels收集雨滴并将水输送到水桶.
 图1. 光子降雨：掉入收集雨水的水桶中的光子的类比. 一个较大的水桶会收集更多滴剂. 给定两个具有相同像素数量的传感器，每个传感器具有相同的f/比例，较大的传感器收集更多的光子，但具有相同的空间分辨率. 较大传感器的镜头将具有较长的焦距以覆盖相同的视野是具有较小传感器的系统，并且透镜的光圈直径也较大，从而收集更多的光线. 正是较大的光圈将光传递到像素，而较大的像素只能使镜头发射的增加光的收集. 这在图1b中显示.
通常在互联网上假设较大的像素会收集更多的光，并且具有较大像素的相机具有更大的低光灵敏度. 较大的像素确实具有每个像素的最大信号容量（称为全井容量）. 但这就像说我的水桶里有更多的水，因为它是一个5加仑的水桶，而您只有一个加仑的水桶. 但是我实际上在水桶里放了任何水吗? 在最近的一个论点中，一张互联网海报说，在游泳池旁边放一个顶针，看看哪些人会收集更多的降雨. 好吧，这很明显，但是与光和相机的类比缺乏一件事：镜头，或者在降雨掉落的情况下，一个漏斗. 雨滴类比很好，因为像雨滴一样，光是由光子（光颗粒）组成的，它们随机到达我们的眼睛和相机镜头. 为了说明这个概念，请考虑图1b中的图形. 光子降雨类比可以在雨天视为雨滴，或者光子来到我们的相机. 橙线代表雨中的漏斗，或将光聚焦到相机中的像素上的镜头. 说明了两个不同的摄像机，一个具有大像素，一个像素一半的像素. 镜头收集光，只要镜头直径相同. 只要像素不溢出，这会导致同等的性能（请参见图9标题）. 每个桶中的降雨量（光子）（像素）相同. 实际上，根据相机技术，传感器和相机电子设备的噪音可以使一个相机与另一个相机更好或更差的表现，在一种情况下，使大像素摄像机成为表现更好的较低光线，而在另一个情况下，具有较小像素的相机表现更好。. 无论哪种方式，低光性能的关键是收集尽可能多的光线.
 图1B. 雨滴（蓝色）类似于进入相机的光子. 水桶（“像素”）充满水（蓝色），但橙色的漏斗收集了雨，并将其聚焦到水桶（像素）上. 在这种情况下，漏斗的大端具有相同的直径. 唯一的区别是，小桶将更快地填充，但这在弱光情况下不是问题. 小桶不是不利的. 漏斗直径控制了多少雨，而不是水桶的大小. 相机，镜头和像素也一样. 角度“ a”是像素的角度大小，在此示例中，大小像素的角度相同. 在相机中，两个相机将获得每个像素的光量相同，显示相同的噪音，在主题上具有相同的像素，并且具有相同的景深.
当准备读取图像时，来自像素的信号将发送到放大器，然后将类似于数字的（a至d）转换器发送到一个放大器. 在水桶类比中，水桶的墙壁必须足够厚，因此水不会泄漏并进入相邻的水桶. 这设置了水可以落入墙壁和孔的最小尺寸，在电子世界中，电子井墙必须有多大，必须有多远，并限制了光子的活动区域的大小被吸收以产生电子. 即使在这些领域取得了一些进步，也有一个基本限制：光子计数统计数据 .
如图1所示，在光子雨填充水桶的类比中，桶较大，可以在给定时间内收集的滴度越多. 这很重要，这是一个非常基本的原因：测量信号的准确性与信号的大小成正比. 在光子计数的物理学中，信号中的噪声等于光子数量的平方根. 我们认为数码相机图像中的噪声是信噪比，s/n. 只有在最低的信号级别下，相机电子噪声才成为一个因素（e.G. 低级带）. 示例光子噪声和s/n：
<pre>表格1 光子噪声信号到噪声9 3 3 100 10 10 900 30 30 10000 100 100 100 40000 200 200</pre>
在硅传感器中吸收的光在非常有限的范围内确实如此. 在雨中回到水桶类比. 制作更深的水桶无助于电子传感器，因为光不会渗透到更深的地方. 因此，要收集更多的光，只有区域很重要，这就是为什么在图1a和1b中，桶形深度相同，大小像素是相同的.
为什么这很重要? 事实证明，良好的现代数码相机中的噪音主要由光子计数统计数据，而不是其他来源. 详细说明了这一点，网址为：数码相机图像的信噪和与电影的比较，以及如何解释数码相机传感器评论 . 来自Clarkvision文章的一些数据.这里显示了几台摄像机的com网站，从高端专业DSLR到Posumer DSLR，以及点与拍摄相机，” P＆S.“图2和3显示了这里讨论的顶级Pro模型以及消费者点和拍摄摄像机是Photon Noise Limited. 实际上，在过去几年中测试的所有现代数码摄像机都被证明是光子噪声有限的信号水平，高于几十光子. 例如，请参见传感器分析和进一步的参考：http：// www.Clarkvision.com/评论/.
 图2. 佳能1D Mark II是所有ISO设置的光子噪声限制. 只有光子噪声显示在此处看到的平方根依赖性对信号的依赖性.
 图3a. 佳能S70点和拍摄消费者摄像机的噪声是光子噪声有限的，大约超过10个光子. 蓝点是测量值，红线是一个模型，具有：最大信号= 8,200光子（电子），读取噪声= 4.1个电子. 只有光子噪声显示在此处看到的平方根依赖性对信号的依赖性.
 图3b. 来自小传感器的信号到噪声，2.将3微米像素螺距，佳能S70点和拍摄消费者摄像机与大型传感器进行比较，8.2微米像素螺距，佳能1D Mark II DSLR相机. 18％的灰卡的信噪比为0板，图像的较亮部分为右侧，左侧较暗，遵循每条曲线. 例如，ISO 100的佳能1D Mark II将记录18％灰卡上约100的信噪比，但在-5时只有大约10个。.5个站（遵循洋红色线）. 1D Mark II的光收集能力大约是小型S70摄像头的13倍. 在信号噪声之比上方的线的较低斜率约为8个，表明图像中的噪声是光子噪声的主导，而在较低的比率下，信号越来越多地读取噪声占主导地位.
大型与小像素的示例，以及对图像质量的影响在图4和5中说明了. 但是不要愚弄 – 阅读整个段落! 互联网上的共同想法是传感器负责提高光线和噪音性能. 想法是，S70相机较小传感器中的较小像素收集的光较少. 这是两个摄像机之间的典型摄影师设置均衡曝光时间，ISO和F比率. 图4a和4b显示了由两个设置在同一ISO（ISO 400）的摄像机记录的完整场景，同一f/stop（f/4）.5）和相同的曝光时间（1秒）. 像素螺距（从一个像素到另一个像素到另一个像素的距离；对光敏感的实际像素区域稍小）为8.大型传感器的2微米，大型像素摄像头（佳能1D标记II），小型传感器，小像素摄像头（佳能S70）. 这两个相机在ISO 400：5上几乎具有相同的读取噪声.1D Mark II和4的6个电子.S70的3个电子，因此S70具有轻微的优势! 但是，尽管具有读取噪声优势，但大型相机的较大像素的每个像素的亮度要大得多，以至于图像质量比小像素摄像机好得多（图5）. 为什么? 镜头孔不同! 灯光传递了镜头，镜头是大像素能够收集更多光的真正原因.
<img src=”https://clarkvision.com/articles/does.pixel.size.matter/1d2.1sec.f4.5.iso400.JZ3F4132-600.jpg” />
 图4a. 佳能1D Mark II DSLR完整的测试场景：书架中的书籍. ISO 400，f/4.5 1，第二次接触. 镜头为44毫米焦距，f/4.5因此，镜头孔径直径= 9.8毫米.
<img src=”https://clarkvision.com/articles/does.pixel.size.matter/s70.1sec.f4.5.iso400.CRW_1000-600.jpg” />
 图4b. 佳能S70点并拍摄相机完整的测试场景：书架中的书籍. ISO 400，f/4.5，1秒. 镜头是13.2 mm焦距，f/4.5因此镜头孔径= 2.9毫米.
<img src=”https://clarkvision.com/articles/does.pixel.size.matter/small.vs.large.pixels-2.jpg” />
 图5. 图4a和4b的完整图像作物. 这些农作物来自由佳能Zoombrowser软件转换的原始转换后的16位TIF图像，并具有相同的（默认）设置的两个摄像机. 这两个摄像机都在同一ISO和相同的f/fatio中记录了相同的曝光：ISO 400，f/4.5，1秒. 较大的镜头直径收集了更多的光，并将光喂入1D Mark II的像素，以产生更高的信噪图像，而不是小透镜直径供小型传感器，S70的小像素. 这两个相机都是光子噪声有限的，这些图像也是. 信噪比为3.1D Mark II图像高5倍，接近镜头孔径的比率，像素螺距和每个相机的传感器大小. 原因是镜头向1D Mark II图像传递更多的光线，使得更好的图像. 传感器和像素只是收集镜头传递的光的水桶.
<H2>摄像机之间的光的真实均衡</H2>
在这一点上，您可能很困惑. 互联网上到处都是人们说具有较大像素的较大格式摄像机更敏感，并且显示图像以证明这一点. 但是真正的原因是什么? 在这种情况下，摄影师尝试并均衡他们所熟悉的参数：曝光时间，f-Ratio和ISO，所谓的曝光三角. 但是，将这三件事平衡并不一定意味着传递给传感器的实际光是均等的. 如果未均衡光，则无法准确评估实际传感器性能.
在三个参数，曝光时间，f比率和ISO中，只有曝光时间是真实参数，当设置为摄像机之间的恒定值时，实际上是按照总光度均衡的。. ISO在相机之间不变. 例如，此处显示的佳能1D标记II上的ISO 100的范围为0至79,900光子（光电子），而S70的范围仅为0至4100个光子. 恒定的F比率将恒定的光密度传递给焦平面，但并非来自受试者的总光密度! 镜头孔径确定从受试者收集的总光.
为了使传递到传感器的光均衡并使其平等地数字化，需要使4个参数相等：1）曝光时间，2）光电数字化范围，3）镜头孔径区域（镜头孔径直径，技术上称为入口瞳孔），，瞳孔），镜头面积和主题上像素的数量相等. 对于上述相机，我均衡了这三个参数，并在图6中显示了结果. 当对象和镜头孔径面积均衡时，这称为均等. 然后在相同的曝光时间内，一个人向传感器传递相同数量的光. 那么传感器特性可以得到相当比较（图6）. 完成此操作后，这些图像几乎是无法区分的，包括明显的噪声和景深.
<img src=”https://clarkvision.com/articles/does.pixel.size.matter/etendue-noise-depth-of-field-compare_c.jpg” />
 图6. 相等的图的示意力导致相同的图像质量与传感器大小，像素大小和焦距或f/比率无关! 
<H2>动态范围</H2>
对于许多情况，大型动态范围在摄影中很重要. 数码相机中的像素大小也会影响动态范围. 这里定义的动态范围是每个ISO处的噪声底部的最大信号. 噪声底是传感器读取噪声，模数转换限制和放大器噪声的组合. 评估数码相机时，这三个参数不容易分离，并且组合通常称为读取噪声（或明显的读取噪声）. 正如您现在可能已经推测的那样，较大的像素会收集更多的光子，如果相机的电子设备具有处理范围的规格，那么较大的像素也具有更高动态范围的潜力. 图7显示了从3个具有显着不同像素大小的摄像机作为ISO的函数的测量动态范围. 可以在：http：// www上找到这3个摄像机（以及其他摄像机）的完整传感器分析（以及其他摄像机）.Clarkvision.com/文章/评论/. 大型像素摄像机通常受到下游电子中噪声的限制，例如从模数转换器. 如果可以消除这种噪音，在低ISO上操作时，具有大像素的相机的动态范围可能会增加约2个或更多的停止. 实际上，尼康和索尼的一些摄像机确实表现出的动态范围比图7所示的范围要大一点. 当前最小的像素摄像机无法收集足够的光子来受益于更高的位转换器.
 图7. 显示了3个不同摄像机的动态范围，以及显示传感器之后电子噪声将表现如何的模型. 大型像素摄像机的动态范围更大. 小像素摄像机在低ISO时具有非常好的动态范围，但是随着ISO的增加，该范围会迅速恶化. 较大的像素完全具有更大的动态范围，打击了较小的像素摄像机. 此外，大型像素摄像机在较大的ISO范围内具有高动态范围. 测量的动态范围（符号）显示了预期动态范围（虚线）的模型. 动态范围通常受到系统中的A/D转换器和其他电子设备的限制，该数据由下ISO的模型以下的测量数据说明. 可以在数码相机传感器性能摘要http：// www中找到更多相机的动态范围.Clarkvision.com/文章/数字.传感器.表现.摘要和http：// www.Clarkvision.com/文章/评论/. 
<H2>传感器尺寸</H2>
较小相机中的传感器尺寸由奇怪的参数指定，例如1/1.8英寸的历史可追溯到1950年代的电视摄像头. 我认为，这仅仅是为了使消费者对小传感器的真实本质混淆. 请参阅传感器尺寸http：// www.dpreview.com/Learn/?/词汇表/camera_system/sensor_sizes_01.HTM以获取更多详细信息. 这是一些简单的翻译号码
<pre>表5传感器尺寸（mm）类型宽度高度1/6 2.40 1.80 1/4 3.60 2.70 1/3.6“ 4.00 3.00 1/3.2“ 4.54 3.42 1/3“ 4.80 3.60 1/2.7“ 5.37 4.03 1/2.5“ 5.76 4.29 1/2.3“ 6.16 4.62 1/2“ 6.40 4.80 1/1.8“ 7.18 5.32 1/1.7“ 7.60 5.70 1/1.6“ 8.08 6.01 2/3“ 8.80 6.60 1“ 12.80 9.60 4/3“ 18.00 13.50 APS C 23.70 15.70（1.6倍农作物；也称为1.8“）APS-H 28.7 19.1（1.3倍农作物）35毫米胶片36.00 24.00</pre>
<H2>衍射</H2>
衍射还限制了图像中的细节和对比度. 根据公式：衍射点直径= 2 * 1，光学系统焦平面的衍射点直径与f/比例成正比。.22 W * f / d = 2.44 * w * f_ratio，其中w =波长，f =焦距，d =孔径直径，f_ratio是光学系统的f/比率. 衍射点大小在下表中给出：
<pre>表6 ================================================红色=绿色=蓝色= 0.6 0.53 0.47微米微米============================================================= == f/比率衍射点直径在微米中=========================================================== ======== 2 2 2.9 2.6 2.3 2.8 4.1 3.6 3.2 4 5.9 5.2 4.6 5.6 8.2 7.2 6.4 8 11.7 10.3 9.2 11 16.1 14.2 12.6 16 23.4 20.7 18.3 19 27.8 24.6 21.8 22 32.2 28.5 25.2 32 46.8 41.4 36.7 45 65.9 58.2 51.6 64 93.7 82.8 73.4 =============================================</pre>
波长是数码相机中红色，绿色和蓝色过滤器的大约中心. 请注意，衍射尺寸更大.
比较数码相机中的衍射直径与像素大小. 上面讨论的佳能1D Mark II有8个.2微米像素间距，并使用在大多数拜耳相机上使用的模糊过滤器，分辨率可能差30％，因此大约11微米. 在大约f/8时，相机像素 +模糊滤波器由于衍射而匹配模糊. 但是佳能S60中的小传感器中的同一贸易点，有2个.7微米像素间距，发生在f/2处.8. 这种衍射斑点尺寸与像素尺寸贸易点发生在20％的高频对比度下（80％MTF，调制传输函数）。. 对比度减少在图8中更详细地显示. 此时的衍射开始限制分辨率，但并非严重. 但是使用小于此贸易点的光圈意味着图像分辨率正在受到衍射的限制，而不是传感器. 除非您一直使用非常快速，锋利的镜头工作，否则您需要更大的像素才能在像素到像素图像细节中保持高对比度. 因此，包含更多像素的较大传感器的摄像机具有不受衍射限制的优势. 如果您降低像素大小，当然您不会在图像中失去分辨率，那么细节上的像素到像素的对比就会少。.
 图8. 衍射通过减少对比度影响图像细节. 对比度降低的技术术语称为调制传输函数（MTF），并描述了相机作为线间距的函数（称为空间频率）所提供的对比度（称为空间频率）. 在这里，空间频率以像素间距表示. 随着F/停止数量的增加（E.G. F./4至f/8），衍射点变大，图像中的细节相比会降低. 红色，绿色和蓝线显示了f/比例1、2、4和8的红色，绿色和蓝色波长的衍射效果. 
<H2>放大</H2>
为了制作给定的打印尺寸，必须将图像从相机的焦平面上的小图像放大. 例如，假设您想制作8 x 10英寸（203 x 254毫米）印刷品. 如果您的传感器就像佳能S60在7时.18 x 5.32毫米，大约需要扩大36倍. 这种极端的扩大将放大任何晶状体缺陷，并在暴露期间振动. 1D Mark II的较大传感器，其28.7 x 19.1毫米传感器，只需要10.6倍增大（制作8 x 12英寸的印刷），或者比S60的镜头不完美和振动少3倍.
传统上，在摄影中，较大的格式在最终版画上产生了更好的图像. 图像质量的主要因素是扩大因子. 大格式（例如8×10或4×5胶片和现在的大格式数字扫描背部）会产生壮观的大型印刷品，而较小的印刷品无法匹配（e.G. 35毫米较小）格式. 这些因素比例缩放到较小的当前点和射击小型传感器数码相机的格式. 
<H2>f/比率神话</H2>
摄影中有一个共同的想法，即以相同的f/f/比率工作时，暴露在不同尺寸的相机之间不会改变. 例如，阳光f/16规则说，日光场景的良好曝光率为1/ISO，在f/16. 因此，对于ISO 100胶片，您在f/16的8×10相机上使用1/100秒的曝光，f/16的4×5摄像头，f/16的35mm摄像头，f/16的APS-C数码相机落到最小的点和f/16的拍摄摄像头（假设小型摄像头f/f/16）. 神话是，只要使用最小传感器的摄像机到带有大传感器的相机.
给定的f/比率不断暴露的概念使人们容易思考相机的规模，并且仍然给出相同的图像. 但是这个想法有谬论，这就是关于该主题的空间解决方案. 较小的相机，即使以相同的f/比例为单位，也具有较小的镜头，每单位时间收集较少数量的光子. 较小的相机获得相同的曝光时间. 暴露与收集的光不同. 暴露是对像素可能填充多少的相对度量. 较大的像素可以收集更多的光线，然后将其称为一半（想想大和小水桶的水：半满的小桶，比大桶少于半满的水）.
光子在每单位区域时间镜头的焦平面中的到达速率与f比率的平方成正比. 推论：如果您保持f/比率恒定并改变焦距. 
因此，这如何适用于制造较小的相机?
问题在于，如果将相机缩放为缩小相机，例如线性尺寸为2倍，则孔径的直径下降2倍，焦距下降了2倍（为了给出相同的视野），传感器尺寸会下降2倍（线性或线性或线性降低4倍面积），像素尺寸下降2倍（线性或4倍面积，以对受试者提供相同的空间分辨率）. 孔仅收集了1/4光子的数量. 如果我们保持相同的传感器，则每个像素将收集相同数量的光子，因为每个像素现在看到一个较大的角区域（4倍大）. 但是我们想要相同的分辨率，因此像素较小2倍（面积较小4倍）. 较小的像素每个收集的光子少1/4，因为它们的面积除以4，以保持空间分辨率恒定，并且收集的较低光的基本原因是由于较小的镜头所致，因为它收集并将较小数量的光子传递给像素 . 原因不是由于像素较小.
查看问题的另一种方法是孔径收集光，焦距散开光，像素是在焦平面中收集光的水桶. 但是，输送到焦平面的光子的总数仅取决于光圈（忽略光学的传输损失）. 因此，作为孔径的平方，传递到给定分辨率的给定分辨率的光子（以及镜头的尺寸为尺寸时，摄像机的大小和摄像机格式的大小和f比比）的尺寸也是如此）! 如果要保持视野，F-Ratio和MeGapixel计数，则将相机减少2倍意味着每个像素的光子减少4倍!
这正是我们使用小型摄像机观察到的：它们较小的传感器具有较小的完整井能力，在给定的曝光时间内，较小的光子可以填充较小的光子. 反过来，这意味着较高的噪声，因为光子较少. 但是，只有当我们用较小的传感器缩放镜头时，这种缩放才是正确的. 但是，如果我们保持镜头孔径相同，那么我们在相同的曝光时间内传递相同数量的光.
示例：全帧20百万像素摄像头和2倍农作物传感器20百万像素摄像头. 如果您在全帧（FF）摄像头上使用50 mm f/4镜头，则要获得相同的光，相同的噪音，相同的像素和相同的景深，我们将使用25 mm的焦距f/2裁剪相机上的镜头. 在这两种情况下，镜头孔径直径为12.5毫米.o
让我们将其扩展到更快的镜头. 放一个50毫米f/1.全画幅相机上的4个镜头. 要与裁剪相机具有平等的光线，需要25毫米f/0.7镜头. 但是这样的镜头不存在! 因此，较大的格式摄像机使一个人可以使用较小格式摄像机不存在的较大的光圈镜头. 这也意味着较小的相机不会较小，因此镜头可能会更昂贵.
对于具有恒定f比率镜头的光子噪声有限的相机，在图像中可以达到恒定暴露时间可以实现的信噪比是收集的光子数量的平方根，因此信噪比与相机像素线性缩放尺寸（再次用于恒定的F比率镜头）. 该概念如图5所示：带有较小镜头的小型传感器摄像头产生的图像比较大的传感器摄像机具有更大的镜头，即使F/比例，曝光和ISO对于两个摄像机都是相同的（它们）正如我们所看到的，并不意味着相等的光）. 另请参阅：f/比率神话和数码相机http：// www.Clarkvision.com/corms/f-ratio_myth 
<H2>景深神话的深度</H2>
在理解f/比率神话中的概念之后，缩放传感器还有另一个主要含义. 鉴于相同的光子噪声，暴露时间，扩大大小和像素的数量给出相同的空间分辨率（i.e. 相同的总图像质量），具有不同尺寸传感器的数码相机将产生具有相同深度的图像. （这假定相机的电子设备，模糊过滤器和镜头中相似的相对性能.）较大的格式摄像机将使用较高的f/比率和等于传感器大小比率的ISO来实现该平等. 如果场景足够静态以至于可以使用更长的曝光时间，则较大的格式摄像头将产生与较小格式摄像机相同的视野图像，但会收集更多的光子并产生更高的信噪图像. 查看问题的另一种方法是，较大的格式摄像头可以使用更小的光圈和更长的曝光来实现与较小格式摄像机更大的景深相似的信噪比图像. 因此，较大的格式摄像机具有与较小格式摄像机相等或更好的场地相等或更好的图像的优势. 这些概念的详细信息将在这里讨论：场地神话和数字相机http：// www.Clarkvision.com/corms/dof_myth 
<H2>相同大小的传感器中的不同大小的像素</H2>
我们已经考虑了具有相同数量的像素和不同尺寸的传感器的摄像机，并且表明具有较大传感器和较大像素的摄像机在具有相同的f/比例镜头和视场中收集了更多的光，因此具有更好的低光和高光度性能. 但是现在我们还可以选择具有相同尺寸的传感器的不同摄像机，但像素的尺寸和数字有所不同. 这种情况有什么意义?
关于这个问题的网络显然有激烈的辩论，对同一大小的传感器中的较小像素和较大像素的激情争论. 许多人在本文和我的数码相机传感器性能摘要文章中使用了数据来争论双方. 像许多极端职位一样，其中一些论点忽略了关键因素.
较小像素的论点是这样的. 在相同大小的传感器记录中较小的像素详细信息. 您始终可以平均像素以有效地恢复更大的像素. 在图像的高信号部分中，此参数是正确的，除了一个因素：较小的像素具有较低的动态范围（请参见图7，上面）. 如果较小的像素吹亮点，您将失去所有图像细节. 但是，如果您不吹亮点，那么较小的像素会更好. 图像中的噪声将由光子噪声（最好的噪声）主导，您可以在软件交易中进行分辨率. 通过平均像素，可以改善动态范围. 因此，更高的百万像素相机具有优点.
在完美的相机中，您记录的唯一噪音是来自光子（最终的物理极限）. 但是相机还有其他噪音来源（请参阅数码相机传感器性能摘要），包括读取噪声，电子噪声，深色电流（热噪声）以及固定图案或带噪声的噪声. 这更改了像素，低光性能和高ISO摄影的方程式.
随着光线的下降，无论是在白天的阴影中. 这意味着相机中的电子噪声变成了我们在图像中所感知的总噪声的更大部分. 正是这个事实可以限制制作越来越小像素的想法. 该电子噪声也是较小像素的动态范围减少的因素. 因此，随着明显的噪音增加，动态范围较低以及镜头无法提供更精细的细节，因为它们变得衍射有限，图像质量不能永远增加，因为像素尺寸减小. 小像素的另一个因素是硅传感器中光子的吸收长度：它的范围从约1微米的蓝光到7微米以上的红光（请参阅数字相机传感器性能摘要的表1B）. 吸收长度还将限制图像细节，尤其是朝着红色. 因此，像素太小的像素有害.
现在让我们考虑大像素. 高信噪比，高动态范围和高ISO性能的最终形式将是一个大像素. 显然，一个带有一个大像素的相机不会形成一个很好的图像. 显然，有些像素对于提供图像和最新的全帧摄像头是必需的. 很少的像素对图像质量不利，太多像素不适合图像质量. 因此必须有最佳.
我的明显图像质量（AIQ）模型，在数码相机传感器性能中进行了更详细的讨论，摘要显示了最佳像素尺寸（图9）. 对于在f/8下运行的衍射有限镜头的摄像机，该模型可预测5微米的像素周围的最大AIQ. 许多APS-C摄像机正在接近该水平. 截至撰写本文时，全帧35毫米数码相机以36至50百万像素的出口为4至5微米，图像质量令人印象深刻，但只有与出色的镜头一起使用.
 图9. 明显的图像质量，来自数码相机传感器性能摘要 . 这些模型密切预测了现代相机的性能（大像素的大约10％，而小像素为20％）. 较旧的相机和传感器落在模型以下E.G. 通常由于填充因子低. 高于模型的量子效率（QE）更高（45％）将在模型上方绘制（以平方根2，1为例.〜100％QE传感器的AIQ高41x）. 纯色线表示百万像素的恒定传感器尺寸. 虚线表明恒定格式大小的传感器. “全帧”传感器的大小与35毫米胶片相同. 当一个人沿着恒定格式线向左移动时，AIQ首先增加直到衍射开始生效，然后AIQ减少. F/8时的衍射用于全帧，1.3倍曲子和1.4/3传感器（长虚线），全帧和2/3“小型format传感器，F/4）和f/4的6倍传感器和f/7.8对于显示的最小传感器，1/1.8英寸（短虚线）. 需要较小的f/比率，因为传感器的大小减小以使模型拟合观察到的数据. 这表明较小的格式摄像机必须具有很高的镜头才能以高百万像素提供性能. 衍射限制了有效的百万像素. 当像素变得很小时，它们的电子含量很少，以至于动态范围会受到影响，这会导致AIQ以低于2微米像素螺距的像素大小的AIQ下降. 请参阅上面的衍射讨论，该讨论将进一步限制AIQ. 例如，佳能7D图的AIQ在模型线上上方的1.6x作物传感器. 但是，AIQ只能在摄像机使用的镜头上实现衍射限制在f/8以下. 
<H2>相同的镜头，不同的传感器和像素尺寸</H2>
现在，让我们检查一个在不同相机上使用相同镜头的常见示例，以便传感器的大小和像素尺寸不同. 像素中捕获的光量取决于传递光的镜头. 相机和镜头还有一个其他因素：像素盖的区域. 如果我们在受试者上均衡区域，从而像素一样，则使用相同的镜头，相同的f/比例，相同的曝光时间，每个像素的光相同. 我们可以通过简单地添加像素或将像素的分数一起均匀地在带有大像素的相机和带有小像素的相机之间的像素区域均衡. 图10显示了这样的示例.
镜头发光. 像素只是一个水桶. 图10中的下面是用全帧和1的图像进行比较.6x农作物摄像机. 如果我们相信互联网神话是较大的传感器更敏感，那么全帧和农作物相机之间的噪声差异将是像素区域的平方根，或者是SQRT（2.59）= 1.6，这会使裁剪摄像机的图像明显嘈杂. 显然，在图10中并非如此. 显示作物和全帧摄像机之间存在差异的网站通常正在改变摄像机之间的镜头孔径区域，因此收集的光量.
<img src=”https://clarkvision.com/articles/does.pixel.size.matter/orion-fullframe-vs-1.6xcrop-compare-b-1.5x-c1.jpg” />
 图10. 比较全帧和1的图像.6x农作物摄像机. 像素区域的比例为2.59. 专注于主题，而不是像素（毕竟照片中的主题是什么：主题或像素?），我归纳了1的较小像素.6倍的裁剪摄像头到整个框架的主题上的同一像素. 通过对该主题重新采样到相同的像素，我们看到信噪比（S/N）在统一区域基本相同（一致比1％），但是较小的农作物相机像素实际上，即使在重新采样后，也会记录淡淡的星星和更多细节.
图11是使用7D在ISO 6400处使用的另一个示例，该示例会产生相当嘈杂的图像. 将其与5DII相比，其较大像素产生的图像噪音较小，但空间分辨率较低，然后与7D进行比较，与7D进行比较，像素相比，平均为2×2：相比之下。. 扩大1.35X不会改变噪声，而2×2像素平均值简单地使eTendue变得更大，并且等于5D Mark II图像. 请注意，原始7D图像和缩放的2×2像素平均图像的总灯相同. 7D重新采样图像中的噪声较小，因为重采样图像中的每个像素更轻. 在调整大小的7D图像中，噪声也比5D Mark II图像中的噪声少。. 这是因为7D传感器的系统灵敏度略高于5D Mark II，因此7D收集了更多的光，从而使信噪比更高。. 这证明7D实际上是比5D Mark II更好的低光相机.
 图11. 7D，5DII和缩放的2×2像素平均7D图像的比较7D图像在ISO 6400上的比较. 在图像plus中执行2×2像素平均. 这种重新缩放和像素平均使7D月亮图像与5D Mark II图像中的月球相同. 如果两个摄像机具有相等的系统敏感性，则噪声将是相同的. 右侧的重新缩放的7D图像实际上显示出比5D Mark II图像较小的噪声，因为7D具有更大的系统灵敏度. 任何图像都没有锐化和降低降噪软件.
有关相机的另一个因素是能够更换镜头. 非常快的广角镜头仅以单焦距（通常称为Prime镜头）提供，只有几个罕见的例外. 大多数变焦镜头的速度不那么快，并且产生较低的图像（有一些例外）. 这通常意味着具有可互换镜头的数码单反相机或无反光镜相机. 请注意，过多地使用实时视图，无论是无反光镜相机还是DSLR都会加热传感器，从而增加了深色电流噪声，并且可能会使这种比较不同. 传感器加热后，可能需要半小时或更长时间才能冷却到周围温度.
可能影响性能的另一个因素是模式噪声或带子. 较旧的模型摄像机可能比较新的型号具有更多的频带问题，而像素重新限制了我的限制图10和11中类似的比较的有效性. 但是，有了现代的低噪声，低频带摄像头，可以用空间细节来换噪声，而像素的大小则不太关心. 低光的性能由收集光的镜头主导，而不是像素尺寸和传感器尺寸. 
<H2>讨论和结论</H2>
我在本文中证明了收集光的镜头孔是现代相机最重要的因素，而不是传感器尺寸或像素大小. 对于许多相机，传感器尺寸和像素大小. 较大的传感器使人们能够使用较大的镜头收集更多的光. 但是，如果可以在较小的格式摄像机上使用相同的光圈直径镜头，则图像几乎可以相同. 在第2部分中更多地探讨了这个概念.
但是，随着一个极端的推动，要么很小的像素，要么少于几微米，其他因素就会发挥作用，包括衍射可减少对比度和细节，硅中光子的吸收长度和像素动态范围可以限制获得性能的能力可以使用较大的系统获得. 例如，如果一个人使用快速镜头，例如50毫米f/1.4在全帧传感器上，将传感器缩小6倍将需要近6倍（8）.3毫米），如果要维护相同的视野. 孔径相同（35.7毫米）要保持光收集，这将需要f/0.23镜头（8个.3/35.7）! 这样的镜片不存在. 随着格式的降低，以较小的格式相机保持较大格式系统的性能的要求，并且在某些时候变得不可能或过高. 人们购买较小格式摄像机的通常原因是成本较低，重量较轻和体积较小。表演是事后的想法.
对于中等系统，E.G. 1.6倍农作物与全帧数码单反相机，通过了解本网站上此处和其他地方的概念，在许多情况下，这两个系统之间的性能都可以. 假设可以在较小的系统上保持镜头孔径直径.
在现代传感器中，小与大像素的重要性较小：当今许多相机（大约2014年以上）都可以使用低噪声（读取噪声和相机电子噪声），可以从传感器中合成大型像素的大像素，而小像素可获得相似的相似（甚至更好））表现. 并非总是如此. 较旧的数码相机具有高读取噪音和高相机电子噪声. 将像素添加在一起意味着添加明显的噪声，从而限制了较大像素合成的有效性. 在不久的将来，读取噪声 +下游摄像机电子噪声应显着低于1个电子（大约2014年以上，通常在某些摄像机中的1到3个电子）. 一个电子以下几乎可以依靠后处理来以最低的光线级别的空间分辨率来交易噪声. 今天正在完成此类后处理箱（2015+），但是将像素添加在一起时会增加少量的噪音（图10，11）.
我们确实观察到来自较大像素的相机输出的图像中的图像质量差异. 但是，如图10和11所示，可以有效地缓解这种差异。.
当使用相同尺寸的传感器但不同像素计数的摄像机之间选择时，时间已经改变. 十年前，我会选择带有较大像素（和较少总像素）的相机，以获得更好的高ISO和低光性能. 今天我会选择较高的百万像素（因此较小的像素）. 具有高百万像素计数的现代相机，低阅读噪声和低电子噪声使人可以交易分辨率和噪音. 如果一个人想要在高百万像素相机中合理的动态范围，那么像素必须仍然足够大才能容纳足够的光电子以提供动态范围. 目前（大约2016年），它不比4微米像素间距小得多. 例如，50百万像素的佳能5DS（R）适合此条件，尼康的D800和D810处于同一联赛中.
小于4微米的像素通常可以受到限制（较低的对比度和细节的丢失），衍射. 但是现在，现代相机中的系统噪声很低，将像素添加在一起以合成具有较大像素的传感器的图像，衍射有限的较小像素就不关心了.
但是，请注意，Photoshop（CS6至CC）当前没有像素包装工具. 如果您想做像素箱，请查看天文图像处理程序.
另请参阅：最佳数码相机和镜头的特征，以及 电影与数字执行摘要. 另外，请参阅图像的文章动态范围，该范围表明，真实场景可以具有超过10个动态范围的摄影停止（超过1000倍）. 然后探索有关数码相机图像的信号噪声的文章，并与电影进行比较. 
如果您在此网站上找到信息有用，请支持ClarkVision并进行捐赠（下面的链接）. 
<H2>注释和参考</H2>
此页面显示了与DSLR相比的某个点和射击数码相机的图像和噪声图. 结果类似于此页面上介绍的研究. http：// www.dpreview.com/评论/sonydscf828/page14.ASP 
DN是“数据编号.“这是每个像素的文件中的数字. 我引用了亮度水平（尽管在我引用的情况下，红色，绿色和蓝色几乎相同）.
16位签名整数：-32768至+32767
16位未签名整数：0至65535
Photoshop使用签名的整数，但是16位TIFF是未签名的整数（通过ImagesPlus正确读取）.
测量光子信号的基本误差是计数光子数量的平方根，泊松统计. 一个可以用传感器计数的最大光子数是可以将其保存在井中的最大电子数. 每个光子有一个电子. 如果一个人用40,000个电子填充像素，则信号中的噪声为平方根40,000. 因此，无论信号是什么，误差（噪声）是电子数（光子）的平方根. 光子计数越多，信号到噪声越高. 信号到噪声=＃光子/平方根（＃photons）=图像中阴影中的平方根（＃光子），一个人可能只能获得几百个光子，因此噪声是几百个的平方根.
2005年2月首次发布. 最后更新于2016年7月12日.