“特立独行的探索者”适马Foveon X3传感器进化史

许多人对适马Foveon X3的表现非常关注，也对Foveon X3的原理很感兴趣。适马搭载Foveon X3的机身一方面表现出极其震撼的画质呈现能力，一方面机身其他性能备受诟病。今天，我们和你聊聊适马Foveon X3传感器的历史和进化。...



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在马赛克拜耳传感器大行其道，甚至传感器生产商逐渐进入垄断的时代，适马的FoveonX3传感器无疑是一个另类。许多人对适马Foveon X3传感器的表现非常关注，也对Foveon X3的原理非常感兴趣。适马搭载Foveon X3的机身一方面表现出极其震撼的画质呈现能力，一方面机身其他性能备受诟病。今天，我们和你聊聊适马Foveon X3传感器的历史和进化。

猜色，拜耳传感器的原罪



从胶片时代进化到数码时代后，许多厂家都采用了RGBG拜尔排列方式的传感器，不仅改变了感光材料通过化学反应成像这一基础，捕捉吸收光子的根本逻辑也发生了变化。在胶片时代，以彩色胶片为例，彩色胶片拥有三层感光乳剂层，在曝光时和氧化物发生反应，在显影后合成出不同的颜色，彩色正片上层形成蓝色、中层形成绿色、下层形成红色。而进入电子图像传感器时代之后，负责捕捉光子的光电二极管并不能像化学乳剂那样利用不同成分的乳剂耦合出不同的颜色，而是需要用不同的滤光镜将三原色分别过滤，让感光单元分别捕捉到不同的颜色，之后通过输出计算，得到最终的颜色信息。这样的滤光分色机制会带来“猜色”的问题，由于滤掉其他颜色，仅仅捕捉一种颜色，这个像素点上应该映射的颜色并非真实的丰富色彩，需要依靠相邻像素点上的其他颜色信息进行计算，最终拼合出完整的色彩照片。通过模拟和计算进行猜色，和胶片乳剂颗粒真实反应色彩信息必然有一定的差距，而猜色在照片上的直观反映则是会导致一定程度的色彩还原不准确、图像边缘产生伪色等。



从上图可以看到，通过RGBG单元颜色强度来确定像素点的主要颜色，然后通过相邻像素点信息，计算出其他区块的颜色，这个过程的智能程度取决于算法是否高明，但是无法逃脱“猜色”的天花板。



在拍摄颜色分布较为广泛的区域时，这个问题不会出现，但是如果画面中有非常细微的部分，由于空间差会导致相应位置的像素点无法正常采样，也就是说得不到足够强度的色彩信息，传感器的影像处理器就会通过相邻像素点进行计算，赋予这个像素点一个猜测、计算出的颜色。如果由于概率的原因，无法准确计算，换言之猜错了，就会出现伪色问题。

拜耳传感器不仅有伪色的问题，还有摩尔纹问题。为了应对伪色和摩尔纹，许多数码相机都在传感器前安装低通滤镜，来调整光线通过的空间频率，以避免上述问题产生。但是这样的做法也会带来相机解析力降低、细节呈现能力被阉割的问题。于是，在单层传感器几经优化的同时，许多工程师提出了新的办法来解决数码相机与生俱来的弊端，分别是改变拜尔RGBG排列方式及采用多层传感器。改变单层传感器的排列方式的尝试有多种，有将RGBG排列改为RGBW的形式，也有类似于富士X-Trans的6×6排列，但是实际上来说，只要是采用马赛克排列的单层传感器，再如何修改排列的方式、顺序，也只是优化，根源问题无法解决。

救世主 or 小白鼠？FoveonX3的尝试

Foveon公司是三层传感器的研发、制造商，于2008年被适马收购。但是在早于适马收购之前，适马旗下的第一款单反相机SD9就采用了Foveon X3传感器，之后2003年推出的SD10也采用了这个规格的三层原理传感器，有效像素为1029万，尺寸比APS-C标准尺寸略小，为20.7mm×13.8mm。Foveon X3传感器利用了不同颜色的光线拥有不同波长的原理，光线进入感光硅之后，短波的蓝光停留在最浅的上层，波段、穿透力较长的绿色停留在中层，穿透力最强的红色光进入最深、最宽的下层。传感器像素单元将三个深度的三原色颜色强度输出至影像处理器中，进行混合计算，最终得出精确的颜色信息。这样的感光逻辑不存在猜色这一计算步骤，可以得到比传统单层拜耳传感器更锐利的图像、更准确的颜色呈现，并且伪色和摩尔纹的问题也可同样避免。



但是X3传感器由于分层采集、输出，数据量较大，并且最终的合并计算量非常大，ISP的负荷非常高，导致最终的连拍速度、对焦效率都不甚理想。而且光线需要穿透的硅较厚，光线在穿透的过程中损失了不少，高感表现也差强人意。

X3编年史 筚路蓝缕的进化历程



早期产品：厚积薄发

从第一代1029万像素的三层传感器开始，适马的单反机身就坚定地走在X3的道路上没有半点偏移。和许多另类的CMOS已经夭折不同，X3在适马不断的努力下，通过不断地优化传感器技术和机身性能，逐渐地获得了一部分摄影师的喜爱，其出色的画质呈现能力对于追求画质的摄影师来说一枝独秀。在发布了两款单反机身之后，适马紧跟宝利来推出了自己的不可换镜头X3传感器数码相机—DP1，并且采用了第二代X3传感器FX17-78-F13D。第二代X3传感器拥有1400万有效像素，尺寸依旧是20.7mm×13.8mm，焦距系数为1.7×。

DP1是一款非常独特的产品，定焦镜头、LCD取景、内置闪光灯，在市场上获得许多好评，也为适马开创了一个非常经典的产品线—不可换X3数码相机。在发布DP1之后，适马紧跟着推出了DP2，搭载了固定的等效41mm镜头，并且加入了快速设置功能，还可以进行RAW+JPEG拍摄。此外，适马还推出过DP2X、DP2S等小幅改进机型。

渐入佳境的第三代产品

DP系列获得了不错的开端，但是较为高昂的售价并非所有摄影师都能够承受，并且传感器尺寸也为人所诟病。于是2012年初，适马推出了DP Merill系列不可换镜头机身，分别是镜头焦段为19mm等效28mm）的DP1Merill、30mm（等效45mm）的DP2 Merill、50mm（等效75mm）的DP3 Merill。新的DP M系列机型传感器尺寸达到了标准的APS-C画幅，具体尺寸为23.5mm×15.7mm。



适马命名为Merrill的第三代X3传感器，尺寸基本上和标准的APS-C规格传感器接近。Merrill在古英语中有令人愉悦或是光明的含义，DP M的全线F2. 8规格镜头或许能和光明有着一定的联系。DP M机身基本沿用了DP系列的外观造型，但画质则有了较为明显的提升，上中下每层都可以输出超过15 0 0万像素的信息，三层共计接近4 6 0 0 有效万像素。在2012年的时候，这还是一个较为咂舌的参数，不过在JPEG输出时，尺寸仍然为4704×3136。



适马在DP M系列奠定了后续不可换镜头机身的镜头素质，DP M的后续型号dp Q都沿用了DPM的镜头，除了新增的14mm镜头机型。在不可换镜头的设计和用料上，适马都非常考究：19mm镜头使用了1片超低色散镜片、2片玻璃铸模非球面镜片、1片高折射率镜片；30mm镜头使用了1片玻璃铸模非球面镜、3片高折射率镜片；45mm镜头使用了1片高折射率镜片SLD镜片、1片玻璃铸模非球面镜片。

dpQuattro：日趋成熟的第四代产品



Quattro在意大利语中是“四”的意思，而实际上dpQuattro采用的Foveon X3传感器也属于第四代X3传感器，和第三代X3传感器相比，第四代X3传感器的排列比例有了变化。第三代X3传感器采用的是RGB1︰1︰1的感光比例，每层像素相同，而第四代X3传感器采用的是1︰1︰4排列，最上层的Blue层输出约1900万像素，而中层和底层的Green和Red层读取约为500万像素，总像素输出约为2900万。第三代传感器虽然成像锐利、细节逼真，色彩立体感非常强，但是基于光线进入硅会根据波长分层，底层红色感光层接受到的光子总量较少，虽然像素密度大，但是捕捉到的颜色信息强度较低。这样一来可以简单分析出，新的排列方式虽然使得总像素输出的能力不如第三代4600万像素，但是下层像素总数降低，单个像素尺寸增大，单个像素捕捉光子的能力进一步提升，可有效地提升传感器的高感表现，同时总像素数降低，对于图像传感器来说压力也小了不少。





SIGMA dp 2 Quattro / F2.8 1/60秒 ISO125



SIGMA dp2 Quattro / F2.8 1/60秒 ISO100

sdQuattro：可换镜头机身的勇敢尝试



适马在不可换镜头机身领域不断推陈出新，但是在可换镜头机身上新机型动作很少，最新的一台可换镜头机身SD1 Merrill的发布时间还是2012年，迄今为止已经有4年没有新机型发布了。虽然不可换机身备受消费者欢迎，但是许多适马SA卡口的镜头也需要具备新机能的机身搭配使用，尤其是需要新一代X3传感器的机身，需要更好的高感表现和更快的处理速度。鉴于目前单反相机在市场上的受欢迎度逐渐下降，适马决心新一代SA卡口机身为无反光镜设计，于是在今年年初，推出了目前SA卡口最新机身APS-C规格的sd Quattro及APS-H规格的sd Quattro H。



SIGMA sd Quattro / SIGMA 35mm F1.4 Art / F1.4 1/1250秒 ISO100

实拍对比 看X3传感器的进化

为了检验一下适马X3传感器机身的进化程度，我们使用焦段接近的DP2 Merrill、dp2 Quattro、sd Quattro搭配SIGMA 35mm F1.4 | Art镜头进行画质、高感、宽容度、色彩及对焦性能的对比。

画质对比

对比的方式均为JPEG直出，并没有选择SUPER-HIGH模式，均为HIGH JPEG。对比的重点是DP M和dp Q之间的争斗，因为两者的镜头是完全一样的，sd Q采用了可换镜头，并且焦段也略有出入（等效50mm左右，DP M和dp Q为等效45mm）。DP M三层传感器均超过1500万像素，但是实际输出时最大只能输出 4704×3136的HIGHJPEG文件，dp Q的HIGH JPEG可输出5424×2328的文件，SUPER HIGH JPEG则可输出7680×3296的文件。从画质对比上来看，DP M和dp Q两者画质表现非常接近，我认为dp Q的画质要稍胜一筹。而采用了可换镜头设计的sd Q的传感器性能和dp Q完全相同，因此具体的画质表现取决于所使用的镜头。



高感对比

高感部分一直是X3传感器不太擅长的地方，从对比可以清晰地看到，1︰1︰1排列的DP2 M在高感区间（ISO1600-ISO6400）细节仍然非常出色，但是实际上由于光线大部分停留在了最上层（Blue层），蓝色和明度信息都保留的很好但照片偏色非常严重。采用1︰1︰4新排列的dp2 Q 及sd Q虽然高感时细节有明显下降，但是颜色还原并没有严重偏差。而dp Q和sd Q之间的对比，可以看出sd Q的彩噪略小一些，不知是否得益于sd Q搭载了双TRUE Ⅲ影像处理器。



宽容度对比

先用3台相机欠曝3挡拍摄RAW格式的照片，然后使用原厂 RAW显影软件对照片增加3挡曝光并输出为JPEG文件，以此对比三者拉回曝光后画面的表现。同样表现最好的为sdQuattro+SIGMA35mm F1.4 HSM | ART组合，其次是dp Quattro，最后是DP Merrill。宽容度性能主要取决于传感器性能和影像处理器算法，因此这个结果是符合硬件机能表现的。



色彩对比

dp Q采用了新的排列方式之后，许多摄影师都对新排列对色彩准确还原报以疑问，我们特意将使用新排列的sd Q及dp2 Q和DP2 M拍摄鲜艳的粉红色花朵，放大局部，检查细节，对比三台相机的颜色还原。使用RAW格式拍摄，在SIGMA Photo Pro中将白平衡设定为日光，颜色为标准，输出色域为AdobeRGB。



结语：每一位探路者都应获得掌声

从DP M、dp Q和最新的sd Q的实拍来说，高感、宽容度的进步是非常明显的，画质的进步虽然没有飞跃式的提高，但还是可以看到适马的努力。从画面表现以外的角度来说，最新机型的续航有了长足的提升，续航能力超过了dp Q，也大大超过了DP M。对焦性能方面，dp Q要优于DP M，sd Q虽然采用了相位和反差混合式对焦，但是对焦速度并没有达到我的期望。“筚路蓝缕，以启山林”是非常符合Foveon X3传感器以及适马机身发展的一句话，从避免马赛克传感器弊端的这个理念开始，适马非常艰难地将X3传感器性能、搭载X3传感器机身性能不断优化，努力地将机身的缓存、对焦、连拍性能、功耗水平和传统数码相机逐渐拉近。虽然和传统马赛克传感器机身在对焦、功耗、高感方面有着一定的差距，但是X3传感器的画面呈现能力的确是无出其右。

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