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[另类] 拆解索尼NEX-3N,芯片级操作刮除CMOS拜耳层

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发表于 2020-5-13 21:56:35 | 显示全部楼层 |阅读模式

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本帖最后由 北落师门 于 2020-5-14 18:25 编辑

改机有风险,下手需谨慎,建议量力而行

首先,我在数码之家首发的文章被人盗了,贴到了其他网站上,经过我的投诉举报,对方网站撤掉了文章。在此申明:本人所发的图片、文字等如无特殊注明,皆为本人原创,首发于数码之家,未经本人允许不得以任何形式转载!

接下来说正事。

这个计划已经酝酿很多年了,但以前因为设备器材、理论知识、技术手段还有钱的问题,一直没有付诸实施,现在我认为条件成熟了,终于动手做了!可能很多人不明白标题讲的是什么,先简单介绍一下拜耳层:

拜耳层是指在相机的CCD/CMOS成像元件表面覆盖的一层彩色滤镜。目前人类能制作的数码成像元件,本质上是一堆光敏二极管阵列,但光敏二极管只能感知光线的强弱,并不能识别光的颜色。所以在以前,数字成像是黑白的,为了解决这个问题,有人提出用红绿蓝三种颜色的滤镜分别盖在镜头前拍摄三张照片,然后合成成为彩色照片的做法,这个办法缺点很明显,被摄物体必须是静止的,如果是运动的物体,三张照片的成像会有偏移,无法合成出完美的彩色来。直到上世纪70年代,美国人布莱斯·拜耳找到了完美方法,他把三色滤镜加到了光敏二极管上面,每个光敏二极管都覆盖了其中一种颜色的滤镜,按照一定顺序排列,最终通过算法合成出了只拍摄一次就能得到的彩色照片。拜耳的这个方法在1976年申请了专利,此方法应用到了几乎所有的数码摄影和摄像传感器上,现在也有用其他排列方式的,但基本原理和拜耳滤色阵列一样,所以统称为拜耳滤色层,简称拜耳层。

经典的拜耳阵列,每4×4像素内由8个绿色、4个红色、4个蓝色像素组成,下面灰色的即为传感器像素。图片来源于百度百科。
314e251f95cad1c80714c28d713e6709c83d51e8.jpg


关键是算法

因为拜耳层的存在,每个像素只能对红、绿、蓝三种光中的一种有反应,所以单个像素实际上只记录下来了一种光的亮度值,出片时需要用邻近像素的数据进行插值计算,“猜”出每个像素剩余两种颜色的值,称为去马赛克算法。这种方法非常高明,算法能解决的,就不用堆料了,但省钱是有代价的,如此“猜”出来的照片,相机内部已经对其进行了处理,有些我们需要的内容,相机认为是不需要的数据而被弃去,进而导致了细节丢失,专业相机都是可以保存原始数据即RAW格式,方便后期处理,RAW保存了像素点采样时的所有原始数值,但解析的时候仍然按照马赛克算法来计算,如果出片是要转黑白的,拜耳层和去马赛克算法会在一定程度上造成锐度下降。

拜耳层还产生了另一个问题,每个像素平均只能接受入射光线的1/3,剩余部分被拜耳层过滤(红色像素被过滤掉了蓝和绿,蓝和绿像素以此类推),导致总的曝光量减少,直观体验就是需要更高的ISO,更慢的快门才能拍到合适曝光的照片。这在普通摄影里不是大问题,但在某些特殊场景比如天文摄影、室内摄像等,曝光不足就是个大麻烦了。通常情况下,背照式CMOS的最外层是微透镜,因为感光元件和配套电路争抢表面积的原因,CMOS的感光面积做不到100%,这个在技术上称为开口率,用微透镜可以一定程度上弥补开口率不高的问题,提升了传感器能接受到的光。实际上,目前我知道的刮拜耳层有实际用处的地方就是天文摄影,而且通常是深空摄影,深空摄影需要极致感光,并且不在乎色彩,反正可以后期上色,感光度和信噪比成了唯一需要关注的内容,此外,可能在黑白摄影里也可以使用,但应用不多。那为啥要刮呢?更多的是为了挑战自我,爽!

拜耳层之上的微透镜阵列,顾名思义,就是一堆的透镜,图是我朋友拍的,我觉得还不错,给大家看看。
QQ图片20200513211303.jpg


由上述内容可知,刮除拜耳层会让传感器丧失感知彩色的能力,但可以提升整体感光度和锐度,因为微透镜层在拜耳层之上,操作的时候微透镜层也被一并刮除,我认为这会导致一定程度的亮度损失,具体如何等刮出来看看效果。

废话讲完,接下来是实际操作。

首先是相机选型

理论上,任何相机都可以这么改,有钱的可以上全画幅甚至中画幅,没钱的刮个手机摄像头也可以,取决于用途和经济实力,比如号称民用夜视仪的索尼A7S,一个CMOS要1000块,虽然这个机型效果更好,但穷啊.....所以我选用索尼NEX-3N作为糟蹋对象,一方面因为这个型号性价比高,这款机型用的是1600万像素的传感器,残幅,此传感器也用于nex5系机型,那价格就要高一些了,正因为综合了像素、价格、画幅等考虑,我认为3N是用于改造的最佳对象。另一方面,得益于索尼奇葩的设计,这机子的屏幕特别容易坏,导致淘宝上买个屏幕的价格超过了坏机本身,这些坏屏的相机在闲鱼上以较低的价格出售,反正便宜,折腾的不二之选,没有显示怎么办?带HDMI输出的,自己整个显示器外接吧...当然有钱人也可以买个屏幕修好它,我觉得不划算,我买过两个修好了一个(主板问题),还有个整不好,要换屏,先放着吧。(我知道各大网站都有垃圾佬蹲守,不知道我这一波操作会不会导致闲鱼坏机涨价?)


进入动手环节

拆机部分不做赘述,百度有教程,注意点就是闪光灯电容要提前放电,不然不小心碰到了,就算被电一下无所谓,这种精密的数字主板很容易因为高压烧坏,烧坏的话,淘宝也有主板配件,花钱换吧.....
3N的拆机还是比较简单的,总的拆下来,螺丝种类不多,各个组件之间都还是很明确的,不会装错,就是小心主板上很多排线,不要扯坏了,拆下来的螺丝都按照部位分门别类放好,不容易搞混。
IMG_0594.JPG


这是已经拆下来的CMOS,基本结构都差不多,最上面湖蓝色的是红外截止滤镜,去掉此滤镜后能让相机感知到红外线,很多人抠掉这个镜片制作红外夜视仪,所有相机、摄像头、手机摄像头都通用。
IMG_9577.JPG


拆下红外截止滤镜,滤镜下面还有一块透明的保护用滤镜,就是平面玻璃,如果是轻度发烧或者改红外夜视仪的,到这一步就可以把相机装回去了。注意如果对成像要求高的,必须要在原位补上一块同样厚度的透明玻璃来补正光路,不然改完后的相机会变成近视眼,近视程度依据设备不同而不同,手机摄像头这种小尺寸设备影响很大,几米远以外就无法对焦,微单或单反相对影响较小,但仍然有可能导致无穷远无法对焦。
IMG_0552.JPG

红外截止滤镜下的保护镜片,就是块平面玻璃,镜片是用树脂粘合的,我用热风枪开到240度软化胶水后去除。
IMG_0556.JPG


接下来的步骤会不可逆地改变相机设计,并且有极高概率损坏,由此产生的损失责任自负!

取下CMOS的金属框架和保护滤镜,从这一步开始,CMOS不受保护直接暴露在空气中,极容易因为操作失误而损伤,并且这些损伤都是不可逆的!搞坏了怎么办?淘宝有这个CMOS的配件,100多一个......
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接着就可以刮了,因为精度要求较高,稍有不慎便会碰断金线,建议在体视显微镜下操作,刮的工具很简单,就是用美工刀和牙签!牙签稍微改造一下,头部削成一字螺丝刀的形状就行,刮得手法有点像用铲刀把粘在表面的东西铲起来那样,一下下地刮。微透镜层和拜耳层比较软,能被木材刮掉,而成像元件是硅做的,表面沉积有金属,所以只要不是发狠刮,不会刮坏像素,网上也有人用铅笔杆刮的,差不多那意思。但金属就不行,我试过用铜来刮,一不小心就把像素刮坏,不能用。刮的过程没拍照,手不够了,要诀就是胆大心细,耐心操作。

刮坏的效果是怎样的?我以前有搞坏过手机摄像头的,坏掉的像素就呈现出白色,无法对光做出反应。
IMG_0989 00_00_01-00_00_10 00_00_00-00_00_30.gif


这是刮了一半的,为了确定这样没搞坏,装回去看看效果。
IMG_0586.JPG
IMG_0600.JPG


效果图来了,左边是没刮掉的,中间比较小的深色区域是只刮掉了微透镜层,但拜耳层还在,明显亮度偏低,右边红色区域就是完全刮干净的了。刮除拜耳层后,丧失了颜色辨别能力,为啥画面是红色的呢?相机对红色的敏感度比较低,针对红色有补偿,一旦所有光都可以进来,红色就偏高了,导致了画面偏红。那些去掉红外滤镜改夜视的也是一样道理,红外线可以透过拜耳层,没有选择性,所有像素都能感应到红外线,所以是偏红的颜色。

DSC01453.JPG
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DSC01456.JPG


把图片转换成黑白,看得出去掉拜耳层后亮了很多,而中间只去除微透镜的部分最暗,说明去掉微透镜确实对亮度有损失,但总体来说进光量是有所增加的。
IMG_0615.JPG


继续刮,全部刮完,边缘需要细心处理,免得把金线碰断,刮完后清洗并安装回去,注意全程需要有保护,不然手指很容易就碰到cmos表面导致损伤。虽然有清洗,毕竟不如工厂里做得干净,表面落灰不可避免,为了高感,凑合用吧.....
IMG_0614.JPG
IMG_0620.JPG


外出随手拍几张,被朋友说成没有饱和度....基本上,原图都没啥饱和度,很平淡的味道,并且此时有红外线干扰,饱和度确实差了点,不然就再把红外截止滤镜加回去,还能补偿一定的光路,我只是为了体验效果,重在折腾,无所谓。
IMG_0623.JPG
IMG_0624.JPG


关于画面锐度,要用成像质量好的镜头才能看出区别来,因为我手头没有特别好的镜头,所以对比可能不严谨,图片需要转成黑白,机内直出的黑白基本上是根据马赛克算法解析的,画质有损失,网上建议用rawtherapee,一个免费软件,转换模式要用MONO,当然这里的锐度通常要放大到200%才能看得出,正常情况...我也不知道有啥区别。
原始文件.jpg
DSC01521.png

截取上图黄框放大,左边,经过转换后的黑白文件,右边,相机原始出图。区别还是比较明显的,不过我估计软件对不同文件格式的解析能力也有差别,这个不作讨论。
IMG_0627.PNG

总体来说,刮除的过程还是比较顺利,我没有高解析度镜头,无法测试具体的锐度对比,这是个遗憾,根据网上评价来看刮拜耳层后对镜头要求比较高,对于像素密度高的机型普通镜头可能无法喂饱,是个烧钱的玩法。由于风险太高,并不建议大家都去做,如果有兴趣,可以买个手机摄像头或电脑摄像头来体验一下。

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发表于 2020-5-13 22:47:17 | 显示全部楼层
好高超  佩服
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发表于 2020-5-13 22:55:04 来自手机浏览器 | 显示全部楼层
或千流明,紫薯你妹
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发表于 2020-5-13 22:56:51 | 显示全部楼层
真牛逼,我就只敢拆了几台老数码相机的红外过滤镜片。
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发表于 2020-5-13 23:43:57 | 显示全部楼层
本帖最后由 whseen 于 2020-5-13 23:45 编辑

头次见到彩色改黑白,而且是微单感光片。早期路口电子眼,有星光级专用黑白感光片。手机黑白双摄,如果有工程模式可以试试切到黑白镜头,改成星光级需要把感光片红外截止涂层去掉。

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 楼主| 发表于 2020-5-13 23:59:49 | 显示全部楼层
whseen 发表于 2020-5-13 23:43
头次见到彩色改黑白,而且是微单感光片。早期路口电子眼,有星光级专用黑白感光片。手机黑白双摄,如果有工 ...

星光级的代表就是wat-902h,传感器也是索尼出的,当然路口那种抓拍可能用不到这种高级货,都是靠强力闪光灯来实现,以前也没有道路流量监控这种硬性需求,甚至有传说抓拍用的是单反....
现在902h算是淘汰了,模拟时代的巅峰之作,分辨率太低了。这个型号默认就是没有加红外截止滤镜的,有良好的红外感应能力。现在很多号称星光全彩的,估计都是虚标,好久不玩监控机了,对这块的发展不太清楚。
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发表于 2020-5-14 05:05:36 来自手机浏览器 | 显示全部楼层
蛇精前留名,开眼界
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发表于 2020-5-14 06:38:00 来自手机浏览器 | 显示全部楼层
复古啊,有风险
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发表于 2020-5-14 07:29:44 | 显示全部楼层
投影机有3DLP,为啥相机没有3Cmos,看完楼主前面的话,就知道是厂家缺钱省料的结果了。
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发表于 2020-5-14 08:05:20 来自手机浏览器 | 显示全部楼层
胆大心细,改装效果也不错。
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发表于 2020-5-14 08:12:36 | 显示全部楼层
rush 发表于 2020-5-14 07:29
投影机有3DLP,为啥相机没有3Cmos,看完楼主前面的话,就知道是厂家缺钱省料的结果了。 ...

高级一些的和广播级的摄像机有3CCD

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发表于 2020-5-14 08:37:11 | 显示全部楼层
这个改造有点凶残呀,:lol:
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发表于 2020-5-14 09:09:03 | 显示全部楼层
高级,膜拜一下,留名……………………
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发表于 2020-5-14 12:01:34 | 显示全部楼层
差不多10年前就看到有这样的操作了,那时玩天文,看到一个发烧友就把单反的CCD刮了拍黑白深空天体,那锐度高了很多

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 楼主| 发表于 2020-5-14 12:33:24 | 显示全部楼层
solarshen666 发表于 2020-5-14 12:01
差不多10年前就看到有这样的操作了,那时玩天文,看到一个发烧友就把单反的CCD刮了拍黑白深空天体,那锐度 ...

这个主要是用在深空摄影上,深空摄影的亮度非常低,能有一点光算一点。而且深空不在乎颜色,都是多波段合成的,反正有赤道仪,要拍多久就多久。固然直接用黑白cmos/ccd更好,但大底的黑白相机并不便宜,我朋友已经在怂恿我刮中画幅了。
我还看到有人把3n改造成冷冻的,但说实话在背照式cmos上用冷冻意义并不大。10年前能玩这个的都是高烧,我也曾想玩深空,无奈穷和没时间,所在城市光污染太厉害,只好作罢。
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发表于 2020-5-14 12:49:59 来自手机浏览器 | 显示全部楼层
专业,膜拜一下
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发表于 2020-5-14 13:06:01 | 显示全部楼层
已超出该会员当天被打赏总额,请多给其他会员打赏鼓励! 哎 都不知道干什么的
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