膠捲或膠片拍攝的照片、影片是否可以視為「無限清晰」?

數碼相機或攝影機都是用像素來記錄圖像的,所以無限放大後就會變得不清晰了。但是膠捲和膠片是感光材料感光的,所以應該每一個分子都會顯色,那麼它就應該是無限清晰的。而且,不論膠捲或膠片本身的大小。

是否可以這樣理解呢?


不可以這麼理解。
但是膠捲和膠片是感光材料感光的,所以應該每一個分子都會顯色,那麼它就應該是無限清晰的。而且,不論膠捲或膠片的大小。」——這句話本身就是錯的,並非每個分子都會顯色/不顯色,或者更明確的說,在有影像落在底片上的區域,分子也不一定會作出反應,而且分子不是一個個的對應像素,而是一團團的對應像素。

現代民用膠片,絕大多數都還是利用了銀鹵化物的感光特性,所以不論是黑白銀鹽負片、黑白銀鹽反轉片、彩色負片、彩色反轉片,黑白染料負片,他們都是利用銀鹽。特別是彩色膠捲(含黑白染料負片),同樣利用了銀鹵化物的氧化還原反應中產生的Ag+。即如下:

彩色顯影過程有賴於PPD=p-phenylenediamine(對苯二胺),以及QDI=quinonediimine(苯醌二醯亞胺)。
彩色底片在含有PPD作為顯影劑的顯影液中反應。
一個PPD同兩個Ag+反應,兩個Ag+被還原成兩個Ag,同時PPD轉化為QDI,
之後一個QDI與一個OH-參與(偶氮)染料的聚合過程,形成隱性染料(leuco dye)
。隱性染料再次與QDI反應,生成最終有色染料,同時QDI又轉化為PPD,繼續參與反應。

更詳細的反應你可以去化學的主題下提問。

所以,首先的結論是,不管黑白彩色,影像上的「點」的形成,都有賴於銀鹵化物的氧化還原。問題就出現了,這點有多大?是不是一個銀鹵化物分子形成一個影像?

不是。

已知的科學研究已經證明了這一極限——即至少需要4個Ag+,才能形成一個潛影中心。潛影中心的意思你可以理解為類似水汽凝結的「凝結核」。沒有這個「凝結核」,銀離子就不會被還原成銀原子。在有金相原子參與的情況下,可減少到三個。

我們可以不那麼科學的說,假設一張底片上只有四個位置恰好合適的AgBr分子,他們能記錄下幾個「點」?答案是一個,而不是四個。所以,至少在微觀層面上就無法做到一個分子記錄一「點」影像。
(感謝 @Kabise 對這一段的指正)

而實際中,銀鹵化物要比上面說的大的多——

(source:long reads ? Microcosmologist)
這是Kodak 採用T顆粒的銀鹽負片,某些銀鹽結晶具有更大的表面積和更薄的厚度。你能注意到其中有多種結晶晶型。
底片中實際銀鹽結晶是一個個晶體而分單獨的小分子的,所以底片上並不是一個個分子形成的點,而是一個個微晶體對應的點。上圖中小的顆粒大約100nm左右,大的直徑在1um,即1微米,遠在分子層面之上。
這就是底片的實際解析度極限,影像的密度不可能小於銀鹽結晶的密度。實際大概是這樣,找了個老圖:
銀鹽顆粒(左)顯影后(右)是這樣的

(source:Chapter IV. The Light Sensitive Materials Used In Photography)
銀鹵化物顆粒密度不可以過分的小,過小的顆粒將導致感光度過低,以及由此帶來其他問題,沒必要在這裡展開。

彩色負片你可以看做這一個個銀鹵化物結晶變成了一團團有顏色的染料。模擬情況下你可以這麼看(實際上不同色彩並不在同一層,並且這是人工上色的模擬效果):

(source:long reads ? Microcosmologist。底片為Kodak Portra 160 VC)
所以實際上彩色影像是由大小團塊不一的一坨坨染料聚集體組成的(銀鹽顆粒最終都會被除去,只留下染料)

因此,銀鹽為基礎的負片,要說分子層面一個分子對應一個點,那真的是太高估底片了。你可以說底片上一個個大小不一的銀鹽晶體對應最終影像上一個個大小不一的點,這些點的大小遠遠,遠遠大於一個分子的大小。

此外,現實情況中你還要考慮MTF,考慮銀鹽顆粒的散射和衍射,考慮銀鹽層的厚度,考慮晶體孔隙,考慮顯影液中的溶鹽作用…解析度因此將進一步降低。

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@金子傲 同學問了個問題,「為什麼這裡的溴化銀會形成這種不規則的多晶體形態,而不能將他們排列成規則的單晶體形態,單晶體形態顯然一個晶胞比這小得多啊

好問題。

是這樣的,我根據我知道的回答一下,希望專門搞感光材料的能多提意見,畢竟我是搞翻譯的,不是化學家。
使用統一的鹵化銀晶體形態,會帶來幾個問題:
1、無法均勻排列,所以單晶體形態可能出現不均勻的空隙,疏密不一導致部分覆蓋不到;
2、鹵化銀實際上,主要是,AgBr和AgCl等的混合物(暫且不考慮增感染料的問題),本身就不可能是一種形狀的晶體,這主要是因為要平衡感光度和粒子大小;
3、如果是單一晶體,反而更容易展現出顆粒感,大小不一的晶體重疊,將使得顆粒不那麼明顯;
4、大顆粒能捕獲更多的光子,「容易」激發潛影中心,換句話說感光度較高,但粒子粗。反之,小顆粒感光度著實有點低啊…不適合商業通用膠捲的製作,但藝術創作有,比如坊間很流行的ADOX膠捲,感光度20-25左右,平均顆粒大小是遠遠小於Tri-X(感光度320-400)的
我查了下,ADOX CMS官方宣稱的解析度能達到800lp/mm

PS:使用同樣大小的顆粒的底片,有這麼個東西可以給你參考下,大概會變成這種效果,當然沒這麼粗就是了:

(Autochrome,使用染色的土豆澱粉作為網屏)


有答主從底片化學構成角度分析,我就從光學角度來分析一下吧。

在大尺度看起來,光是沿直線傳播的。因此在計算光學成像時我們一般用到的是幾何光學。但實際上,考慮光學系統解析度極限的時候,就不得不考慮光波的衍射效應。由於鏡頭不是無限大的,所以一個理想的物點成像之後是一個彌散的斑,兩個緊挨著的斑能夠分辨開的極限情況就是解析度。如下圖所示:

圖1 衍射極限的簡單說明

一般認為光學解析度是半波長左右,所以經過特殊方法設計後,實現半波長以下分辨能力的話,我們就稱其為「超分辨」。因此即便膠片是理想的,得到的圖像也不會是無限清晰的,最終會卡在光學解析度這裡。

到這裡其實問題已經回答完了。但是既然提到了衍射極限,那麼不提一提如何突破它,似乎像是故事只有開頭沒有結尾。目前突破衍射極限的方法不少,在這裡給大家簡單介紹幾種。

1、STED(受激輻射損耗)技術
假如現在你手裡有一根粗鉛筆,卻要求你畫出一條細線,你會怎麼做呢?很顯然直接用鉛筆是做不到了,但給再你一塊橡皮,你就可以做得到。先畫出一條粗線,再用橡皮擦掉兩側多餘的部分,剩下的就是一條細線了。

STED技術也是這個想法。熒光成像中,熒光分子對波長 λ1敏感,可以輻射出波長為 λe的熒光。但如果 λ2照射熒光分子的話,由於能級匹配問題,它就變得鈍化,不再對 λ1有反應。因此我們可以將 λ2的光做成一個麵包圈,把 λ1的光斑套在裡面。縮小 λ2麵包圈的直徑,擦掉的部分越多,那麼剩下的也就越少,中間的那個點就可以分辨出來了。

將 λ2的光做成麵包圈的方法也很多,最常用的一種就是疊加一個渦旋相位,專業名字叫做「軌道角動量」,就可以實現一個圓環的亮斑了。圖2是一種典型的STED顯微鏡系統。

圖2 STED顯微系統示意圖

這種顯微系統實現的解析度要明顯高於普通光學顯微鏡,圖3可以看到清晰對比,Confocal是共聚焦顯微鏡得到的結果。

圖3 STED顯微鏡與共聚焦顯微鏡結果對比

2、Super Lens(超透鏡技術)
前面我們提到,之所以一個理想的物點成像後卻成為了一個彌散斑,可以理解為成像系統口徑不是無限大的。這就造成一個點發出的光實際上只有少部分能夠被成像,大量的光信息丟失了。當然這只是簡單的理解方法,實際上光照射物體時,散射出來的光可以分為兩類,一類是傳輸波,承載了物體大概的信息,我們日常看到的都是這一類;另一類則是倏逝波,承載了物體的亞波長信息。

但是通常倏逝波演光波傳播方向是指數衰減的,因此無法超出一個波長量級就消失殆盡了,所以無法參與成像。超透鏡的原理就是,使用負折射材料將原本應該衰減的倏逝波進行放大,使其可以參與成像。

圖4 Super Lens實驗實例

圖4中的例子就是Super Lens理論的實驗例證。實驗使用了365nm的近紫外光,得到了60nm的線條解析度。

負折射材料還是很神奇的,一種實現光學隱形的思路就是使用負折射材料。不過目前也就是個思路而已。


先寫到這裡吧,要去實驗室搬磚了。大家有興趣的話將來再補充。


銀鹽成像的最小單位取決於銀鹽晶體和染料團的大小
鏡頭本身也有光學的解析度極限

電影用的S35膠片長邊與135膠片的短邊長度一致(因為是豎過片)
轉數碼一般掃4K,而且大多其實最終都是掃4K出2K

所以135的極限你可以自己算一下大概是個什麼樣子


前面評論從化學角度進行解釋的非常詳盡,我試著用平時給小朋友們解釋的方法解釋一下。
首先,並不能無限。通常我們指的膠片的解析度級別的極限,來自於鹵化銀顆粒的大小。
簡單來說,顆粒越大,越容易感光,也就是我們通常說的膠片的感光度。常用的消費級的有100,200,400,800.每一擋之間差一檔光。也就是說,感受光的能力差一倍。我們可以說200度膠捲比100度的快一倍。
但是顆粒越大,很容易理解到,解析度即解析度會隨之降低。從沖洗出的照片上很容易看出,低速比如100度膠片成像比較細膩。但是比如我們在光照不足的夜晚拍攝,低速膠片無法滿足要求,我們只能用400度的膠片,成像的結果就是顆粒感明顯要大過用100度膠捲拍的照片。肉眼都很容易分辨。

見過5度(好象是,記不太清)的航空攝影的膠片介紹,解析度是超高的,超越現在的絕大部分數碼感光元件。但是當然也做不到分子級別。

簡單說來,可以這樣理解,感光度越高的膠片,解析度越低,反之,感光度越低,解析度越高。

但是我可沒說顆粒感明顯,粗糙的就是不好,哈,這也是膠片的部分魅力所在。與答案無關,是另外的問題了。


題主說的是無限放大吧。
照片也是有顆粒的可以理解為無規律排布的像素點雖然這麼解釋並不怎麼正確。


無限放大是不現實的,但是,膠捲的放大能力,在當今鏡頭能力和輸出設備的制約下,遠沒有被發揮到最大

儘管如此,電影膠片依舊可以拍攝18K影片,只是我們的播放設備只有2K到4K,所以輸出的時候留個5K6K就足夠了


更何況我們還有大畫幅!


不是,

最需考慮的是光的衍射


只有成像條件足夠好,才是考慮底片所計算出的解析度

如果讓我出一道高中競賽的光學題:
一膠片相機,鏡頭半徑多少,焦距多少到多少,底片大小几乘幾,其所能達到的最大解析度是多少

應該不少學生能給出明確答案。
然而已經老了……
好像是有個「明視半徑」什麼的概念可以計算


我記得一篇文章介紹說膠片IMAX電影(比如膠片版《星際穿越》,但是其中的星系等鏡頭是用計算機渲染的,並沒有膠片問題,這部分始終取決於計算機輸出的圖像)清晰度相當於8K水平,而目前很多IMAX數字影廳的標準僅僅是4K,好一些的有6K。

其實在蘋果推出視網膜屏概念後,顯示像素數這個指標已經接近應用極限了,把圖像做得比人眼識別能力更清晰是沒有意義的事情。現在家用電視機已經有4K屏,是常規視距上遠遠超過了人眼極限。

而對於圖像記錄端來說,上面有人提到的照片染料分子決定了圖像記錄的理論極限外,那是不是如果有更好的記錄手段就意味著可以無限提高像素數呢?並不是。光在成像系統中會發生衍射形成艾利斑,從技術上講,艾利斑的形成與光的波長和成像系統口徑有關。理論上波長無限小或者成像系統口徑無限大才能無限趨近於完全消除艾莉斑,達到所謂的無限清晰。很顯然,兩個條件一個都做不到,在特定的波長範圍(可見光)和有限大小的口徑條件下,成像本身就和光源物體不是100%相同的。無限清晰是做不到的。後續使用什麼手段來記錄也是沒辦法的。

那麼由於光學成像系統本身的性能極限,所以有時候膠片記錄並不一定比數字圖像更準確——數字圖像可以通過各種演算法,比如插值演算法等,渲染填充膠片系統無法記錄的細節。打個比方,可以用電腦按照光學物理原理渲染出接近無限精緻的彩虹(因為在每一個確定的點位上的光的頻率是按照公式分布的,所以可以精確計算出來)。這個原理在數字圖像領域的應用之一叫做矢量圖,可以實現圖像的無級無限放大。膠片系統顯然做不到這一點。

最後再說一點哲學上的觀點,我認為大自然中並不存在真正的0和無限的概念,這隻存在於數學和哲學中。基於這樣的觀點,我憑直覺就要否定所有關於真實物品是否具有無限性能的問題。


不可能無限清晰

1.實際上物體成像是通過衍射成像的。物點發出的光經過鏡頭時會發生衍射,在CCD或者膠片上形成一個光斑(即光強的主極大,周圍還有次極大,但相比主極大光強太小,不考慮),稱為瑞利斑(圓孔衍射得到的光斑叫瑞利斑,通常鏡頭的光圈都是圓形的或者近似圓形的),也就是像點。
2.當兩個物點相距足夠近時,它們在CCD或膠片上形成的兩個光斑(即像點)是分辨不開的,從而限制了成像系統(就是鏡頭)的解析度。
3.所以,由於鏡頭所成的像由於不是無限精確的,即使CCD或膠片可以無限精確地記錄信息,也得不到無限清晰的像。


膠片顆粒不是無限精細的


嚴重錯誤,首先有鏡頭的限制,在現在的135數碼系統中,很多感光原件已經高出鏡頭的解析度了,也就是說,對於絕大多數鏡頭,5000萬像素還是8000萬像素,實際清晰度是一樣的。
其實,膠片成像的並不是分子,應該說是「色塊」,我這個說法可能不準確,大概就這個意思。135的膠片實際只相當於2000萬像素都不到,討巧的是膠片色彩是連續的,不像像素是分割開的,所以觀感好一點。但在135系統中,數碼已經全面超越了。


不是這樣的,相機、掃描儀、沖印設備的光學鏡頭有一個很難逾越的光學解析度問題,無論膠片如何精細,都逃不過鏡頭這一關。目前的5000萬像素相機,就已經接近很多鏡頭的解析度極限了。


不從膠捲的角度想 僅僅是物理層面上 清晰度也不可能無限大 由於光的波動性和量子性 成像清晰度是有光學極限的 就像你的眼睛看不清東西有時候不是因為你的視力不夠好 而是因為觀察物視角太小超出了你眼睛成像的光學極限 所以成像清晰度的極限很大程度上是取決於成像組的質量


題主,矢量圖歡迎你


樓上好多技術派。太複雜!
我從空想派來解答。

但是膠捲和膠片是感光材料感光的,所以應該每一個分子都會顯色,那麼它就應該是無限清晰的。而且,不論膠捲或膠片的大小。」
就算是每一個分子都會顯色,那也不可能做到無限清晰。
什麼叫無限清晰,不說理論上的「無限」含義是什麼,那是絕對做不到的。再清晰,也不可能比被拍攝的目標還清晰。就以簡單的理解,膠片能把被拍攝目標的每一個分子都正確地顯示到圖像中,姑且認為這就是題主所說的無限清晰。在這種情況下,無論如何同步放大或者縮小,膠片所顯示的一定是和被攝對象保持一致。
那麼,怎麼能做到無限清晰呢?最簡單粗暴也是最有效的辦法,只能是一一對應,目標的一個分子(姑且把被攝目標簡化為一個平面)對應到膠片的一個分子。然後膠片感光分子的大小和目標的分子大小假設差不多,或者同一數量級,那麼最終我們看到的膠片,面積就得和目標差不多大小了...
然而我們所看到的膠片都是很小很小很小的(和被攝目標相比),顯然做不到一一對應。所以,也就不存在這個意義上的無限清晰了。


不是的,膠片上的感光材料實際上是一小團一小團聚在一起的,可以理解為隨機大小的像素。所以膠片的解析度也是有限制的,不可能達到分子級。好點的35mm彩色膠片在沖洗得當的情況下解析度也就相當於10mp左右。


用較大物體去描述較小物體,是有限清晰。

膠捲的顆粒就是醬紫


膠片拍攝的照片,就和紙張上面印的圖像一樣。雖然紙張本身作為實物,可以被看成無線限個像素,可是圖像被印在紙張上面時,總是有一個印刷的最小尺度這樣的限制。所以,如果非要把紙張放到非常大,看到的其實是紙張的細節,而不是圖像。

膠片上的圖像是類似的。如果真有無窮個像素可以被攝像機操控,那麼這台攝像機一定會因為工作量無窮大而燒毀。


我用佳能掃描儀掃描過老電影劇照底片 事實證明 可以放很大


按照這個邏輯,人眼也可以無限清晰


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