富士作為圖像傳感器設(shè)計(jì)的創(chuàng)新者，比其他任何公司都擁有悠久的歷史。
一、富士的超級CCD技術(shù)引領(lǐng)未來發(fā)展
在2000年代初期，F(xiàn)ujifilm憑借其Super CCD技術(shù)走了自己的路，該技術(shù)首次出現(xiàn)在2000年3月發(fā)布的FinePix 4700中。
SuperCCD使用了一個(gè)不尋常的八角形感光網(wǎng)格，旋轉(zhuǎn)了45度以使其峰值分辨率達(dá)到水平軸和垂直軸，這將在實(shí)際拍攝中發(fā)揮最大的作用。
2003年，F(xiàn)inePix F700中的Super CCD SR芯片在每個(gè)微透鏡下方放置了兩個(gè)光電二極管（一個(gè)大一個(gè)?。?，從而增加了動(dòng)態(tài)范圍。
2005年的FinePix S3 Pro的第二代SR II將較小的光電二極管置于較大的光電二極管之間的空隙中，并為其提供了自己的微透鏡。
2009年，F(xiàn)inePix F200EXR首次推出了Super CCD EXR圖像傳感器，該傳感器具有新設(shè)計(jì)的彩色濾光片陣列，可以更輕松地進(jìn)行像素合并，并能夠在傳感器一半像素曝光期間將信息從時(shí)鐘中移出。
結(jié)合起來，這些功能使它可以為任何給定的鏡頭按優(yōu)先級排列分辨率，靈敏度或動(dòng)態(tài)范圍。
Fujifilm的Super CCD圖像傳感器產(chǎn)品線在長達(dá)十年的使用壽命中經(jīng)歷了多次迭代。上圖顯示了該時(shí)期公司的營銷材料，這些圖像代表了原始Super CCD（2000，左上），Super CCD SR（2003，右上），Super CCD SR II（2005，下）使用的像素結(jié)構(gòu)。左）和Super CCD EXR II（2010，右下）。
至于中間的Super CCD EXR（2009，下圖），其結(jié)構(gòu)類似于原始的Super CCD，但從左圖改變了組成其濾色鏡陣列的紅色，綠色和藍(lán)色像素的布局就像右圖所示。
最后，在2010年，F(xiàn)inePix F300EXR和Z800EXR中使用的Super CCD EXR II傳感器增加了片上相位檢測像素，以實(shí)現(xiàn)更快的自動(dòng)對焦，成業(yè)界首創(chuàng)，最終被幾乎所有相機(jī)制造商所采用，這使得無反光鏡相機(jī)革命成為可能。
Super CCD EXR II還標(biāo)志著獨(dú)特的Super CCD傳感器布局的最后一次迭代，圖像傳感器的分辨率隨之飆升至水平和垂直分辨率提高所帶來的差異減小的地步。
二、得益于Fujifilm X-Trans，圖像更清晰，波紋更少
但是，盡管超級CCD從內(nèi)存中消失了，但距離富士膠片圖像傳感器創(chuàng)新的終結(jié)還很遙遠(yuǎn)。
取而代之的是，第一款X-Trans圖像傳感器與Fuji X-Pro1一起于2012年問世。富士膠片的X-Trans傳感器技術(shù)遵循了使用獨(dú)特的彩色濾光片陣列的想法，但它在一個(gè)全新的方向上走得更遠(yuǎn)。
我已經(jīng)兩次提到濾色鏡陣列，而沒有描述它們是什么。圖像傳感器的核心就像是黑白膠片：它們只能看到一系列較亮或較暗的色調(diào)，而沒有附加顏色信息。為了讓他們檢測顏色，芯片上基本上涂了一系列微小的紅色，綠色和藍(lán)色濾光片，因此每個(gè)傳感器像素將只響應(yīng)那些原色之一。好像您有三臺相機(jī)，每個(gè)相機(jī)捕獲單色的紅色，綠色和藍(lán)色圖像，然后將它們組合在一起以產(chǎn)生全彩色結(jié)果。
上面的鏡頭和下面的100％裁剪顯示了藍(lán)色織物中顏色混疊的一個(gè)很好的例子，這是由模型衣服上的細(xì)線圖案引起的。在這種特殊情況下，在Photoshop中解決問題可能不會太困難，也許使用色相筆來去除有害的顏色，但是仍然會保留亮度莫爾圖案。具有不同色調(diào)或較大比例細(xì)節(jié)圖案的主體可能會使去除色彩偽影非常困難或不可能。
這種方法有兩個(gè)問題。首先，相機(jī)必須進(jìn)行一些數(shù)字運(yùn)算，才能將每個(gè)單獨(dú)的紅色，綠色和藍(lán)色像素轉(zhuǎn)換為全彩RGB像素。對于常規(guī)傳感器而言，這并不是很難解決的問題，但是更大的問題是，當(dāng)對象包含精細(xì)的重復(fù)圖案時(shí)，彩色像素的規(guī)則重復(fù)圖案會導(dǎo)致莫爾圖案。（請考慮一下布料或諸如百葉窗之類的物體上的紋理。）如果您曾經(jīng)將兩塊窗戶的屏幕相互傾斜，那么您會看到?jīng)_突的圖案所產(chǎn)生的明暗漩渦。當(dāng)對象上的圖案恰巧以錯(cuò)誤的方式與傳感器上的規(guī)則彩色像素陣列對齊時(shí)，在相機(jī)中可能會發(fā)生同樣的事情。
解決此問題的經(jīng)典方法是將所謂的光學(xué)低通濾波器放在傳感器前面。這基本上會產(chǎn)生非常受控的圖像模糊，因此對象中的銳利邊緣和突變的色彩以及色調(diào)過渡不會通過與像素圖案進(jìn)行交互而引起問題。修整圖像中的尖銳邊緣可以消除波紋現(xiàn)象，但要以看起來更柔和的圖像為代價(jià)。
真的沒有辦法解決這個(gè)問題。盡管非數(shù)學(xué)家會告訴您，這是生活中的數(shù)學(xué)事實(shí)。如果對象細(xì)節(jié)相對于像素間距太細(xì)，則在所有情況下都無法保證沒有大量的處理或花哨算法。
如今，大多數(shù)相機(jī)都配備了低通濾鏡，而由于傳感器分辨率超過了許多鏡頭的分辨能力，低通濾鏡無法使用。在許多情況下，鏡頭無法將細(xì)節(jié)解析得足夠細(xì)致以至于引起莫爾紋問題，因此相對于像素的精細(xì)間距，它基本上是系統(tǒng)中的低通濾鏡。鏡頭模糊了最好的主體細(xì)節(jié)，因此相機(jī)不需要自己的低通濾鏡就可以進(jìn)一步模糊。
當(dāng)然，您會看到以下問題：如果您的鏡頭可以解決如此精細(xì)的細(xì)節(jié)，會發(fā)生什么？
設(shè)計(jì)一種不僅具有良好光學(xué)特性，而且還可以可靠且可重復(fù)地制造的鏡片，與科學(xué)一樣多。任何制造過程都是管理公差，平衡您在理想世界中想要做的事情以及您在工廠車間實(shí)際可以實(shí)現(xiàn)的事情的游戲。與其他類型的鏡片相比，鏡片制造更是如此。鏡片設(shè)計(jì)師對沖他們賭注的一種方法是設(shè)計(jì)鏡片，使得沒有一個(gè)絕對最佳焦點(diǎn)的點(diǎn)，而是一個(gè)焦點(diǎn)大致相同的范圍。
這些圖在垂直軸上顯示模糊，而在水平軸上顯示焦距。（我們稱它們?yōu)榫吧钋€或DOF曲線。）理論上完美的鏡頭恰好在一個(gè)焦點(diǎn)設(shè)置下進(jìn)入了最清晰的對焦，如左圖所示。在現(xiàn)實(shí)世界中，鏡頭的DOF曲線往往會有些平底，這取決于其分辨率極限。鏡片設(shè)計(jì)師有時(shí)會故意使曲線的底部變平，但要權(quán)衡最終的清晰度以制造出更易于制造的鏡片。
完美的教科書鏡頭和無限分辨率傳感器的理想景深曲線為V形。在現(xiàn)實(shí)世界中，大多數(shù)鏡頭被設(shè)計(jì)為V形底部平坦，這有助于在制造過程中適應(yīng)零件公差的微小變化。
大概是六，七年前，富士膠片的一些頂級光學(xué)設(shè)計(jì)師向我解釋了這一點(diǎn)——無論如何都追求最大清晰度，使“ V”的角度盡可能清晰。這意味著圖像更清晰，但是波紋如何呢？
在某種程度上，您的鏡頭越好，您越有可能在帶有重復(fù)圖案的被攝對象的圖像中看到波紋。富士樂意采用這種方法的部分原因是，他們已經(jīng)想到了采用X-Trans傳感器技術(shù)的解決方案。
大多數(shù)圖像傳感器無法直接注冊顏色信息，只能以灰色陰影看到世界。要捕獲彩色圖像，必須將它們與彩色濾光片陣列重疊，以使每個(gè)光電二極管只能看到色譜的特定部分，通常是紅色，綠色和藍(lán)色。左上方是大多數(shù)相機(jī)傳感器使用的標(biāo)準(zhǔn)“拜耳”彩色濾光片陣列圖案，黃色輪廓指示在其上重復(fù)陣列的2 x 2像素網(wǎng)格。右圖顯示了富士獨(dú)特的X-Trans彩色濾光器陣列，其六到六像素的像素網(wǎng)格更大。較大的網(wǎng)格允許更隨機(jī)的布局，從而更耐波紋。
X-Trans通過使用更復(fù)雜的彩色濾光片陣列來改變事物。X-Trans不是使用大多數(shù)相機(jī)使用的2×2 RGBG Bayer圖案，而是使用更大的6×6陣列混合像素間距。根據(jù)您所看的位置和方向，給定顏色的像素之間的間距可能會有所不同。這為相機(jī)的圖像處理器提供了更多的空間信息，以幫助您分辨出什么是波紋和什么是主體細(xì)節(jié)。
當(dāng)然，X-Trans仍然具有彩色像素的重復(fù)圖案，因此不能100％保證您永遠(yuǎn)不會看到波紋圖案。不過，最重要的是X-Trans傳感器為相機(jī)提供了更廣泛的空間頻率信息范圍，因此其X處理器擁有更多數(shù)據(jù)可用于在波紋和最大銳度之間達(dá)到最佳平衡。它需要進(jìn)行大量的數(shù)字運(yùn)算，但是不同的空間采樣頻率為處理器提供了更多信息。
三、經(jīng)過多年的發(fā)展，X-Trans真正達(dá)到了成熟
像之前的Super CCD一樣，F(xiàn)ujifilm的X-Trans傳感器技術(shù)自問世以來已有十多年的歷史。自從第一代X-Pro1于2012年問世以來，隨后的三代都對該技術(shù)進(jìn)行了完善和擴(kuò)展。
首款X-Trans II芯片于2013年在Fuji X100S中首次亮相。富士X-Trans II傳感器回溯到之前的Super CCD EXR II設(shè)計(jì)，增加了片上相位檢測自動(dòng)對焦功能。改進(jìn)的像素電路還帶來了更好的暗噪聲抑制，分辨率也從12.3兆像素躍升至16.3兆像素。
2016年，第三代X-Trans III與富士X-Pro2一同上市。它帶來了更高的24.3百萬像素分辨率，甚至更多的相位檢測自動(dòng)對焦點(diǎn)，并且從鋁線切換到了銅線，同時(shí)降低了噪聲水平并顯著提高了讀取速度，從而改善了相機(jī)性能。
2018年，F(xiàn)ujifilm X-Trans CMOS 4傳感器與X-T3一起問世。新一代傳感器切換到背面照明設(shè)計(jì)，以提供更好的聚光能力，并再次大幅提升了片上相位檢測像素?cái)?shù)量，以實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大的自動(dòng)對焦。它還將分辨率提高到了26.1兆像素。
X-Trans技術(shù)是Fujifilm戰(zhàn)略的基礎(chǔ)。他們將圖像質(zhì)量視為相機(jī)的主要差異因素，并為此投入了大量資金來開發(fā)自己的傳感器技術(shù)。X-Trans只是該過程中的最新迭代，這是在處理器技術(shù)實(shí)現(xiàn)其可行性之前計(jì)劃的幾年。
富士最新一代的X-Trans傳感器設(shè)計(jì)是X-Trans CMOS 4芯片，如上圖所示，它位于X-T3無反光鏡相機(jī)中。
當(dāng)X-Trans首次出現(xiàn)時(shí)，我采訪富士膠片工程師時(shí)，他們的未來計(jì)劃是我最感興趣的事情之一。早在2012年，當(dāng)?shù)谝慌_X-Trans相機(jī)問世時(shí)，他們就告訴我，到那時(shí)為止，他們已經(jīng)在X-Trans上工作了五六年。
為什么要花這么長時(shí)間？
從X-Trans濾色鏡陣列中去馬賽克數(shù)據(jù)以創(chuàng)建相機(jī)內(nèi)的全彩色圖像需要大量的處理能力，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了當(dāng)時(shí)相機(jī)內(nèi)圖像處理器提供的功能。大約五年后，處理器技術(shù)才得以趕上。
他們知道更快的處理器即將到來。通過處理器功率圖表隨時(shí)間劃一條線并預(yù)測最終會有圖像處理器可以完成任務(wù)，這并不難。因此，他們沒有擱置這個(gè)想法，而是繼續(xù)研究這個(gè)概念。
這讓我著迷。我想公司根據(jù)技術(shù)的未來來做出戰(zhàn)略決策是司空見慣的，但這是我第一次聽到一家相機(jī)公司說他們的開發(fā)工作是如此具體地基于很長的前瞻性。它也從一開始就影響了他們的鏡頭設(shè)計(jì)，旨在實(shí)現(xiàn)他們所知道的未來。
X-Trans濾色鏡陣列本身并不是全部。同樣重要的是，應(yīng)具有足夠強(qiáng)大的處理器，如此處顯示的Fujifilm X-Processor 4芯片，以及對X-Trans傳感器的原始文件的強(qiáng)大第三方軟件支持。富士為開發(fā)兩者都付出了巨大的努力。
四、不僅僅是“僅”聰明的傳感器設(shè)計(jì)
如今，嵌入式處理方面的改進(jìn)意味著有足夠的力量來節(jié)省資源。實(shí)際上，當(dāng)?shù)谝慌_X-Trans CMOS 4相機(jī)問世時(shí)，它的首次亮相也帶來了該公司的第一款X-Processor 4芯片，具有移動(dòng)四核設(shè)計(jì)。
強(qiáng)大的功能不僅可以使高分辨率的X-Trans彩色濾鏡去馬賽克，而且可以啟動(dòng)更多的相位檢測AF像素，這還使該公司可以將其采樣率提高一倍，以實(shí)現(xiàn)更可靠的自動(dòng)對焦和自動(dòng)曝光，并增加支持用于4K視頻捕獲。
當(dāng)然，F(xiàn)ujifilm還必須加入Adobe之類的軟件公司，以便其客戶可以在他們選擇的成像應(yīng)用程序中處理其原始圖像。那也花了一些時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)，但是如今，原始的X-Trans圖像得到了Adobe Photoshop和Lightroom，Phase One的Capture One等應(yīng)用程序的良好支持，而不僅僅是在富士自己的軟件中。之所以如此，是因?yàn)镕ujifilm竭盡全力促進(jìn)這一發(fā)展，向軟件制造商提供支持，并且不為使用其技術(shù)收取許可費(fèi)。
事實(shí)證明，過去幾年，F(xiàn)ujifilm的X-Trans技術(shù)已真正發(fā)揮作用。它提供了一種真正獨(dú)特的圖像質(zhì)量方法，其先進(jìn)的自動(dòng)對焦體系結(jié)構(gòu)與最新X處理器的強(qiáng)大功能相結(jié)合，也提供了出色的自動(dòng)對焦性能。
