一台「裝了鏡頭的烤麵包機」：全球首部手持數位相機背後的故事

1975 年,一位任職於 Kodak 軟片公司的年輕工程師,利用手持數位相機拍下了第一張照片。從那一刻起,攝影藝術的命運被徹底改寫。

當 Steve Sasson 剛進入 Eastman Kodak 工作時,這間美國攝影軟片製造商正是美國工業創新精神的耀眼象徵。

這間公司由 George Eastman 於 1870 年代創立,憑藉著 Kodak 品牌,幾乎成了軟片攝影的代名詞。當時的人們購買 Kodak 軟片,裝進 Kodak 品牌的相機裡;照片沖洗使用的是 Kodak 的顯影藥水,最後拿在手上翻閱的,則是印在 Kodak 相紙上的成品。

這間公司在 19 世紀末甚至為這種一條龍的流程想出了一個響亮的口號:「你只要按下按鈕,剩下的交給我們。」

但當 23 歲的 Sasson 在 1973 年加入 Kodak 時,他覺得自己格格不入。他既不是研發新底片的化學研究員,也不是準備設計能搭配 Kodak 底片之新相機的機械工程師。相反地,他是一名電機工程師,而且整個攝影流程中有些環節讓他覺得不太對勁。

現年 75 歲的 Sasson 在美國家中辦公室接受 BBC 視訊採訪時表示:「剛進 Kodak 的時候,你必須去上攝影課。你得學會沖洗底片,還得出去拍照、研究底片之類的東西。老實說,我覺得那真的很煩人。你拍了照片,卻得等上好長一段時間,還得在那邊瞎搞那些化學藥劑。」

「你看,我是看《星際爭霸戰》(Star Trek)長大的,所有好點子都來自那部影集。所以我當時就在想,如果我們能全部用電子化處理呢?如果我能用電子方式儲存影像、擷取影像,而且完全不需要任何底片呢?」

即便當時還沒人打算發明這種東西,但一台不需要底片的相機雛形其實已經初具規模。幾十年來,科學家早就知道當某些金屬受到足夠強度的光波照射時,會產生微弱的電流。最早的曝光計(用來告訴攝影師該如何設定相機以獲得正確曝光)就是利用這個原理,並使用硒電池製成的。

當時 NASA 的 Landsat 等衛星也已經利用一種基於 真空管技術 (vacuum tube technology)的數位感測器,拍攝出初步的數位影像。天文學家也開始利用電腦將大型望遠鏡偵測到的光線轉化為影像,但這些設備極其昂貴且體積龐大,根本不是一般人出國度假拍照時能用的東西。

我就是很喜歡光線如何影響並控制電子設備的這個點子。—— Steve Sasson

1969 年,美國 Bell Labs 的研究人員研發出一種稱為 電荷耦合元件 (charge-coupled device,簡稱 CCD)的積體電路。電荷可以儲存在金屬氧化物半導體(MOS)上,並從一個 MOS 傳遞到另一個。發明者相信,這項技術總有一天能應用在影像裝置上,儘管他們當時還沒想出具體該怎麼做。

儘管如此,CCD 的發展非常迅速。到了 1974 年,美國微晶片公司 Fairchild Semiconductors 製造出首款商用 CCD,解析度僅有 100 x 100 像素(即從原始影像中擷取的微小電子樣本)。這款新裝置擷取影像的能力當時還僅止於理論,還沒有人嘗試過真正拍下一張照片並將其顯示出來。(事實證明,NASA 當時也在研究這項技術 ,但並非為了消費型相機。)

Sasson 說:「直到我的主管 Gareth Lloyd 提醒我,我才意識到這件事。」1974 年,他任職於 Eastman Kodak 的應用研究實驗室,那裡簡直是發明家的天堂。「我們會發想產品創意、解決各種問題。那並非什麼超前時代的研究。有一天 Gareth 來找我,我印象非常深刻,因為那次對話不到一分鐘,我還記得他當時就靠在我的檔案櫃旁,他說:『我有兩件差事給你,在我們幫你找點正經事做之前,你就先拿這兩件事打發時間吧。』」

Sasson 接到的其中一項任務,是為公司的一款消費型攝影機設計曝光控制模型。至於另一項呢?則是去研究一種名為 CCD 的新型積體電路。

Sasson 說:「我非常著迷於光線如何影響並控制電子設備,我的碩士論文就是研究這個。」他甚至曾利用半導體做出一個能透過光脈衝控制的小裝置。

Sasson 相信,製造無底片相機的技術早已存在,只需要以正確的形式組裝起來。「我只需要幾焦耳的能量來儲存電荷圖案,也就是光學圖案。我覺得這點子非常純粹、很酷,而且很有現代感。」

「我想造一台沒有活動零件的相機。說穿了,這只是為了氣死那些機械工程師。當時大多數相機都是機械工藝的傑作,而我這輩子根本造不出什麼機械相機。所以我心想,既然這群傢伙都是業界菁英,那我就做一台完全沒有活動零件的相機,絕對會讓他們氣得半死。」

Lloyd 曾叫他去買一個這種新型電路。「結果我買了兩個。我說:『以防萬一我燒掉一個』,而我當時還真的很有可能搞砸。」

東西寄到後,Sasson 便開始動工。「這些裝置非常、非常古怪。你得提供大約 12 種不同的電壓。裝置送來時,上面折著一張紙,告訴你這台特定裝置出廠時適用的 12 種電壓,然後在最底下寫著:『祝你好運。』只要其中任何一個電壓不對,就完全沒有輸出,你得自己想辦法找出到底是哪裡出錯。」

Sasson 的研究顯示,這種新型電路雖然大有可為,卻也有其缺陷。「它是一個很棒的顯像裝置,卻是個糟糕的儲存裝置。如果你讓影像在上面曝光約 100 毫秒,影像就會立刻開始劣化。」問題出在所謂的「暗電流」(dark current),這是一種由熱能產生的微弱電流,會干擾電路。這也是我們現在所熟知的「 雜訊 」(noise)的主要來源。

我基本上偷了所有的零件。—— Steve Sasson

CCD 電路雖然對光有反應,但 Sasson 必須想辦法裝上鏡頭才能成像。接著他能將光線轉換成數位資訊,也就是一連串 1 與 0 的數據海,但當時面臨一個大問題:錢。

「我根本沒錢造這玩意兒。沒人叫我做,我也沒資格要經費,」他說。「所以我基本上是到處『偷』零件。那時我在 Kodak 的儀器部門,那裡零件很多。我從樓下二手零件回收桶的一台 XL 電影攝影機上,偷拆了光學組件。路過看到就順手牽羊,你懂的。」為了省下數百美元的零件費,他還從一台價值 12 美元(約為 1974 年的五英鎊)的數位電壓計中,拆出一個類比數位轉換器。

「我設法在沒人察覺的情況下搞到所有零件,」他說。

相機的雛形慢慢成形。這台笨重的裝置需要儲存 CCD 擷取的資訊,於是 Sasson 用了一台卡式錄音機。但他還需要一種方法,好讓儲存在磁帶上的影像能被看見。

「我們必須做出播放裝置,」Sasson 說。「同樣地,也沒人要求我這麼做。所以我只要把相機運作的過程反過來執行,再將數位訊號轉換成 NTSC 電視訊號即可。」NTSC(國家電視系統委員會)是當時美國電視機採用的轉換標準。

Sasson 必須將相機擷取的 100 條數位編碼,轉換成構成電視訊號所需的 400 條掃描線。他得進行複製或「插補」(interpolate)。但該怎麼做?「唯一能辦到這點的就是微處理器。那時微處理器才剛問世,Motorola 有一套微處理器開發系統,可以處理這麼大的記憶體,」他說。

這款新型微處理器售價數千美元,在當時是一筆巨款。Sasson 寫了一份提案申請經費,名義是研究其運作原理,而非透露他打算拿來造什麼。令他驚訝的是,提案竟然過關了。「我可以製作記憶卡插進去,讓處理器運作、重新排列數據,完成我需要的所有插補作業。」

攝影世界在 1/20 秒的快門與 23 秒的數據傳輸間,徹底改寫了命運。

Sasson 與同事 Jim Schueckler 花了一年多時間,將這台日益笨重的裝置組裝起來。到了 1975 年 12 月,相機及其播放裝置終於完工。這台相機的快門速度約為 1/20 秒,如果一切運作正常,當相機從 CCD 傳輸儲存資訊時,卡式磁帶就會開始轉動。

Sasson 研發的新相機並非那種外型流暢、能在攝影器材展或相機店吸引眾人目光的夢幻逸品。它看起來像個超大號烤麵包機,簡直就像是希斯.羅賓遜式(Heath Robinson-esque)那種東拼西湊的古怪裝置,隨著研發過程中遇到的問題一個個浮現,這台機器也就這麼被湊合了出來。Sasson 表示:「機件裡的每個零件都只造了一個,全部都是手工打造的。」

這台新相機體積龐大,重量達 3.6 公斤,但勉強還算能隨身攜帶。Sasson 把它收好,走到附近的辦公室,打算嘗試拍下第一張照片。在那間辦公室裡,有一位名叫 Joy Marshall 的研究員同事。

Sasson 說:「我問她:『我可以幫妳拍張照嗎?』她知道我們是走廊盡頭那群怪胎,就是那種你平常不太會去搭理的瘋子。」

「我拍了她的頭部和肩膀。我知道相機有在運作,因為磁帶開始轉動了。影像捕捉只花了二十分之一秒,但把資料存進磁帶卻花了 23 秒。」

「所以我很開心,走回實驗室......我們把它放進播放裝置。讀取大約花了 23 秒,接著又花了八秒重新調整格式,好讓它看起來像電視訊號,最後傳送到我從另一個實驗室偷來的電視機上。」

她的臉完全扭曲變形,根本看不出那是個人。—— Steve Sasson

Sasson 用這台不用底片的相機所拍下的第一張照片,緩緩地顯現出來。「你可以看到她的頭、頭髮,一直到肩膀。她是黑頭髮,背景顏色很淡。你可以看到淡色的背景,但她的臉完全扭曲變形,根本看不出那是個人。」

Sasson 說:「我們當時超開心,因為我們知道有一千個理由會導致什麼都拍不到。光是能看到影像是有組織的、頭髮長在對的位置,這就已經太神奇了。我們簡直欣喜若狂。」

「但 Joy 因為好奇也跟著我回到了實驗室,她就站在走廊上。我們轉過身,Joy 卻只說了一句:『還得再改進。』然後就轉身走開了。」

由於機器設定的關係,任何明暗對比不夠強烈的影像都無法正常顯影,這就是為什麼淺色背景和 Marshall 的頭髮清晰可辨,她的臉部卻模糊不清。透過重新調整電路板內部的接線,Sasson 表示:「在那個年代,改線比改軟體容易多了。」這才讓 Sasson 和 Schueckler 終於「看見了影像」。

史上第一張由手持數位相機拍攝的影像就此誕生,儘管受限於極低的像素,解析度並不高。在 1/20 秒的快門瞬間與 23 秒的資料傳輸後,攝影世界徹底改頭換面。

這台由 Sasson 利用零組件和零用金購買的硬體拼湊而成的相機,在一夜之間改變了他的職業生涯軌跡。

他回憶道:「我當時只是很高興這玩意兒能動,直到我開始向 Kodak 管理層的不同部門展示時,才意識到這項發明的深遠影響。我心想:『天啊,如果拍照、看照片都不需要底片和相紙,只需要一點點焦耳的能量,這不是很酷嗎?』」

不久後,主管要求 Sasson 向這家底片巨頭其他部門的主管展示這台相機。

「Gareth 會給我一份邀請名單。你要知道,我當時只是一個初級工程師,卻要邀請一堆經理。那些經理看了之後,又邀請了其他經理。結果,會議室裡坐滿了舉足輕重的人物。」

影像出現的那一刻,我就失去了對會議的掌控。—— Steve Sasson

「我每次都做同樣的事。我會幫坐在右邊的人拍一張頭部特寫,接著磁帶開始轉動,看到它正常運作我就放心了。我會向大家解釋這是什麼東西,等磁帶停止後,我再幫坐在左邊的第一個人拍照。磁帶再次轉動。在此之前,我們已經用推車把播放裝置和螢幕搬進來放在房間後方,Jim 就守在那裡。我會取出磁帶遞給他,他再放進播放機。他一邊說著話,影像就突然跳了出來。而就在影像出現的那一刻,我就失去了對會議的掌控。」

對於沉浸在銷售底片、沖洗藥水和相機業務中的 Eastman Kodak 主管們來說,他們突然親眼目睹了一場「正在電視上播映」的革命。Sasson 被排山倒海的問題淹沒:這東西多久能變成消費級相機?能拍彩色嗎?畫質能有多好?這些問題這位電機工程師壓根沒想過。他說:「我以為他們會問我:『你是怎麼讓這麼小的類比數位轉換器(A to D converter)運作的?』因為那才是我苦熬了一年多才解決的難題。」

「他們完全沒問我任何關於『如何達成』的問題,反而是一直問我『為什麼』?『為什麼會有人想用這種方式拍照?』、『攝影出了什麼問題嗎?』、『實體照片哪裡不好了?』、『電子相簿到底長什麼樣子?』每次開完會,Gareth 都會跑過來確認我是否還活著。」

木已成舟,Sasson 發現自己正試圖透過水晶球預測未來。在第一台相機問世後,他與 Eastman Kodak 消費部門的幾次初步會議中,不斷被追問這項技術何時才會變得「正常」,而這一切都發生在平價個人電腦概念普及的十年前。

「這是一台從頭到尾徹底數位化的裝置。當時市面上根本沒有數位消費產品,所以我必須使用類比法。那時 HP35 計算機剛推出,我就說:『把它想像成裝了鏡頭的計算機。它在進行運算、儲存數字,而且儲存的數字量比你存的還要多得多。』」

有一個問題從未停止被提起:這項技術何時才能投入商用?

Sasson 回憶起與 Eastman Kodak 消費產品部門某人的交涉過程。他當時用了計算機的比喻,並提到加州一家名為 Apple 的新創公司剛開始販售的 DIY 電腦主機板套件。「很奇妙,過了這麼多年你還能記得這些細節,我甚至記得他坐在哪裡,左手邊第三排,他問:『你剛才說的那台計算機要多少錢?』我說:『大約 400 美元。』『那加州那群傢伙賣的電腦板呢?』我說:『大約 700 美元左右。』」

「他說:『所以花 1100 美元,拍出來的照片卻比一台 35 美元的全配 Instamatic 還爛。我們到底為什麼要談這個?』我當時無言以對。」

有一個問題從未停止被提起:這項技術何時才能投入商用 ?「我必須想出一個答案。於是我打給研究實驗室問:『如果我要達到跟 110 film 底片同等的品質,需要多少像素?』那已經是當時能找到最差的底片格式了。實驗室說需要一百萬像素,如果是彩色影像則需要兩百萬。」

「而我當時只有一萬個黑白像素,」Sasson 說。他轉向一項名為「摩爾定律」(Moore's law)的觀察,該定律指出隨著技術成熟,積體電路中的電晶體數量每兩年會翻倍。「當時沒人質疑摩爾定律。這完全是數位化的產物,我不知道 CCD 技術是否會遵循摩爾定律,我甚至很懷疑,但你知道的,我當時走投無路了。所以我算了一下,然後說:『大約 15 到 20 年之間。』」Kodak 的第一台消費型數位相機 DC40 於 1995 年上市,正好是 Sasson 預言後的第 18 年。

「純粹是運氣好,」他說。「我完全不敢居功。我當時只是拚了命想弄出一個有根據的數字,你知道的。所以如果有人想挑戰那個數字,我就會說:『喏,這就是 Moore's law。你去跟 Moore's law 爭論吧。』」

能和這群聰明絕頂、一心思考技術未來走向的人共事,感覺真的很酷。—— Steve Sasson

1978 年,Kodak 獲得了史上第一份數位相機專利,這也是 Sasson 的第一項發明。據信這份專利為 Eastman Kodak 賺進了數十億美元的授權金與侵權賠償,直到 2012 年公司因擔心破產而 賣掉專利權 為止。

通往首款消費型數位相機的道路,是由 Eastman Kodak 內部的其他先驅鋪就的,其中包括工程師 Bryce Bayer。他發明了 Bayer array(拜耳陣列),這是一種在數位感光元件上覆蓋紅、藍、綠濾光片的方法,徹底改變了數位彩色攝影。

至於 Sasson,他在 2009 年從 Eastman Kodak 退休前,始終致力於研發這項他親手參與創造的數位技術。「能和這群聰明絕頂、一心思考技術未來走向的人共事,感覺真的很酷。但當時只有研發人員和技術人員會對此感到興奮,大多數商務部門的人都猶豫不決。我必須承認,我真的不是個稱職的推廣者。」有一次,公司裡有人問他,那些販售 Kodak 相機、底片和沖印服務的照相館該怎麼辦?Sasson 建議他們可以改賣電池。「這話顯然沒什麼好下場。」

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過去幾十年的主流觀點認為,Steve Sasson 為一家堅守類比技術的公司發明了革命性的數位產品,而這家公司卻選擇把頭埋進沙子裡,假裝這場電子威脅終將消失。紐約羅徹斯特 George Eastman Museum 的技術策展人 Todd Gustavson 表示,這種說法並不正確。相反地,他認為 Sasson 發明數位相機的時機實在太早,早到讓 Eastman Kodak 根本無法從中獲利。

「說他們錯失了自己親手發明的數位攝影技術,這說法其實不太公平,」他這麼說道。

Sasson 的發明所欠缺的那點火花,最終隨著個人電腦的普及以及緊隨其後的網路革命而點燃。即便如此,數位攝影仍花了將近十年的時間才真正進入主流市場,進而取代傳統底片。

Gustavson 表示:「這類事情常遇到的狀況,就像是太早抵達派對現場。正因為 Eastman Kodak 擁有研究實驗室且具備創新本質,他們創造出的東西往往是領先時代,而非落後於人。」

Sasson 最初發明的那台相機,現在收藏於羅徹斯特(Rochester)的 George Eastman Museum。他在 2009 年獲頒美國科學家的最高榮譽「國家技術創新獎章」(National Medal of Technology and Innovation)。Gustavson 指出,他協助實現的這項技術,其發展程度早已遠超任何熱愛《星際爭霸戰》的電機工程師所能想像的夢幻境界,我們口袋裡的智慧型手機所能拍出的影像,幾乎是傳統攝影底片無法捕捉到的。

至於 Sasson 本人,他是在 1998 年與妻子 Cindy 及孩子們前往黃石國家公園(Yellowstone National Park)度假時,才意識到他的發明即將成為主流。Sasson 當初打造數位相機時還沒結婚,在工作之外也鮮少提起這件事。當時他們正坐在老忠實噴泉(Old Faithful)附近的看台上,等待噴發的那一刻。

「我看到大家都在準備拍照,紛紛拿出相機。我看到有人拿底片相機,有人拿錄影機,也有人拿數位相機。我記得我環顧四周,看著大家等待的樣子,對 Cindy 說:『這件事正在發生。』她問:『什麼事?』我才向她解釋,我在很多很多年前如何打造出第一台原型機,以及我當時如何描述這項技術可能的演進,還有我的夢想是什麼。」

「現在我在現實生活中,和老婆小孩在黃石公園度假。那一刻突然觸動了我,這就是我當年腦中構思的景象。而且我還活著,我親眼見證了這一切。」

Stephen Dowling 是 BBC Future 的副主編。他在部落格 Kosmo Foto 撰寫關於攝影的文章。

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