低像素就是高感好？佳能1DX2實戰索尼A7R3

來自專欄玩機小胖的玩具世界

這應該會是我最後一次專門說這個話題，此前其實在不同文章里提到過，依然還是有許多人在評論里不斷地提到低像素密度機型的高ISO性能優勢，也有朋友提出過1個像素的小畫幅信噪比可以勝出數千萬像素的全畫幅，其實這句話嚴格來說其實沒錯——信號電壓和雜訊電壓的比值很大程度取決於系統的複雜程度，系統越簡單，信噪比越容易做高。但完全忽略硬體和應用談對比就是耍流氓，1個864mm^2的巨大型像素（無論3T、4T還是更多）以當前的數字電路技術反倒很難造出來，半導體技術的進步註定了單個像素越做越小，相同面積下的像素密度增加是自然而然的結果，1020萬像素的GH5S折算為全畫幅也有4080萬了，而且1個像素你能拍啥？

信噪比是衡量畫面質量的關鍵因素之一沒錯，但高畫質不僅僅只是看信噪比一個因素，隨便舉個例子，50mm F1.8在弱光下因為通光量大，可以開低ISO，所以信噪比高，但它的銳度、焦外素質、像差控制甚至對焦速度精度真的能跟24-70mm F2.8比么？因此，談論像素與噪點的關係，最終就不得不涉及到具體機型上來。

如標題所示，我今天拿出的兩款對標機身是佳能的速度旗艦1DX2，應該可以說是佳能當下弱光性能最強的代表機型了，而它的總像素是2020萬。另一邊則是索尼的高像素旗艦A7R3，4240萬像素，以相同解析度列印，A7R3的印製面積是1DX2的1.45倍，以相同面積列印，A7R3的解析度可以設置為1DX2的1.45倍左右，比如1DX2是300dpi，A7R3就能430dpi左右，這是高像素的先天優勢，而且我在此前「像素無用？關於CMOS解析度上限的探討」一文中也做過探討，當下的全畫幅感測器遠遠沒有達到像素密度的技術上限，現在哪怕手機端的1/1.7英寸4000萬像素感測器，100%放大也依然可以有不少的細節，更遑論單位像素密度明顯更低的全畫幅機型。

不過理論歸理論，很多愛抬杠的也不一定買賬，實際的圖像處理干擾項也非常多，不同品牌的細節思路還很不一樣，但最終呈現的結果應該符合理論預期。在正式對比開始前和對比過程中，也會穿插一些技術背景解讀，可能會帶公式，請帶著跳躍性思維閱讀。

首先，數字感測器中的雜訊有哪些？分別源自什麼階段？對於當下主流的列並行結構感測器來說，每一個環節都會引入雜訊，像素層有複位管雜訊、像素固定模式雜訊、暗電流、散粒雜訊、非均勻性響應；接下來的列放大器會引入熱雜訊、閃爍雜訊、列固定模式雜訊、行隨機雜訊；再接下來的列ADC會有熱雜訊、閃爍雜訊、列固定模式雜訊、行隨機雜訊和量化雜訊；最後的列讀出有數字讀出雜訊……項目繁多，但按分類來算，系統雜訊可以基本表達為：

硬體設計上可以通過低雜訊的帶隙基準源、參考電壓、列放大器、低壓降線性穩壓電路等等實現降噪，也能通過ISP的演算法解決。對於1DX2和A7R3來說，因為都是內置列並行ADC的結構，所以它倆面對情況是一致的。

那麼，弱光下，什麼最影響成像結果？答案是散粒雜訊，如果仔細看了前面的雜訊結構解析不難發現，散粒雜訊位於像素層級，它是半導體中的載流子離散形成，表現為可觀測到的帶點粒子統計漲落，它產生於感測器的隨機熱激發（比如暗電流），和光子在感測器表面隨機入射產生的光電子，就呈現方式來說服從泊松分布，有如下公式：

根號里的前半部分就是隨機熱激發導致的電雜訊，在大多數日常拍攝時基本可以忽略不計（但對於監控安防等特殊應用的領域就很有研究必要），攝影成像領域往往在計算散粒雜訊時會直接算後半部分，也不難看出是整塊感測器在曝光時間內的實用通光量，就是以前我說過的：信號值10000，散粒雜訊就是它開方後的100，信噪比也是100。

當感測器通光量低、射入光子數量少、散粒雜訊低但信噪比也低，此時因為電荷阱兩端電壓太低無法正常曝光，需要通過列放大器對電荷阱內進行加壓放大，表現在參數上就是增加ISO。而此時的散粒雜訊就隨放大器倍率增大而增大，所以畫面噪點增多。

換句話說就是：在不改變光電二極體基本結構的情況下，高ISO隨便什麼機器都會有明顯噪點，很多時候你看不到噪點是因為JPG輸出時機內降噪所致，但這個降噪的演算法各家方案均不相同。這裡我就極端一點，對比1DX2和A7R3在ISO 102400下，同一張照片RAW和機內標準降噪後JPG有多大差距。

以上為全尺寸照片截圖，全文曝光參數在沒有特別說明的情況下，均為1/30秒，F5.6，手動對焦區域放大確認。在這種極弱光下，1DX2需要打開實時取景用全像素雙核來對焦，在機身沒有輔助對焦燈的情況下還能準確合焦，這一點確實厲害。而片上相位差+反差輔助+內置對焦燈，A7R3也能快速完成對焦。而首先第一組，1DX2打開機內高ISO降噪後，RAW與JPG對比：

記住：這是同一張照片RAW+JPG保存的效果，可以看到左側RAW的細節明顯更豐富，文字還可以識別，但噪點也是升天，還呈紫色狀。右側則是機內降噪後的JPG直出，噪點明顯少了許多，但細節也明顯塗抹了許多，不過千萬記得這可是ISO 102400（1DX2的原生ISO最高51200，102400相當於H1擴展），所以你知道這拍攝環境有多黑暗了吧。

然後是1DX2關閉機內降噪後的RAW+JPG：

組對比同樣很明顯，即便關掉了機內降噪，RAW里呈紫色的噪點在JPG里也依然消失了，但文字部分出現了一些偏色（原色為個黑色），這是ISP處理的問題，但沒有出現彩色噪點。同時可以看到JPG的細節保留更出色，噪點也遠多於開啟機內降噪時，正好體現了我在多篇降噪技術文章里說過的道理：降噪大多數情況下就是信噪比與銳度的互換博弈。

那麼，A7R3的情況會是如何呢？先看打開機內降噪的效果：

可以看到JPG的機內塗抹同樣比較嚴重，但相較1DX2要稍好一點。A7R3的ISO 102400也是擴展ISO，但是擴展倍率最高，原生最高ISO僅32000,。擴展ISO在整個圖像處理流水線里屬於最後模數轉換後的操作，倍率越大越吃虧（因為放大器沒有這個倍率，純靠後端硬拉，就跟在PS里強拉暗部一樣）。但即便如此，與1DX2在相同情況下的對比不難看出，A7R3的噪點並沒有更多。

那麼關閉機內降噪後，A7R3的表現是這樣的：

你沒看錯，我左右也沒放反，這也確實就是關閉降噪後的RAW+JPG，正如我前一段所說，因為A7R3的ISO 102400是高倍擴展放大，所以當沒有降噪的情況下以14bit RAW轉8bit JPG，就出現了明顯的彩色噪點（注意看「Super、Face」字樣的顏色）。

但如果是在PS或LR里不作任何調整直接轉JPG，就可以避免這個問題，也就是這口鍋得扣到機內ISP的腦袋上，因為我今天比的也正是機內性能，所以這一點A7R3還是惜敗。

然後再看看ISO 102400下的RAW暗部對比吧：

可以看到左邊的A7R3與右邊的1DX2在暗部噪點上半斤八兩，很難看出差別，1DX2在這個部分贏就贏在原生ISO更高、直出效率高，考慮到各家的速度旗艦都主要應用於 「拍到比拍好更重要」的新聞領域，高ISO對保證快門速度非常重要，一點點塗抹對於該領域而言不算什麼大問題。而A7R3在RAW域雖然並不輸，但轉換到JPG就相對更容易出問題，所以極限高感光度下，1DX2勝出。

但請謹記：為速度而生的旗艦機阱容相對都不大，原生基準ISO值高，相同的實用ISO只需低倍放大就能獲得，所以前端雜訊在高感下的優勢是先天的，可即便如此，在RAW下查看時也不難發現其實差別沒有想像中大。

極限高感的部分是為了找到上限的差距，但對很多人來說，實用高感的對比才是最關鍵的，在這個項目里我選擇的的是ISO 25600，下面是全尺寸示意以及RAW對比，A7R3縮圖到與1DX2相同的解析度，大家猜猜誰是誰拍的？

無論相對亮部還是暗部，是不是除了色溫有些區別，別的很難看出不同，噪點表現也基本接近？答案是A7R3在左，1DX2在右，所以在這裡不難得出一個簡單的結論：哪怕是ISO 25600，相同輸出尺寸下RAW的區別幾乎沒有，真正的應用分支是一個求高連拍速度和機身全面性，一個可更大尺寸的輸出，而且A7R3的速度也來到了「喪心病狂」的10fps，這可是以前只有速度機才能達到的水平。

那JPG呢？還是ISO 25600，打開機內高感降噪：

放大看左邊的A7R3噪點更多，其中還有不少彩色噪點，但細節更好銳度更高，這裡就有縮圖的功勞，而右邊的1DX2與之相反，噪點少但塗抹更多一點，體現只是ISP調校策略的不同，因此這個項目沒有絕對的勝負。

這個部分用ISO 6400來結束，事實上A7R3縮圖到與1DX2相同尺寸時，在RAW里可以看到銳度依然是勝出的，這就是高像素的優勢，拍攝光圈F8，快門1/30秒。下圖為原始大小，和中間包裝盒部分的截圖（第一張A7R3，第二張1DX2）對比：

能點開原圖就看原圖，無法點開的話下圖就是上圖白框處的放大：

這應該比較明顯了吧，第一張的A7R3能夠更清晰地辨明文字，而1DX2則要辛苦許多，哪怕是在理論上它應該更擅長的ISO 6400。

第三個部分說說底噪。回頭看看雜訊結構不難發現，放大器及其之前有一大堆雜訊會跟隨它一起被放大，其中就包含了不少背景雜訊和模式雜訊，而今天我們講的主要是零輸入時，感測器自帶的熱雜訊、閃爍雜訊、模擬信號傳輸中代入的雜訊等等，當然也可以看看固定模式雜訊（比如色彩偏色），這些都是不同感測器在設計時可能會帶來的問題。

對於A7R3和1DX2，發熱都是一件不容易處理好的事情，A7R3是CMOS懸浮的五軸散熱結構，通過下圖不難看出，CMOS在機身內是可以活動的，第一張為初始狀態，第二張是向左下角移動後，注意對比兩圖紅框表示：

換言之它主要靠空氣導熱，顯然不是什麼高效率的方案，而1DX2雖然沒有公開製程，但都用上一根熱管來專門給感測器散熱了，高功耗高發熱讓它的實時取景續航甚至只有240來張，而它使用的可是堪比一些輕薄筆記本的30Wh電池！根據熱雜訊的公式：

K為玻爾茲曼常數，T為絕對溫度，R為電阻值，B是雜訊等效帶寬，C是電容值，可以很明顯的看到，在一塊固定設計的感測器上，T是唯一的環境變數，換言之T越高，熱雜訊電壓越高，而且恰恰這就是A7R3和1DX2不擅長應對的。測試選取ISO 3200，F5.6和30秒作為曝光設置，這個ISO和快門速度是星空攝影主題會用到的設置，拍攝時蓋上鏡頭蓋，保證零輸入。

關閉長時曝光降噪功能，關閉高ISO降噪，100%放大對比兩者的RAW：

如果不看原圖的話，可能你都看不出有啥區別，事實上左側的A7R3隱隱約約帶一點點零星的彩點，不過往往都有不好額事物暗藏在黑暗裡，雜訊也不例外，只需要在PS里加2檔和3檔曝光補償，就能看到以下的對比：

比較明顯可以看到，左側的A7R3的雜訊傾向是顆粒大，彩噪多，而且還偏色（出現偏色的ISO值相對更低，但極限ISO偏色程度較輕）。1DX2的零輸入本底雜訊顆粒很小，沒有偏色，可以說高感光度下的佳能初代內置ADC機型在雜訊抑制上做得相當不錯（熱管立功了！），所以底噪控制上，1DX2算是勝出。A7R3這塊底在沒有五軸的D850上應該要控制得更好一點，當然這只是理論，誰讓我沒有D850呢……

總結順便提醒大家：別忘了我們的日常拍攝始終都是有信號輸入的，熱噪等問題在高感下被大量放大的前端雜訊，以及ISP引入的雜訊所掩蓋，所以第二項測試才是最具實用性的。至此，可以得出我的最終結論，在實用高感光度（ISO 3200-25600）內，佳能1DX2和索尼A7R3以相同尺寸輸出弱光拍攝照片時，RAW域的噪點表現各有傾向性：A7R3的傾向於低信噪比高銳度，1DX2則相反，輸贏得結合具體拍攝主題來看，不能一概而論。而在102400這種極限高感下1DX2因原生ISO更高，JPG直出效果更好，所以相對更有優勢，但在RAW域其實差別也不大，事實上與1DX2同等定位的D5、A9也都同樣如此。

注意，本文只比較1DX2和A7R3的高感成像，也只討論單次成像，多幀降噪（低雜訊）或像素偏移（高銳度）不算在內，功能設計方面也不作過多比較，應用面有比較明顯的差距，選擇它們只是因為在低像素和高像素機型中比較有代表性，而且恰好我都有入手。簡單來說本文只為證明一件事——同代次的感測器（有點籠統，但細節前提太多，不展開了），高感光度性能與像素密度沒有直接聯繫，更高的像素密度可以通過縮圖來補回信噪比，使其噪點表現與低像素密度感測器基本相當。

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