富士X-Trans图像传感器技术创新背后的故事

作为图像传感器设计的创新者，富士胶片比其他任何公司都拥有悠久的历史.

首先，富士Super CCD技术引领未来发展

在2000年代初期，Fujifilm凭借其Super CCD技术走了自己的路，该技术首次出现在2000年3月发布的FinePix 4700中.

SuperCCD使用不寻常的八边形感光网格，旋转45度以使其峰值分辨率达到水平轴和垂直轴，这将在实际拍摄中发挥最大作用.

2003年，FinePix F700中的Super CCD SR芯片在每个微透镜下方放置了两个光电二极管（一个大一个小），从而增加了动态范围.

FinePix S3 Pro的第二代SR II在2005年将一个较小的光电二极管放置在较大的光电二极管之间的间隙中，并为其提供了自己的微透镜.

2009年，FinePix F200EXR首次推出了Super CCD EXR图像传感器. 该传感器具有新设计的滤色器阵列，可以更轻松地合并像素，并且可以在传感器曝光一半的时间内从时钟中删除信息. 搬出去.

这些功能结合在一起，可以为任何给定的镜头确定分辨率富士s3胶片模式怎么调，灵敏度或动态范围的优先级.

富士的Super CCD图像传感器产品线在十年的使用寿命中经历了多次迭代. 上图显示了该期间公司的营销材料. 这些图像代表原始Super CCD（2000，左上），Super CCD SR（2003，右上）和Super CCD SR II（2005，下）使用的像素结构. 左）和Super CCD EXR II（2010，右下）.

至于中间的Super CCD EXR（下图，2009年），其结构与原始的Super CCD相似，但是构成其滤色器阵列的红色，绿色和蓝色像素的布局从左图如右图所示. 显示.

最后，在2010年，FinePix F300EXR和Z800EXR中使用的Super CCD EXR II传感器增加了片上相位检测像素，以实现更快的自动对焦，成为业界首创，并最终得到几乎所有相机制造商的支持，这使得无反光镜相机可能旋转.

Super CCD EXR II还标志着独特的Super CCD传感器布局的最后一次迭代，图像传感器的分辨率已经飙升到水平和垂直分辨率之间的差异增大的程度.

第二，得益于Fujifilm X-Trans，图像更清晰，波纹更少

但是，尽管超级CCD从内存中消失了，但距离Fujifilm图像传感器创新的终结还很遥远. 相反，第一个X-Trans图像传感器与Fuji X-Pro1一起于2012年问世. 富士胶片的X-Trans传感器技术遵循使用独特的彩色滤光片阵列的想法，但它在一个全新的方向上走得更远.

我已经两次提到过滤器数组，但没有描述它们是什么. 图像传感器的核心就像黑白胶片: 它们只能看到一系列浅色或深色调，而没有其他颜色信息. 为了使它们能够检测颜色，芯片上基本上涂有一系列微小的红色，绿色和蓝色滤光片，因此每个传感器像素将只对那些原色之一作出响应. 好像您有三台摄像机，每个摄像机都捕获单色的红色，绿色和蓝像，然后将它们组合以产生全彩色结果.

上面的照片和下面的100％的裁剪显示了蓝色织物中颜色混合的一个很好的例子，这是由模型衣服上的细线图案引起的. 在这种特殊情况下，在Photoshop中解决问题可能不太困难，也许可以使用色笔去除有害的颜色，但仍保留亮度云纹图案. 具有不同色调或比例较大的细节图案的主体可能会使消除色差变得非常困难或不可能.

此方法有两个问题.

首先，相机必须执行一些数字操作，才能将每个红色，绿色和蓝色像素转换为全彩色RGB像素. 对于常规传感器，这不是一个很难解决的问题，但是更大的问题是，当物体包含精细的重复图案时，彩色像素的规则重复图案将导致莫尔图案. （考虑布料或窗帘等物体上的纹理. ）如果您将两个窗口的屏幕相互倾斜，则会看到由相互冲突的图案产生的明暗漩涡. 当对象上的图案以错误的方式与传感器上的彩色像素的规则阵列对齐时，照相机中可能会发生相同的事情.

解决此问题的经典方法是在传感器前面放置一个所谓的光学低通滤波器. 这基本上会产生非常受控的图像模糊，因此对象中的锐利边缘和突然的颜色以及色调过渡不会通过与像素图案进行交互而引起问题. 修剪图像中的锐利边缘可以消除波纹现象，但要以看起来柔和的图像为代价.

实际上没有办法解决这个问题. 尽管非数学家会告诉您，但这是生活中的数学事实. 如果对象细节相对于像素间距而言太精细，则不能保证在所有情况下都不会有太多的处理或奇特算法.

此示例显示了颜色和亮度莫尔条纹. 您会在底部的裁剪图像的中心看到一些模糊的色度伪像，并且在右上角以漩涡线的形式特别突出了亮度波纹，该漩涡线应位于投影仪正面的对角快门处. 建造. 这也是一个主题，碰巧很容易处理颜色混叠，但实际上与亮度莫尔图案无关.

如今，大多数相机都配备了低通滤镜，并且由于传感器分辨率超过了许多镜头的分辨能力，因此无法使用低通滤镜. 在很多情况下，镜头无法很好地解决细节，从而导致莫尔条纹问题，因此，相对于像素的精细间距而言，它基本上是系统中的低通滤镜. 镜头会模糊最佳的主体细节，因此相机不需要自己的低通滤镜就可以进一步模糊.

当然，您会看到以下问题: 如果您的镜头可以解决如此精细的细节，将会发生什么？

设计一种不仅具有良好的光学性能，而且可以像科学一样可靠且可重复生产的透镜. 任何制造过程都是管理公差，平衡您在理想世界中想要做的事情和您在工厂车间实际可以实现的事情的游戏. 与其他类型的镜头相比，镜头制造更为如此. 镜头设计者对冲赌注的一种方法是设计镜头，使镜头没有绝对的最佳焦点，而是在大约相同的焦点范围内.

这些图在垂直轴上显示模糊，在水平轴上显示焦距. （我们称它们为景深曲线或DOF曲线. ）理论上完美的镜头恰好在一种聚焦设置下进入了最清晰的聚焦，如左图所示. 在现实世界中，镜头的自由度曲线趋于平坦，这取决于其分辨率极限. 镜片设计师有时会故意使曲线的底部变平，但是最终的清晰度必须权衡以生产出更易于制造的镜片.

完美教科书镜头和无限分辨率传感器的理想深度曲线为V形. 在现实世界中，大多数镜头都设计有平坦的V形底部，这有助于适应制造过程中零件公差的微小变化.

大约六，七年前，我与富士胶片的一些顶级光学设计师坐了下来，他们向我解释了这一点. 谈话的重点是他们采用了不同的哲学，并始终追求最大的清晰度，使“ V”角尽可能清晰. 这意味着图像更清晰，但是波纹如何？

以某种方式，您的镜头越好，您越有可能看到带有重复图案的被摄对象图像中的波纹. 富士愿意采用这种方法的部分原因是，他们已经考虑过使用X-Trans传感器技术的解决方案.

大多数图像传感器无法直接注册颜色信息，而只能以灰色阴影看到世界. 要捕获彩像，它们必须与滤色器阵列重叠，以便每个光电二极管只能看到色谱的特定部分，通常是红色，绿色和蓝色. 左上方是大多数相机传感器使用的标准“拜耳”彩色滤光片阵列图案，轮廓表示一个2 x 2像素的网格富士s3胶片模式怎么调，在该网格上重复阵列. 右图显示了富士独特的X-Trans滤色镜阵列，其像素网格更大，为6至6个像素. 较大的网格允许更随机的布局，因此更抗波纹.

X-Trans通过使用更复杂的彩色滤光片阵列来改变事物. X-Trans使用较大的6×6阵列混合像素间距，而不是使用大多数相机使用的2×2 RGBG Bayer图案. 根据外观和方向，给定颜色的像素之间的间距可能会有所不同. 这样可以为相机的图像处理器提供更多空间信息，以帮助您区分波纹和主体细节.

当然，X-Trans仍然具有彩色像素的重复图案，因此不能100％保证您永远不会看到波纹图案. 但是，最重要的是X-Trans传感器为相机提供了更广泛的空间频率信息，因此其X处理器具有更多可用于在纹波和最大清晰度之间达到最佳平衡的数据. 它需要大量的数字运算，但是不同的空间采样频率为处理器提供了更多信息.

三，经过多年的发展，X-Trans真正达到了成熟

与以前的Super CCD一样，Fujifilm的X-Trans传感器技术自问世以来已有十多年的历史. 自从第一代X-Pro1于2012年问世以来，随后的三代产品都对该技术进行了改进和扩展.

富士胶片于2012年在X-Pro1无反光镜相机中首次展示了其独特的X-Trans滤镜阵列.

首款X-Trans II芯片于2013年在Fuji X100S中首次亮相. FujiX-Trans II传感器可追溯到之前的Super CCD EXR II设计，增加了片上相位检测自动对焦功能. 改进后的像素电路还带来了更好的暗噪声抑制，分辨率从12.3百万像素跃升至16.3百万像素.

2016年，第三代X-Trans III与Fuji X-Pro2一起发布. 它具有24.3百万像素的更高分辨率，甚至更多的相位检测自动对焦点，并且可以从铝线切换为铜线，同时降低了噪音水平并显着提高了读取速度，从而改善了相机性能.

2018年，Fujifilm X-Trans CMOS 4传感器与X-T3一同问世. 新一代传感器切换到背照式设计，以提供更好的聚光能力，并再次显着增加了片上相位检测像素的数量，以实现更强大的自动聚焦. 还将分辨率提高到26.1兆像素.

X-Trans技术是Fujifilm策略的基础. 他们将图像质量视为相机的主要差异因素，并投入了大量资金来开发自己的传感器技术. X-Trans只是该过程中的最新迭代，在处理器技术实现其可行性之前还计划了几年.

富士最新一代的X-Trans传感器设计是X-Trans CMOS 4芯片. 如上图所示，它位于X-T3无反光镜相机中.

当X-Trans首次出现时，当我采访富士胶片工程师时，他们的未来计划是我最感兴趣的事情之一. 早在2012年，当第一台X-Trans相机问世时，他们就告诉我那时，他们已经在X-Trans上工作了五六年. 为什么要花这么长时间？将X-Trans滤镜阵列中的数据去马赛克以在相机中创建全彩像需要大量的处理能力，这远远超出了当时相机中图像处理器所提供的功能. 处理器技术赶上了大约五年的时间.

他们知道更快的处理器来了. 随时间推移通过处理器功率图表画一条线并预测最终图像处理器可以完成任务并不难. 因此，他们没有搁置这个想法，而是继续研究这个概念.

它让我着迷. 我认为公司根据技术的未来做出战略决策是司空见惯的事情，但这是我第一次听到一家相机公司说，从长远的角度来看，他们的开发工作是如此具体. 它也从一开始就影响了他们的镜头设计，旨在实现他们所知道的未来.

X-Trans过滤器数组本身不是全部. 拥有足够强大的处理器（例如此处显示的Fujifilm X-Processor 4芯片）以及对X-Trans传感器的原始文件的强大第三方软件支持也很重要. 富士为开发两者做出了巨大的努力.

四个，不仅是“唯一的”智能传感器设计

如今，嵌入式处理的改进意味着有足够的能力来节省资源. 实际上，当第一台X-Trans CMOS 4相机问世时，它的首次亮相也带来了该公司的第一款具有移动四核设计的X-Processor 4芯片. 强大的功能不仅可以使高分辨率X-Trans彩色滤镜脱去马赛克，还可以启用更多的相位检测AF像素，这还使该公司可以将其采样率提高一倍，以实现更可靠的自动对焦和自动曝光，并增加对4K视频捕获.

当然，Fujifilm还必须加入Adobe之类的软件公司，以便其客户可以在他们选择的成像应用程序中处理其原始图像. 还需要花费一些时间才能实现，但是现在，原始的X-Trans图像得到了Adobe Photoshop和Lightroom，Phase One Capture One等应用程序的良好支持，而不仅仅是富士康自己的软件. 原因是Fujifilm尽最大努力促进这一发展，向软件制造商提供支持，并且不收取使用其技术的许可费用.

事实证明，富士胶片的X-Trans技术在过去几年中确实发挥了作用. 它提供了一种真正独特的图像质量方法. 其先进的自动对焦架构与最新X处理器的强大功能相结合，还提供了出色的自动对焦性能.

作者: 戴夫·埃特切尔斯（Dave Etchells）

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