探秘傳說中的X3感測器，適馬SD Quattro測評

09-08

來自專欄玩機小胖的玩具世界23 人贊了文章

作為副廠鏡頭大戶，近年來的適馬ART系列可以說是高舉「與原廠同規格就打性價比，做原廠沒有做的高規格」大旗，幾乎奠定了副廠第一品牌的地位，而對器材市場略知一二的朋友應該都知道適馬自己也做相機，甚至包括可換鏡頭的無反相機，既掌握鏡頭技術，又能自己做機身，理論上完全可以成為和佳能尼康索尼齊頭並進的第四巨頭，但為什麼在市面上適馬機身卻顯得非常小眾呢，就用我手裡的SD Quattro來做一次簡要的剖析吧。

從基礎的感測器技術說起，Foveon X3感測器的歷史其實挺久了，在21世紀初就在與CCD作較量，創意起源於1935年就誕生的彩色膠片三層結構。按X3自身的設計版本來看有2個，第一就是大家多多少少聽說過的老X3結構，也即適馬的DP1、DP2、SD9、SD10、SD14等機型所採用的感測器，第二就是今天主要說的X3 Quattro。X3結構依然是CMOS工藝，但與我們熟悉的拜耳陣列感測器有一些重要的不同點：

X3不是單個像素配單原色濾鏡的結構，而是利用了硅基板在不同深度對不同波長光線吸收的特性，在對應三原色波長吸收率最高的位置鋪設光電二極體，這就讓它的最終結構是一片5微米左後厚度的硅板，在不同深度有三層分別對應藍、綠、紅色波長二極體的層積，這也是它叫「X3」的由來。

事實上針對X3，其他廠商一直都有競爭方案，比如將三原色分離並各自獨立積分的3CCD：

其實跟X3的目的一致，但3CCD在成品結構上顯然沒有X3來得簡潔，設計難點比較多，所以漸漸就被拋棄了。在十幾年前，X3的部分性能指標相對馬賽克陣列來說是不同次元的強大，最典型的就是極高的解析度和銳度，其背後的核心競爭力是高採樣率。

馬賽克陣列單個像素只能對應三原色之一，而X3結構單個像素可以對三原色進行全採樣，以Fx17-78-F13D這塊X3感測器為例，它的有效像素是1410萬，但這是藍綠紅三層各1410萬的加成，有時候你會聽到X3感測器機型「等效XXXX萬像素」的說法，實際上就是把這三層的像素相加而已。

X3結構還有一些先天優勢，比如因為不需要像馬賽克陣列那樣插值猜色，所以X3基本不會出現偽色（注意與鏡頭色差的區分），除此之外高採樣率也意味著摩爾紋的發生率大大降低，因此也不需要低通濾鏡來濾除高頻信息。

不過X3的問題在於起點很高，但發展速度卻不太行，它的高採樣率是伴隨高數據量而來，這對傳輸電路、介面和處理器性能的要求比較高，老X3結構拍一張等10秒也不算少見，而且矽片對不同波長的吸收後還需要非常繁複的矩陣演算法來重新算色，時常會發生照片偏色的問題，這意味著基本上只能拍X3F格式的RAW文件，這又會進一步放慢原本就不快的速度。

所以，為了解決「速度」這個根本性的問題，在發展演算法和硬體處理性能的同時，適馬推出了第二代的X3結構Quattro，這個結構其實就做了一件事：簡化。首先是把放置於中層和底層的綠色、紅色總像素數減少到1/4，也就是單個像素的矽片面積增大為原來的4倍，但頂部的藍色層依然是小面積高像素數的設計，從上到下的像素數對應關係從以前的1:1:1變成了4:1:1，並且關乎於解析度的亮度信息只由藍色頂層來接受，以SD Quattro為例，它的藍色頂層是1960萬像素，綠色與紅色層是490萬像素，將頂層的亮度信息加權賦值到下面兩層後，得到最終JPEG可實現最大3931萬像素（7680 X 5120）的輸出。

可以看到在數據量上Quattro結構大大小於以前的1:1:1結構X3，而且SD Quattro加大了緩存容量，體現在拍攝體驗上就是機內處理和寫卡速度明顯加快，X3F的RAW格式在高解析度（最高5424 X 3616）連拍模式下可以拍攝12張，低解析度（最高2704 X 1808）連拍模式可以拍24張，當然連拍時寫入就且得要等待一段時間了。除此之外SD Quattro還加入了DNG直出功能，100多MB一張的DNG也只需2秒左右就能完成寫入（UHS-II），讓X3玩家終於有了擁抱ADOBE全家桶的喜悅。

但對於X3來說，降低數據量意味著降低採樣率，在10年前或許還經得起這樣造作，而現在的拜耳陣列感測器早已是三十年河西，從中畫幅的哈蘇到全畫幅的索尼、賓得，再到M43的奧林巴斯等等，全都加入了像素偏移搖搖樂功能，而這個功能解決的就是採樣率相對偏低的問題。以索尼A7R3為例，通過五軸防抖機制逐幀移動一個像素，拍攝4張照片讓輸出的每一個像素點都能獲取完整的三原色信息，通過後期合成，可以實現完全不遜色於X3 Quattro感測器的解析度和銳度，甚至在ISO 12800時也能起到增強信號值的作用：

可以看到像素偏移後的左側照片上廣告牌字樣、防盜窗框架明顯更清晰。當然，搖搖樂的問題在於對動態物體的補償演算法尚且不足，還有與X3殊途同歸的高數據量問題（甚至需要後期在電腦上手動合成），但這至少說明一個問題：馬賽克陣列感測器已經找到可以匹敵X3最大優勢的武器，隨著機內處理速度和演算法的進一步提升，不久的將來應該就能看到它的機內完全體了。

更重要的是，這種垂直方向鋪設三層光電二極體的方式對填充因子和量子效率的影響會相當大，因此兩種X3結構都有一個比較嚴重的問題——絕對靈敏度閾值偏高。也即X3感測器需要更多的入射光子才能達成讓信噪比為1（只有超過這個比值才會形成有意義的成像），換句話說就是隨著入射光子的減少，它的雜訊會迅速增加，除此之外，X3 Quattro的亮度信息是由頂層藍色像素輒取，但亮度信息也包含了各個波長的信息，藍色的像素信息需要減去亮度信息中紅色與綠色，除此之外紅色波長其實在其他兩層矽片中也會被吸收，只是吸收的程度不同，而綠色也會被藍色像素的矽片吸收一部分，所以雖然X3是單像素全彩沒錯，但具體到每一層的計算卻非常複雜，這就會引入傳輸和讀取雜訊，並且造成偏色，這些都是X3感測器弱光性能羸弱的根本原因，而且幾乎是不可逆的。

繼續用對比圖來說話吧，在開啟F8、ISO 100也能1/125秒曝光的晴朗環境下，曝光充裕的SD Quattro在解析度、銳度、色彩、白平衡準度等方面都沒得說。上圖左側是不到2000萬像素的DNG-JPEG輸出，在解析度和銳度上可以勝過上圖右側，沒有開啟搖搖樂但從4200萬縮圖到2000萬的A7R3 ARW-JPEG。但注意，這兩張照片拍攝於不同日期，天氣差別比較明顯，因為A7R3被家人旅行拿走了，回頭我再補上相同環境的對比。拍攝靜物或風光時的低感光度單幅輸出可以說是目前X3 Quattro感測器餘威尚存的優勢。

但當ISO提升到400時，變化開始出現，先看這一組對比：

還是100%放大，左側是ISO 100的暗部，右側是ISO 400，這時候可以看到雜訊已經開始在暗部出現，而且注意畫面中的彩色信息已經開始變淡，這正是對應波長的彩色光線信號下降，機內計算色彩出現錯誤的標誌。

但ISO增加到800時，情況更明顯了：

左圖還是ISO 100的100%，注意右圖ISO 800雜訊的持續增加，而且右上角懸掛的藍色衣服色調基本丟失，牆磚的綠色還依稀可辯，但如果把這幅照片的亮部做示例，你就會看出顏色上的差異了：

這就是ISO 100和ISO 800時的綠色表現差異，可以看到照片的亮度信息和解析度都還OK，但色彩開始明顯掉落，如果再繼續提高ISO到1600的話，暗部就會是這個樣子：

雜訊已經鋪開到很明顯的水準，與此同時ISO 100時可以看到的暗部顏色信息也基本都丟光了，而亮部在ISO 1600時的色彩對比變成了這樣：

綠色已經基本丟失，其實仔細看這個時候的亮部細節保留得還不賴，但色彩掉成這樣顯然照片已經失去了彩色的意義，繼續把ISO推高到3200的話：

暗部的灰度信息丟失了，亮部的色彩跟ISO 1600差不多，但開始掉細節，如果進一步加到ISO 6400的話就基本上變成黑白照片了：

這個部分的最後來個RGB三原色都有的ISO 100/3200/6400對比吧，基本可以總結為：圖像中亮度越高的區域顏色信息隨ISO提升的衰減幅度越小。可以看到強光直射下的紅色與藍色信息在ISO 6400時都還有所保留，具體就留給大家自行感受吧：

所以對於SD Quattro等全部X3感測器機型來說，實用ISO有且只有最低的那一檔，在SD Quattro上就是ISO 100，白天晚上都只能是它，所以腳架就成了隨身必備。夜間使用時可以放心開啟長曝光模式，X3感測器的熱噪和暗電流雜訊控制得相對還算不錯，曝光充裕的情況下即便是弱光環境，也能正確以高信噪比狀態反饋色彩，比如這張就夜間弱光環境下以F3.5、30秒、ISO 100所拍攝：

而它既然是高解析度高銳度的設計，風光自然就是它的一大主要應用方向，而對於風光來說動態範圍是非常關鍵的硬指標，以ISO 100拍攝有較大光比的環境時，以保留高光部分不溢出為基準來進行拍攝，這時候畫面中的相對暗部可能會欠曝，這時候就需要後期提高暗部亮度，但因為前面已經解讀過的原因，SD Quattro欠曝部分的信噪比衰減比較嚴重，換句話說就是在雜訊不明顯影響畫質的前提下，它的後期提亮幅度很有限，對比來看基本只有一檔，對於這個問題適馬給出的方案是SFD（Super Fine Detail）模式。

其實原理很簡單粗暴，就是以標準測光為中心，欠曝過曝各三擋共計7張照片做包圍，生成一個專用的X3I格式文件，在電腦端SIGMA Photo Pro軟體來合成一張HDR照片。

可以看看SFD包圍與單幅的對比，後者的直方圖波峰主要在中間，單幅更靠右，而SFD模式的標準曝光值與單幅是完全相同的。SFD模式只能在ISO 100下使用，所以它基本不會受雜訊影響，同時暗部與亮部都有還不錯的表現。不過這種多幀曝光的形式對於動態物體的補償有很高要求，作為風光應用時，風吹草動波浪迭起也是稀疏平常的事情，車來人往也不足為奇，SD Quattro的SFD模式在這方面的演算法就顯得比較簡單了，可以很明顯看到各種殘影和模糊：

SD Quattro採用的是片上相位差+反差混合對焦，配合適馬ART 18-35mm F1.8 DC HSM鏡頭來看對焦速度還不錯，弱光環境下機身會發出幽幽綠光來進行輔助。對焦點有9個，成「井」字形布局，而且對焦框選範圍可調整，滿足基本的構圖沒有問題。自動對焦支持人臉識別，但一次只認一張臉，在人群中拍攝時不能自由切換，適合拍攝單人人像。SD Quattro也支持連續自動對焦，不過速度不快，在環境光線較好的情況下可以追拍一些運動速度較慢的被攝物。

SD Quattro的測光不是特別准（尤其是光線較弱時），好在無反是真正的所見既所得，隨時根據取景情況進行明暗調整很方便。

而說到取景，有意思的是SD Quattro配備了一塊3英寸162萬像素（3:2比例900 X 600）固定式LCD，右側還有一塊副屏可以顯示拍攝和回放參數，而且還有一個236萬像素（4:3比例1024 X 768）的OLED電子取景器，這倆規格放在當下也是很出色的，但卻暴露出了SD Quattro取景預覽解析度偏低的問題，取景時肉眼就能很清楚的看到因為解析度不足帶來的畫面模糊，甚至會產生摩爾紋：

實際上拍攝出來的照片並不會有這個問題，這說明SD Quattro在取景時採用了合併像素的方式來降低數據流，提供更流暢的取景幀速，但這對於拍攝細節要求高，同時又需要精細調焦的主題時就只能摸著石頭過河，拍完再檢查了。

噢對了，SD Quattro系列沒有視頻模式，所以它是專攻靜態照片的機種。

接下來具體聊聊機身設計，SD Quattro系列有我手裡的1.5x換算倍率的APS-C版，也有面積更大，換算倍率1.3x的APS-H版，後者頂層像素為2555萬，最高可輸出5120萬像素JPEG，兩者外形規格幾乎一模一樣。

雖然沒有反光鏡和五稜鏡光學取景/對焦系統，但為了兼容鏡後距較長的適馬自家單反鏡頭，SD Quattro系列的SA卡口依然保留了45.5mm的法蘭距，甚至還可以直接使用賓得PK口鏡頭，也可以轉接46.5mm法蘭距的尼康F卡口鏡頭，不過這也導致它的機身造型比較奇特，卡口內還特意為較長的法蘭距設計了一個中空腔室。為了防塵，在卡口處還有一塊玻璃做阻隔（眩光+1），所以SD Quattro的體積比較大，裝上電池和存儲卡之後體重就直奔700克去了，再加上18-35mm F1.8，整套下來1500克以上。

機身設計比較「與眾不同」，但握持感還不錯，所有按鍵鍵體與機身開孔都有一定的冗餘，所以按鍵手感不會生硬。系統UI比較簡練，但有時候設置提示會有點隱晦，需要一點時間來學習和適應，然後就能快速進行拍攝操控了。

既然說到了ART 18-35mm F1.8 DC HSM，就來聊聊這顆SA版本的鏡頭素質吧，作為APS-C畫幅鏡頭，在SD Quattro上等效為27-52.5mm，作為一顆光圈較大、視野從廣角覆蓋到中段、價格還不算太誇張的ART系列變焦鏡頭，結合SD Quattro的特點來看主要應用就是風光、靜物和人像擺拍，一點一點來解析一下吧。

首先是風光，這個主題大家普遍喜歡數毛，也普遍喜歡直接拖到邊緣看細節，18-35mm F1.8全開邊緣一般，可以看看下面F1.8全開和F8的100%截圖對比：

全開時暗角較大，邊緣受場曲影響明顯，但收縮到F8後改善不少。不過F1.8全開和F8在中心部分幾乎沒有區別，這一點還是挺厲害：

風光拍攝時也會遇到強光斜入射導致眩光鬼影的問題，主要考驗的是鏡片結構設計和鍍膜工藝，18-35mm F1.8在這方面的表現稍有些不如人意：

光源和眩光呈綠色是因為鍍膜反射的緣故，換個角度來看18-35mm F1.8內鏡組之間的光線反射還有那麼點藝術感：

肉眼也能看出鍍膜主要反射了500~570nm波長的綠色光，所以當畫面中有較強光源的拍攝主題時，選對機位以發揮遮光罩的作用很重要。當然，要是主觀上很喜歡這種感覺的就無所謂了。

然後是色差測試，全開光圈時18-35mm F1.8軸向色差比較明顯，可參考下圖：

近景端的紫邊和背景端的綠邊應該不需要再多強調了，換言之就是當大家用這顆鏡頭在35mm長焦端拍攝人像時，要稍微注意一下前後景中的高反差區域，把色差的影響盡量降低，焦內的倍率色差倒是不明顯。而拍攝靜物多會收縮光圈，布光也相對可控，色差問題基本可以忽略。

從前面的入/出瞳孔來看不難發現這顆鏡頭的光圈是挺圓的， 9片光圈葉比較靠譜。不過光斑不太好看，非球面鏡片的痕迹比較明顯，而且存在一定程度的染色。

35mm端和18mm端的口徑蝕觸發區域比較靠近邊緣。在35mm端表現可以接受，拍人像什麼的虛化效果還不錯。18mm端在邊緣除了口徑蝕還會出現一點卡口裁切，不過反正也基本上拍不了星星（基本限定在ISO 100），所以也沒啥實際影響了。

總結：毫無疑問SD Quattro是一個偏科生，但偏科生好就好在它的強項弱項都擺在明面上，這就意味著它與用戶的相性搭配會更容易，在想要獲得低感光度單幅拍攝超高解析度/銳度的攝影師手裡，SD Quattro依然是目前主流價位馬賽克陣列機型無法匹敵的選擇。而且它的價格並不貴，18-35mm F1.8套機價格不到9000，在這個預算上它的競爭對手有索尼全畫幅A7M2+28-70mm套機、尼康全畫幅D750+24-85mm套機、佳能APS-C 80D+18-200mm套機等等，在我看來這些機型比較適合選擇為日常雜項拍攝的主力，適馬SD Quattro系列更專精於它擅長的部分，所以比較適合當做第二選擇，善用的前提下可以給你足夠多的驚喜。