鍵攝者說（二）——解讀常見感測器的CFA排列

05-02

前言

CFA（Color Filter Array，色彩濾波陣列）也就是我們常說的CMOS色彩濾鏡，應該說是一個挺重要，廠商在宣傳的時候也會偶爾提及一下的東西。但是對於這個東西如何起作用，不同的排列又有什麼樣的優缺點，可能很多人就不太清楚了。今天我們就來討論一下這個問題。

本次討論基於相機中用到的幾種感測器CFA排列方式，電影機當中用到的Q67之類，更多的是一種針對性設計（Q67其實就是旋轉45度的拜耳陣列，菱形像素排列更緊湊，布線長度可以短，刷起速度來更容易，可以認為是電影機的針對性架構，用在相機上其實意義不大）。

基礎模型——採樣像素與輸出像素

在之前我們簡單提過採樣像素與輸出像素的概念，圖像感測器的空間採樣就是把連續的空間圖像信號轉化為離散的一個一個像素，而像素密度代表的就是空間採樣頻率。空間採樣頻率越高，我們便可以獲取更多的原始圖像高頻細節，從而提升整個畫面的細節表現。

當然，如果你看圖的方式是看100%，在同樣的顯示器尺寸和解析度下，圖像表現還會受到輸出像素的限制。同樣的採樣像素下，輸出像素越高，則圖像的100%查看細節表現越差。

其實採樣像素和輸出像素不同的設計在攝影當中可能不多，但是在視頻當中很常見——因為視頻的輸出像素都是固定規格（例如4k就是829萬），而採樣像素可以比較靈活——例如索尼A6300，在視頻拍攝模式下就是2000萬像素採樣，800萬像素輸出。

不過對於不同的CFA排列方式來說，其實際的採樣和輸出像素差別也比較大——尤其是CFA是為了色彩輸出而設計，在平面上要放置3種顏色的濾色片，每一種顏色必然都存在空間欠採樣的現象。至於影響如何，我們接下來對每一種CFA來進行一下簡單分析。

最簡單的——無色彩濾鏡

只能輸出黑白圖像，最典型的比如徠卡的法師機Leica M Monochrome~

無色彩濾鏡的情形分析起來也是相當簡單，沒有CFA造成的採樣頻率損失，採樣像素就等於輸出像素。缺點就是這種結構只能拍攝黑白圖片，無法顯示色彩。

最常用的——拜耳陣列

拜耳陣列一般被俗稱為「馬賽克感測器」，因為這種排列方式看起來的確有點像花花綠綠的馬賽克晶格：

很明顯可以看到拜耳陣列是由一行RGRGRG……和一行BGBGBG……交錯排列而成，每一個像素點只能讀取單獨的顏色信息。其中綠色像素的採樣頻率是輸出像素的1/2，紅、藍色像素的採樣頻率是輸出像素的1/4，故有拜耳陣列感測器的解析度是由綠色像素決定的這一說法。

拜耳陣列感測器採樣生成的圖像要輸出我們常見的全色彩圖像必須經過反馬賽克運算——但這跟我們平時俗稱的名字「猜色」的字面意義不同，拜耳陣列的顏色並不是猜的，而是每個2×2方塊經過9次矩陣運算計算出來的，也就是說不存在猜這回事，每個像素的顏色其實是一個確定值（矩陣運算是線性運算，這並不是一個混沌系統）。但沒有爭議的是拜耳陣列確實存在欠採樣問題，這也使得它會出現摩爾紋和偽色（摩爾紋出現的原因就是輸入信號的最高頻率成分超過了感測器的奈奎斯特極限，也就是說感測器的高頻採樣能力存在一些不足），100%查看時的畫質也不是特別理想。

但是，看一個結構或者說架構是否強勢，一個很重要的東西其實是成熟度與可擴增性——有時候一些暴力美學解決起問題來反而十分優雅。

拜耳陣列就是這麼一個典型，簡單的結構與成熟的工藝讓它堆起像素來十分容易，只要底下的光電管能跟得上，分分鐘3000萬、4000萬、5000萬……接下來感覺應該就得上億了（135畫幅）。雖然結構本身存在欠採樣問題，但畢竟架不住擁兵十萬坐糧成山…理論上來說，當拜耳陣列感測器的實際像素數超越無CFA，或者X3這種感測器的輸出像素2.8倍的時候，在輸出同樣大小的圖片時便可以獲取超越全色感測器的解析度和100%查看畫質。所以在我看來，暴力堆砌像素用超采換畫質的拜耳陣列應該是接下來很長一段時間內圖像感測器的發展思路——這種架構劣勢但是由於易於擴充因此可以堆規模取勝的例子在各種電子產品上應該說屢見不鮮，客官，您還記得八年前AMD的RV770 GPU嗎？

異形拜耳陣列——X-Trans

接下來我們就來說一下備受爭議的X-Trans CMOS。其色彩濾鏡的排列方式如下圖：

左為傳統的拜耳陣列感測器，右為X-Trans Sensor。乍一看右邊的X-Trans陣列確實如它宣傳的一般很「無序」，亂七八糟的。不過不要緊，我們還是從採樣率的角度來進行分析，看看這種排列的感測器究竟會有什麼樣的特點。

每一組（6×6為一組）子像素中都包含4個這樣的2×2純綠色方塊（上圖中最上面、下面、左面、右面的8個綠色像素和鄰近的6×6子像素的對應部分都可以拼成一個2×2綠色像素組，每個角上的綠色像素也可以和鄰近的3個子像素陣列拼成2×2,，平均算下來就是每6×6像素當中有4個2×2的這種綠色方塊）。需要注意的是，這2×2的方塊可以看做是全採樣的——其採樣頻率和輸出像素相同，在高頻的採樣能力上優於傳統的拜耳陣列。這也是X-Trans CMOS能在不用低通的前提下規避摩爾紋的真正原因，而不是什麼所謂的『無序性」。

然後接下來看其他像素。

接下來就是每個6×6子像素當中會有分布較離散的4個綠色子像素，這部分的採樣頻率低於傳統的拜耳陣列。採樣：輸出只有1：9，低於傳統拜耳陣列的1:2。

而藍色和紅色像素的排列方式較為特殊，計算下來紅藍像素的等效採樣頻率是輸出像素的2/9，相對於傳統拜耳陣列（1/4）來說差別不大。

這種排列方式更類似一種「大小核」的思路——採用2×2的高頻採樣模塊來處理高頻信息，1/9的低頻模塊來處理中低頻信息，同時保證紅藍像素的採樣率基本不變。但是1和1/9兩種採樣頻率之間的差異實在是太大，中高頻的信息勢必會有一些損失。也有很多人反映同品牌同像素的兩款產品，用了X-Trans CMOS的那款細節表現反而不如沒用的，應該也有這方面的原因。

X-Trans還有一個問題就是解碼演算法遠比拜耳陣列來得複雜，當然這個屬於Adobe之類的廠商在意的問題，消費者在使用的時候，通常不會察覺到這個所帶來的影響。

順便膠片沒有摩爾紋的原因其實也無關什麼無序性，膠片是全色採樣，類似我們下面說的X3，採樣：輸出也是1:1，而且膠片的顆粒大小不一，密度在小尺度上也不均勻，小顆粒的銀鹽也承擔了高頻區信號採樣的作用，避免了欠採樣導致出現摩爾紋的問題。

從這個角度來說，把X-Trans叫「仿生膠片感測器」，倒也不是沒有道理。只不過這個排列，真的是優勢和缺點一樣明顯。

至於X-Trans排列能不能提高高ISO表現？你說呢？

全色採樣——Foveon X3

一種既保證了1:1的採樣：輸出頻率，又能做到全色彩採集的感測器結構。優勢很明確，就是完爆各種拜耳陣列以及變種拜耳陣列的採樣頻率——2倍的綠色，4倍的紅、藍色，在拍攝色彩豐富的紋理圖案時細節表現相當出色。

但缺點也是明顯得很，首先三層之間的距離其實並不小，信號通路也不可能用TSV（矽片上穿孔）而只能引出布線，數字輸出（內置ADC）則是更不可能（放不開），所以這種結構的CMOS傳輸雜訊高得驚人，佳能的祖傳Sensor在他面前都是吊打完爆的水平。可能是因為擠得連程式控制電壓放大器都放不下吧，Foveon還作死的在這塊感測器上用了ISOless設計——和索尼的On-Chip ADC一樣，採用ISP數字放大的方式來調ISO，直接導致這塊感測器的高感連著它的動態一起跌進深淵。電路層的設計才是這種感測器性能堪憂的真實原因，至於材料的透光率，只是起到了推波助瀾的作用。

更何況不可能存在能夠100%吸收單一頻率的光而對其他波段完全透明的材料，現實中材料的吸收曲線都是這樣的：

後來Sigma/Foveon自己都妥協了，DP Q系列相機採用了新的4:1:1 Quattro X3感測器：

我想了半天也沒想出來這種結構感測器的等效採樣頻率應該怎麼算，看來還是需要學習一個。。在我想明白之前，還是暫時悶聲好了。