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DC踏入每秒一千張的速度

【文/圖 S.Roach】

如果將可拍照的手機也算進來的話，數位相機已經普及到人手一台的地步，市場競爭非常激烈，廠商也不斷推出新功能以吸引消費者的注意。最近有些廠商主打高速攝影功能，消費相機便可做到「一秒鐘一千張」的驚人速度（錄影），如果是平時拍照，也可以一秒鐘連續拍攝三十張。

一般人對高速攝影的印象都來自於電視介紹，高速相機的主要用途大部分是在科學研究上，也有些在工程應用。一些令人印象深刻的照片，例如子彈打穿物體的瞬間，裝滿水的氣球爆破的一剎那，或是汽車撞擊變形的過程。當然還有一些少見的應用，像是工業檢測，有些生產線一秒鐘可能有上百個成品要檢查，這時便需要高速攝影機才能拍下清楚的過程。

仔細看這些平常看不到的照片與影像，的確是很迷人，但少見的東西是否值得多掏出幾張死小孩？這就見仁見智了。筆者曾問過強者我朋友，既然他的博士班生涯與高速相機相處了很長一段時間，有沒有想在日常生活中繼續使用這種好東西，他說這問題困擾他很久了，他想不出一般人要這種相機幹嘛？最近也一直想入手一台這種相機，但實在想不出有什麼非拍不可的高速相片。

不只是高速攝影而已

所以說這就是廠商厲害的地方，他們想出利用高速攝影技術的方式，在低成本下，讓工程技術改善一般人的生活。像是CASIO的新相機有特殊功能，每次拍攝時可高速連續拍攝30張，一來是幫你找到最好的那一瞬間，二來是相機可以預先拍攝照片儲存，補償拍照的落差。

其實廠商的資料已經說明得很清楚了，一般人看到想拍的景色到按下快門，中間都會有時間差，這時想要捕捉的畫面往往已經消失。如果相機以攝影機的模式一樣連續拍攝，儲存下快門按下前幾張的照片，到快門按下後的照片，那我們就可以回溯這些照片，找到快門按下前發生的影像，補償中間延遲的時間差。

像是筆者上次跟一群同事拍攝團體照時，可能是充當攝影師的小妹太耀眼了點，每次都有人閉上眼睛，重複拍了好幾張才成功。如果有高速攝影，便可以在大家準備好之後，連續三秒拍攝三十張，之後逐一檢視，就比較不會發生這種慘事了。除了這些特殊功能外，超高速攝影代表感光器的曝光時間也超短，而曝光時間很短的影像，代表不容易受到手震的影響，不用特意去開啟防震功能也有比較好的效果。

高速相機好處多，為什麼不普及？

最早的高速攝影機當然是底片機，像是機關槍一樣將底片捲過鏡頭，快門答答答開關開關，就這樣完成高速攝影。這種機器可說是機械式攝影的登峰造極之作，不論是快門控制，底片捲動，都必須是設計精密的機械才辦得到，不過機械有機械的限制，要拼高速還是比不上電子運動的。

進入電子攝影後，一開始是以CCD做為感光元件，是後來才改以CMOS來設計。CMOS原本並不適合作為感光器的元件，因為他的雜訊太大，感光度沒有CCD好，但是經過半導體業界不斷的努力，終於有現在的成果（現階段還有入門DSLR採用CCD感光元件）。事實上對CMOS影像感測器幫助最大的應該是電腦產業，每台電腦都要用DRAM，而且越用越多，這些DRAM設備過幾年就淘汰換新實在很可惜，剛好DRAM跟CMOS感測器都是用相同的技術做出來的，而且一樣是格子狀排列，也有電路共用，所以當DRAM大廠美光（Micron）跟三星（Samsung）成為CMOS大廠這一點都不意外。

CMOS可以操作得比CCD快，而且CMOS內部可以裝進一些輔助電路，做一些資料控制，甚至直接在晶片內部進行處理，所以要開發超高速攝影的感測器，CMOS自然比CCD適合。目前市售商用CMOS影像感測器大都將速度訂在60fps，這樣剛好可以作為webcam使用，但並不代表webcam只能跑到60fps。目前的 USB webcam大都是自動調整曝光時間，打光越強曝光時間越短，筆者曾拿個贈品webcam做實驗，將解析度放小些，對準強光影像，搭配可顯示fps的影像軟體，結果測到一秒鐘120張的驚人數字。

其實幾年前就已經出現500fps以上的CMOS感測器可以作為高速使用，只是筆者等這樣多年也沒有看到有跟webcam一樣蟑螂價位的高速CMOS攝影機出現，畢竟要設計一台高速攝影機，不只是影像感測器，還包括後段電路，影像處理、傳輸與儲存缺一不可，在欠缺商業用途及售價因素很難普及。

感測器本身的問題

廠商要設計高速相機，第一個問題便是感測器本身是否有料，感光能力是否足夠的問題，或是說ISO可以拉到多高。假設現在拍攝路上的汽車，ISO是100，曝光時間1/10秒，則要做到100fps時，因為曝光時間只剩下1/100秒，ISO起碼要一千才可辦到相同的影像品質。當然啦，如果你的數位相機ISO超高，那也可以來拍低照明的景色，像是晚上公園的…花花草草。

高速攝影跟夜視其實是很相似的東西，都是要有非常敏感的感測器才能做到。但感測器高速攝影要求傳輸介面要夠快，CMOS要能夠很快將儲存於畫素電容內的資訊傳給後方電路，才能儘速進行下次攝影。如果只是要求拍張很漂亮的夜景，那拍完後大可慢慢將資料後送，只要資料不損毀即可。

當有了超敏感的CMOS之後，高速攝影系統第一個帶來的困擾是資料量超大，如果按一下快門，相機就要儲存30張照片讓你挑出正確那張，則相機必須要擁有之前的三十倍以上記憶體。其實現在這已經不是很大的問題，最近金融海嘯的影響，DRAM的價格快跌到最源頭的原料成本，像海邊的沙子一樣不值錢，所以消費相機多裝一些記憶體來儲存連續攝影的資料並不過份，也許不久後我們可以看到相機上搭載4GB DDR3記憶體。

使用高速攝影機的目的，無非是記錄瞬間影像，或是將高速動作以慢動作的方式播放，而慢動作播放就會造成看不完的結果。如果相機以300fps的速度錄影，而觀賞時回到正常的30fps，這代表每錄影一秒鐘肉眼要花十秒來檢查，除非你有很多時間來分別檢查小片段，不然連續不停的高速攝影只會製造沒有人看的資料。只是大部分的數位相機都沒有這樣大的記憶體，可以暴力儲存這樣多的資料。得記錄下來或是傳送出去，不然記憶體滿了也無法處理新的影像資料。

天阿，又是儲存容量的問題！

既然要傳送出去，高速攝影機所採用的傳輸介面也是個問題。假設科技突飛猛進，明天你的相機就可以用1000fps的速度拍一秒鐘，而且張張精彩捨不得丟棄，所以有一千張照片要傳回電腦，而這一千張照片都是攝影師愛不釋手的raw檔案，如果這是千萬畫素相機，那也代表你要傳送30GB的資料回電腦。

我想一下30GB是什麼意思，不過就七張DVD嘛！跟一台TB等級的硬碟相比實在不算什麼，所以用現在最流行的USB 2.0來傳送吧，USB 2.0號稱有480Mbps的實力（理論值），不過那是瞬間爆發，平均下來大概是30MB每秒，等於每拍一秒鐘要一千秒來傳送，這真是夠了，按下mouse後，去隔壁茶水間泡個咖啡，跟漂亮助理聊天回來都還沒傳送完畢呢！

所以高速攝影需要高速傳輸介面，現在的專業機器傾向使用FireWire（IEEE 1394）或是Camera Link介面，前者大家都知道，而後者其實是LCD螢幕內部顯示介面的變形，只是電腦從送出資訊的角色變成接收。另外還有使用Gigabit的，使用高速乙太網路直接連結電腦與相機，因為現在的電腦大都有Gigabit介面，使用起來也很方便。

不論是以上哪種介面，其實速度都還是不夠快，都會面臨一天打魚，一個月曬網的尷尬情況。好在高速攝影的本質是你很少會持續拍攝，通常是準備很久後才拍攝一瞬間，只要不慢到離譜，一般使用者對這些傳輸介面都還算滿意。

不過筆者倒是很期待最新的USB 3.0（理論值4.8Gbps），英特爾既然說希望在今年推出，麻煩他們動作快點，十倍速度的USB 3.0實在是很令人期待，可以把1000秒的傳輸時間降到100秒鐘，如果有廠商想不開了，願意開發平價的高速webcam，即便只有300fps還是非常令人期待。

降低解析度並不是最終解決之道！

以上講了這樣多技術考量，都是告訴我們說要做到高解析高速連續攝影有多難，那反過來說，不要高解析就沒事了對嗎？這是真的，不論是資料處理量，傳輸頻寬與儲存媒體的要求，都是建立在「每秒資料量」上，只要降低照片解析度，對於各項的要求就整個降低了。

以前的感測器做起來還有些礙手礙腳的，如果感測器的設計就是如此，必須將感測器上所有的畫素資料傳出後，才可進行下次的攝影動作，那根本不可能降低解析度，只能處理到一半時將部分資料丟棄以降低後面電路的負擔。有些新的CMOS感測器有降低解析度的功能，例如原本是1024×1024解析度，他可以傳送512條之後，就清除資訊進入下次曝光狀態，所以只需要一半的傳輸時間，另一半時間挪給曝光工作使用，代表一秒鐘可以拍攝更多的影像。

如果觀察CASIO高速相機的規格，可以發現的確如此，在高速錄影時，210fps的解析度是480×360，如果速度兩倍到420fps，則解析度降到224×168，當速度拉到最快的1000fps時，解析度就只剩下224×64。

如同前面所言，要做到高速攝影有很多條件，並不是感測器夠用就好，也許是系統的瓶頸卡在資料壓縮速度、或是卡在記憶體大小，一定是整個影像處理環節上有人跟不上，只好降低解析度、降低資料量，來維持高速攝影。還好這些問題往往會隨著科技進步而有改善，如同個人電腦進步一樣，每樣零件都要進步，才能拉高整體系統性能。

說到這個，倒是可以提一下美光半導體（Micron）所提過的設計，既然CMOS影像感測器跟DRAM都是類似的半導體產品，美光希望將這兩者合而為一，一片晶片內不但有感光元件，也有影像記憶體，當然還有個處理器核心，但不會很強大。這樣一來，當感光元件拍下照片後，不用忙著傳到電路板另一端去，而是在晶片上先暫存起來，處理完畢才後送。

講了這樣多，其實高速攝影的魅力還是要親自看過才知道，只要取景對了，用210fps拍攝美女微笑的表情再慢速度播放也很賞心悅目。不過筆者期待的是高速相攝影變成許多相機的標準功能，讓我們可以在網路上看到更多令人驚異的高速凝結照片。