《 數位攝影 基礎概念》Round 1 • 什麼是 像素 ？: 攝影 作為當代 視覺傳達 最基礎的一環，因為發展過程緊挨著國內數位化的風潮，使得整體的發展過於速食，以致產生了許多似是而非的二手傳播。本系列文章試著從 數位攝影 的
基礎 原理入手，以精簡易懂的比喻澄清一些網路上過於模糊的定義。
像素（Pixel）
像素這個東西，算是數位影像裡面最基本的一個單位了。不過，像素到底是什麼東西？基本組成又是什麼呢？且讓我們回到數位的基本概念裡面，一步一步的紮好馬步，細細的去了解最基本的問題。
數位影像是由一顆顆排列整齊的像素所組成的，就像是棋盤一樣，一個方格填一顆。按照影像的組成每一顆像素呈現出不同的顏色，而且在電腦裡面，每個像素都是獨立的一筆資料。集合了一大堆的資料，按照順序排好就形成了我們在螢幕上所看到的影像。也就是說，一張一千兩百萬像素的影像，真的是由一千兩百萬顆像素以矩陣的型式排列而成的。這扎扎實實的一千兩百萬筆資料，是如何儲存在記憶卡裡面的？又佔了多少記憶空間？又是如何讓我們看見的呢？
▲CCD的內部構造圖（圖片出自於astrosurf）
首先，我們先回到數位像機的感光元件上面來了解一下。目前市面上數位像機的感光元件，大致可分為兩種，CCD與CMOS。主要是每個單元結構的組成不同，成像原理上還是接近的。每塊感光元件，都可分為最下層的光線感應單元，中間的色彩矩陣以及最上層的微形鏡片（高階的數位單眼有的不會有）。每個成像單元對應一個像素，也就是說一千兩百萬個像素是由同樣的一千兩百萬個成像單元，一個一個匯集資訊形成的。現在，我們先從單一一個像素開始來仔細的研究！
CCD 的三層結構：上層→微型鏡片、中層→色彩矩陣、下層→感應單元。
▲CCD的三層結構（圖片出自於astrosurf 和富士super CCD）
（像素是怎麼用數字來表示？請準備好筆跟計算紙，動腦時間到了~）
像素的數位表示法：
(R,G,B) 其中 R=0~255, G=0~255, B=0~255
也就是一般的8位元，RGB彩色的像素。其中8位元的意思就是指單一像素可以表現的階調數目。在數位的世界裡面，通常是用二進位為單位。比喻來說，一盞燈只有開或關兩種狀態。但是如果按照順序橫列的八盞燈，就會有 28=256 種排列組合的狀態。為什麼用8位元來表示呢？因為早期電腦的匯流排寬度就是8位元，而當初在定義一些輸出入字元就是以這256個為定義範圍（A~Z 外加數字還有一些特殊符號，表格之類的）。當然現在電腦架構更新飛快，作業系統也都可以接受16位元，32位元甚或64位元的資料。不過因為人眼沒有辦法清楚辨識那樣細圍的差異，所以目前的數位像機或是影像擷取設備頂多就是支援到16位元。而16 位元的影像，就是從最暗到最亮總共有 216=65536 個階調，其中 (R,G,B) 的範圍就是0~65535。
像素的大小：
這邊所講的並不是實際的尺寸大小（這一部份會在解析度一節裡面深入探討），而是在數位世界裡面，一個像素的資料所佔據的儲存空間。以一個8位元，RGB三色的彩色影像來說，一個像素是由三個數據所組成的。描述紅色光須要 8 bits，綠色跟藍色也各佔據 8 bits，所以一個像素就剛好24bits。以下就幫大家回憶一下計算機概論囉~
1byte = 8bits
一張 8 bits RGB 彩色影像，因為 1 pixel→24bits =3 bytes
所以，一個1200萬像素的影像，在沒有進行運算壓縮的情形下，實際的檔案大小應該為：
12,000,000x3=36,000,000 bytes
除以 1024 （數位檔案裡面的進位是以 210=1024 為基準）
=35156.25 KB
再除以 1024
=34.33 MB
所以1200萬像素的不壓縮影像檔案大小就應該為34.33MB，數位單眼的RAW檔解開成 tiff 檔也應該接近這個數字。同樣的道理，如果你的像素基本設定更改之後，檔案大小也會更動：
- 一張 16bits RGB 彩色影像，因為1 pixels→48 bits=6 bytes （檔案大小為 8 bits 的兩倍）
所以同樣1200萬像素的影像，在沒有進行運算壓縮的情形下，實際的檔案大小應該為68.66MB。
- 同理一張 8 bits CMYK 四色彩色影像，1 pixels→8x4=32 bits=4 bytes（因為一顆像素是由CMYK四個數值所組成的，所以檔案大小為 8 bits RGB 的 4/3 倍）
所以同樣1200萬像素的影像，在沒有進行運算壓縮的情形下，實際的檔案大小應該為45.77MB。
早期因為儲存媒體價格居高不下，容量頂多8MB或是16MB，所以這樣大的影像一張記憶卡都不夠用。於是變產生了影像壓縮的運算法，眾所周知最出名的就是.jpg的檔案，一直沿用到現在。不過，這就是另一個大題目了！
（算完數學後，後面告訴你像素的紀錄流程！）
像素的紀錄流程：
雖然一個像素，都是由三個原色的光線組合而成的，但是我們的感光元件（CCD/CMOS）實際上卻是色盲。他只負責紀錄光線的強弱，而顏色的部份，就由覆蓋在上一層的色彩矩陣來紀錄。要完整記錄一個像素的資料，流程如下：
Step1.光線經由鏡頭進到感光元件表面，經由元件前的微鏡頭修正光路增加集光效率。
Step2.進到色彩矩陣，由四個RGGB的方形小單元紀錄色光，並以四個單位相互運算還原顏色。
Step3.光線最後進到集光單元，紀錄下光線的強弱（或是光子數量的多寡）產生微小的電流。
Step4.經由集光單元內的線路，將強弱不一的電流傳到QV（ Electron to voltage converter）之中，將電荷轉換成電壓。
Step5.下一步再將電壓送入放大器中進一步放大（當你調整數位相機上的感光度的時候，其實也就是調整了放大的幅度），然後再把類比訊號轉換為數位訊號（ADC Analog to Digital Converter）。
▲類比訊號轉成數位訊號的過程。
Step6.ADC轉換器能將信號配合色塊馬賽克的分佈，轉換成一個2D的平面矩陣，並賦予每個像素一個數值。
Step7.最終再整合影像輸出。
一個像素被紀錄下來的過程，極為複雜。雖然我們沒有必要很精確的去了解每一個環節，但是了解成像流程，其實有助於將來在數位暗房進行後製處理的時候，對每個潛在問題的了解。比如，雜訊是如何產生的？CCD尺寸跟影像清晰度之間的關係？從原理著手，才不會永遠都是下一台相機比較好。
下一講，我們就來探討像素數目與解析度之間的糾葛與迷糊帳。
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李旭彬
目前在台南獨立經營海馬迴光畫館，從事攝影藝術的推廣及教育，並持續從事攝影創作。曾負笈佛羅倫斯、紐約及舊金山等城市學習攝影。作品主要在探討土地的議題，影像風格深沈優雅。文字風格剽悍，理性感性兼備。
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