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43年历史与四次像素爆炸 数码相机像素发展史

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本次横评有两个目的,一方面为大家带来135相机三大高像素机型的全面画质对比,另一方面为大家展示现阶段135相机的最高画质水平,与中画幅相机相比有何差距,差距究竟是大是小。我们的详细横评将会在1月24日正式上线,请您不要错过!

第一台数码相机诞生于1975年,当时的照片是一张100×100分辨率的黑白照片。从1975年到2018年初,数码相机经历了43年的发展历程,相机的像素数量在期间经历了数次爆发。在这相机发展的任何阶段,像素发展一直是数码相机的核心话题,而高像素则是代表了相机发展的技术水平。今天我们就来看一下在数码相机诞生的43年间,像素发展经历了怎样的历程,相机的高像素又应该从何说起。

43年历史与四次像素爆炸 数码相机像素发展史

·数码相机发展历史与四次像素爆炸

相机的核心在于图像拍摄,因此只要图像的展现形式不发生变化,相机像素多少将会是不会改变的话题。首先,我们先来看一下135画幅之下,民用相机发展历史上的最高像素进化过程(表中数据仅统计135相机系统,1987年以后上市产品为准,未统计原型机)。根据43年历程,数码相机的发展其实可以分为3个阶段。

43年历史与四次像素爆炸 数码相机像素发展史
135画幅数码相机最高像素发展历史

43年历史与四次像素爆炸 数码相机像素发展史
高像素发展与四次像素爆炸(建议点击图片查看大图)

第一阶段:从1975年到1987年。这是数码相机的发展初期,相机发展以原型机和卡片机为主,相机的形态可以说五花八门,存储介质也是各不相同,而且很少有真正上市的相机产品。1981年,索尼发布了第一台真正意义的数码相机Sony Mavica,1984-1986年间,富士、松下、佳能尼康等等纷纷加入数码相机研发,为日后数码相机爆发打下了基础。在第一阶段,相机像素发展从最开始的1万像素,发展到几十万像素,但算上原型机,最高像素也不过百万左右。

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第一阶段数码相机,形态与存储方式各不相同,没有专业机身,像素不超过百万

第二阶段:1988年到1998年。在这一阶段,虽然相机发展在此时还是形态各异,但是相机发展的大方向得以确认。1988年,富士在Photokina上发布了DS-1P,这是第一台采用闪存介质的数码相机;1989年,柯达开始进军数码单反行业,并且设计了第一台百万像素级别的数码单反相机原型机,专业数码相机时代就此拉开序幕。这十年间,以闪存媒介为存储介质,以卡片机与单反为相机形态,这两件事确定了数码相机的发展基调,从1988到1998年,相机像素从不足百万,跃升至600万像素级别,第二阶段,为相机专业化和市场化做好了准备。

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1991年真正意义上的数码单反相机柯达DSC 100问世

第三阶段:1999年至今。这是相机发展的第三阶段,也是我们熟知的现代数码相机时代。从1999年开始,专业数码相机市场迎来了佳能和尼康两大巨头,数码相机奠定了高端产品为全画幅单反相机,入门产品为卡片机的发展基调。随着CMOS逐步取代CCD,全画幅成为可能,而且相机成本快速下降,像素发展也进入了新的时期。

这一时期,1999年尼康发布第一台单反相机D1,262万像素(同年最高像素为柯达610万像素);2002年佳能发布全画幅单反1Ds,采用1110万像素(同年最高像素为柯达的1370万像素);2008年,索尼发布A900,而尼康发布D3X,像素同为2460万(同期佳能1Ds Mark III与5D Mark II为2110万像素);再到2012年,尼康D800/D800E将像素飙升至3630万,2015年佳能5DSR的5060万像素成为目前135画幅最高像素。从1999年到2015年,像素从600万像素飙升至5000万级别,135系统的最高像素水平追平中画幅入门水平。

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1999年尼康D1发布,相机进入数码单反时代,单反、高像素、全画幅三个词开始密不可分

像素发展,依托的是技术进步和核心厂商的推动。可以看到,在1998年之前,数码135相机虽然经历了非常重要的发展历程,但是像素上并没有质变,并没有达到像素爆炸的效果。1998年之后,像素发展经历了四次爆炸,分别是:

第一次,1998-2000年,从130万像素飞越至600万像素,佳能和尼康开始推出数码单反相机,像素竞赛正式开始;

第二次,2002年,135相机第一次迈上千万像素大关,柯达、康泰时和佳能同时推出全画幅数码单反相机,数码相机进入全画幅时代;

第三次,2007-2008年,135相机达到2400万像素大关,2007年尼康和索尼推出全画幅,佳能、尼康、索尼最高像素均超过2000万,数码相机真正意义上进入高像素时代;

第四次,2012至今,135相机达到5000万像素大关,2017年,佳能、尼康、索尼最高像素均超过4000万像素。

如今,我们正处在第四次像素爆炸的末期,3000-5000万像素是现阶段相对稳定的像素数量,以如今的技术发展来看,这一代相机的像素将会趋于稳定,但是未来数年内,必然将会再一次爆发。每一次像素的爆发都伴随着技术革新,第一次是因为数码单反普及,第二次是因为全画幅普及,第三次和第四次都是因为传感器工艺进步和处理技术革新,暂时我们难以猜测第五次像素爆炸的原因我们不好猜测,但是新一代传感器工艺,例如背照式、积层式传感器很可能会引领下一次的像素进步。

·传感器是核心 像素激增与传感器进步

数码相机的传感器,是数码相机的心脏,传感器的技术工艺平决定了相机的成像水平,自然也是像素进步的先决条件。从1975年数码相机诞生至今,传感器发展同样经历了漫长过程,下面我们就来总结传感器与像素之间的发展过程。

    CCD时代:1969-1999年。1969年对于影像行业是个大日子,美国贝尔实验室正式研发成功了电荷耦合元件,也就是用于图像成像的CCD传感器。1976年,拜耳滤镜正式问世,从此,以红、绿、蓝三种颜色通道为基础的图像传感器,奠定了数码相机的发展基础。在三十年间,CCD传感器,从最初的实验产品,发展到可用于市场化的21.6×16.56mm的610万像素APS-C画幅。

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CCD技术解决了光信号到电信号的问题,而拜耳滤镜解决了获取色彩信息的问题

CMOS与全画幅时代:2000年开始至今。在2000年,佳能推出了佳能的第一款数码单反D30,这款相机从参数上并不突出,但是与其他品牌相比,这是第一块采用CMOS传感器的专业数码相机。虽然那个年代,CMOS传感器在画质上要逊色CCD不少,但是由于易于制造、成本低等特点,佳能依托于CMOS传感器得到了快速发展,2002年便推出了第一款全画幅数码单反1Ds,这款1110万像素的相机,由于价格优势,迅速走红。从此,不仅仅是佳能,整个数码相机行业开始逐步确立了CMOS传感器与全画幅的发展思路,相机发展也真正进入了像素发展新时期。

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佳能D30是佳能第一台也是世界第一台采用CMOS的数码单反相机,CMOS时代由此开始

关于CCD传感器与CMOS传感器,发展历史不必多说。我们在之前的文章中有过详细的介绍,有兴趣的朋友可以查阅笔者之前的文章进行深入了解:从"芯"而论 浅谈数码相机传感器进化史。这里我们来说一下传感器发展与高像素的关系。

对于传感器来说,突破传感器的像素上限,在早期是技术与工艺限制。对于早期的电子元件制作工艺,单个像素尺寸是非常重要的限制条件,因为每个像素,都是非常复杂的电子元件构成。

另一方面,对于早期工艺来说,传感器的整体尺寸同样无法做大,大尺寸的传感器生产难度大、成本高,而且良品率很低。一方面整体面积不能增大,一方面单个像素面积不能缩小,因此可以看到在1998年之前,像素发展一直处于低速增长时期,没有出现像素大幅增长的情况。

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98年之前,传感器尺寸难以做大,而单个像素面积不能减小,提升像素有着极大工艺限制

CMOS的普及,是改善传感器工艺的重要因素。CMOS制作难度低,而且成品率高,使得大尺寸传感器可以得到应用,而且CMOS普及之后,低成本的优势使CMOS得到了更快速的发展。进入2000年之后,电子技术快速发展,单个像素面积可以做得更小,因此2000年以后,由CMOS普及带来的全画幅普及,加上单位像素尺寸大幅缩小,相机的像素增长也变得越来越快。

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全画幅的面积大概是APS-C画幅的2.25倍,因此2002年像素上限从600万飙升到1370万

随着全画幅、APS-C画幅定型,提升高像素的另一个矛盾,则是像素与画质,也就是高感控噪、宽容度、色彩等等问题的矛盾。我们知道相同技术条件下,提升像素必然会导致单个像素的成像质量下降,所以在2000年以后,像素增长的核心矛盾,在于提高像素之后带来的成像画质下降问题。这一问题,如今开来一方面在于传感器技术的进步,而更多得则是依靠于运算算法的提升,也就是处理器和控噪算法的进步。

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现阶段,提升像素在两个方面,一方面提升传感器工艺,一方面提升算法与处理器性能

可以说43年间,135画幅数码相机的像素从1万上升到5000万像素,数码相机的传感器大小,从最初的1/3英寸,发展至全画幅,像素发展其实是传感器进步与处理器进步的双重结果。

如今,全画幅数码相机暂时稳定在4000-5000万像素,第四次像素爆炸时期即将过去,相机像素暂时不会出现快速突破。在这未来几年,全画幅会逐渐向着3000万以上级别靠拢,而高像素相机的控噪水平将会继续提升,并且随着处理器进步,高像素机型的连拍也将得到提高。另外一方面,APS-C画幅在2400万像素级已经有相当长的时间了,APS-C画幅的像素或许即将迎来提升。

·态度决定产品 不同厂商如何看待高像素

相机发展的另一个主导因素,就是厂商。虽然提高像素是发展主流,但是各家厂商对这高像素有着不同的态度。在前两页文章中我们可以看到,数码相机一开始,最早进行传感器研发的一共有两大厂商,一个是柯达,一个是索尼。柯达1975研发原型机后,认为会影响胶片的销量,因此直到近十年后才重启数码传感器的研发,但是即便如此,在最初的时间内,柯达依然是数码相机行业的龙头老大。

43年历史与四次像素爆炸 数码相机像素发展史

柯达在数码相机发展初期一直是数码相机龙头老大

从1988年柯达研发数码单反原型机,到1999年尼康推出D1这段时间,数码单反相机一直是柯达的天下,准确说能过做出用于单反相机使用的数码传感器,并且成功运用的,只有柯达。柯达是一个坚定的高像素拥护者,柯达在十多年间做的事情,就是将数码相机的像素从不足百万,飙升到了1370万像素(Kodak DSC Pro 14n)。即便在1999年之后,在佳能和康泰时都推出了数码单反之后,柯达依然在数年内都是135系统最高像素,直到2004的佳能1Ds Mark II才被打破。不过柯达相机最大的问题,是柯达虽然有传感器技术,但是没有机身技术,机身大量依赖尼康、佳能和富士,因此在135领域,在2000年之后很快就被佳能和尼康所超越。

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2002年的柯达DSC Pro 14n,像素达1370万像素,柯达是高像素的坚定拥护者

佳能,也是高像素的拥护者,虽然不像柯达这样一直保持最高像素记录,但是在佳能、尼康、索尼的对比中,佳能除了5D3对阵D800的期间像素落败,基本保持上风。佳能在数码相机快速发展的年代里,没有走弯路,所以在2002年到2012年内,一直保持较大的技术优势。在技术优势下,佳能的高像素发展一直没有停止。相比于柯达,佳能高像素一直比较亲民,特别是5D Mark II,是真正意义上的第一个亲民高像素全画幅。

43年历史与四次像素爆炸 数码相机像素发展史
佳能在一直是高像素代表,例如5D Mark II,一直被网友津津乐道

尼康,对于高像素一直有所摇摆。特别是在数码相机之初,尼康认为APS-C画幅是最佳画幅,直到2007年才推出首台全幅,在一定意义上先吃了画幅上的亏。另外,尼康在D1开始,坚持高画质,而不是高分辨率,因此并没有把提升像素作为首要发展。因此在很多年内,尼康除了D3X之外(传感器还要感谢索尼),并没有在高像素上有所作为。直到2012年尼康D800发布,才扳回一城。

43年历史与四次像素爆炸 数码相机像素发展史尼康真正扳回一城,还是在D800时代

索尼,索尼不是以专业级数码相机起家,2006年才推出自己的第一台数码单反相机,起步是几家中最晚的。不过对于传感器来说,索尼是最早开始研发CCD的厂商之一。对于数码相机整机来说,索尼入行晚,有尼康作为前车之鉴,入行之后也是全画幅和高像素的拥护者,在135相机上始终保持着高像素研发,但相比于柯达,索尼的高像素之路要冷静很多。不过虽然索尼的起步顺利,但由于索尼不是正统的单反相机厂商出身,因此索尼在发展中经历了数码单反、数码单电和数码微单的反复摸索。在如今,虽然索尼的高像素传感器成绩突出,但是135相机中,索尼像素数并不是最激进的一个。

43年历史与四次像素爆炸 数码相机像素发展史
索尼a900与尼康D3X,是2008年的两款2400万像素单反

对于其他厂商来说,高像素的先决条件是大尺寸传感器,因此相比于佳能、尼康和索尼,其他品牌对于高像素的发展贡献力并不如这几家大。但是值得一提的是三星,三星在目前依然保持着APS-C画幅最高像素(NX1和NX500的2800万像素),不过由于各方面的原因,我们已经基本见不到三星的数码相机了。

43年历史与四次像素爆炸 数码相机像素发展史
对于其他厂商,135系统中没有全画幅谈何高像素,不过APS-C画幅最高像素仍是三星

厂商对于像素的态度,直接体现在相机的像素值上。如今看,135相机中,能称得上高像素的,依然只有佳能、尼康、索尼三家。在2017年,三家的高像素相机全部超过了4000万像素,现在是135系统中像素最高的相机机型。

·135之上 全画幅能否挑战中画幅?

对于这篇文章,我们通篇表述的都是135画幅相机。对于135相机来说,如今像素最高的相机,分别是佳能5DS/5DSR,5060万像素;尼康D850,4575万像素;索尼A7R III/A99 II,4240万像素。由于尼康D850和索尼A7R III都是2017年末的新品,究竟新时代里的高像素三巨头谁实力更强,这是现在非常热门的话题。

43年历史与四次像素爆炸 数码相机像素发展史
索尼A7RIII、尼康D850、佳能5DSR,如今135相机三大高像素机型

但是如果我们放眼整个相机行业,对于中画幅相机来说,中画幅数码相机的像素2008年就已经站上了5000万大关(哈苏H3D II-50),在2016年后更是站上了1亿大关(飞思XF 100MF)。对于中画幅相机来说,高昂的价格使其不用担心成本问题,因此中画幅基本都采用了低感画质更好,但是成本更贵拍摄性能更弱的CCD传感器,直到2015年以后,中画幅相机才开始逐渐换用CMOS传感器。

43年历史与四次像素爆炸 数码相机像素发展史 43年历史与四次像素爆炸 数码相机像素发展史

第一台一体化数码中画幅单反玛米亚ZD(左,2004年,2200万像素)与第一台全尺寸数码中画幅后背飞思P65+(右,2008年,6000万像素)

可以说,从中画幅的像素与传感器发展可以看到,像素发展的重要影响因素就是成本问题。如果我们不计成本,高像素和高画质并不是完全对立的。但是如今依然是2018年,从近两年的产品可以看出,依托于处理器的快速发展和传感器进步,135相机已经逐渐逼近5000万像素,而以44×33mm画幅CMOS传感器为主的中画幅相机,像素也是5000万像素。

同样是5000万像素,如今的全画幅能否挑战中画幅,这是很多摄影爱好者如今争论的话题。这一次,为了满足摄影爱好者的需要,中关村在线影像频道在2018年年初,特地收集到如今的135相机高像素三巨头,并且加上富士GFX 50S、哈苏X1D-50这两台5000万像素中画幅相机,以及哈苏H5D-60这台6000万像素的全尺寸数码中画幅相机,为大家进行一次高像素相机的全面横评。

43年历史与四次像素爆炸 数码相机像素发展史
本次横评我们准备了50万元的摄影器材,进行一次高像素相机全面测试

本次横评有两个目的,一方面为大家带来135相机三大高像素机型的全面画质对比,另一方面为大家展示现阶段135相机的最高画质水平,与中画幅相机相比有何差距,差距究竟是大是小。我们的详细横评将会在1月24日正式上线,请您不要错过!

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