详解富士X-Trans CMOS

发布日期：2014-12-09

富士为大多数X系列单电相机以及部分高端X系列便携相机都配备了一种叫做X-Trans CMOS的感光元件。什么是X-Trans CMOS？它和其他数码相机使用的CMOS有什么不同？富士通过X-Trans CMOS获得哪些优势？又带来哪些问题？由于X-Trans CMOS技术是富士X系列相机的核心之一，因此我们在这篇文章里来近距离了解一下X-Trans CMOS技术。

X-Trans CMOS技术的起源

出于胶片制造巨头的传统，在数码相机历史上，富士一直热衷于研发自己的感光元件。之前的超级CCD和EXR技术都是富士开发的独特感光元件技术。而X-Trans则可是富士近年开发的一款更先进的感光元件技术。

要了解X-Trans CMOS的起源，就得知道传统感光元件的问题。CMOS和CCD是目前数码相机普遍采用的感光元件。在大尺寸感光元件领域，CMOS占据绝对优势地位。CMOS主要通过密集排列的光电二极管感受光信号，然后将光信号转换为电信号。值得注意的是，CMOS上的光电二极管只能感受光强度变化，而无法感受颜色。所以，CMOS捕捉的图像类似于黑白照片。

为了让相机拍出彩色照片，科学家和技术人员通过在CMOS上覆盖彩色滤镜来区分不同光电二极管所感受的色彩。这个原理与我们既往使用色彩滤镜拍摄照片本质是一样的。目前普遍采用的CMOS色彩滤镜排列是由柯达公司的Bayer所发明的，因此也被称为Bayer排列。Bayer排列是一个2×2矩阵排列，每一个矩阵单元中包含2个绿色像素、1个红色像素和1个蓝色像素，其RGB的比例是1:2:1，绿色像素为红色与蓝色像素的总和。

Bayer排列解决了彩色捕捉的问题，但是它也带来了一些问题。由于每一个像素点只能感受一种颜色，因此最后的图像需要通过技术处理为每个像素填充另外两种颜色，这个过程被称为“去马赛克”（demosaic），实际上是一种软件差值算法。软件插值算法在大多数情况下都能获得逼真的结果，然而在某些情况下却会引入失真。其中，摩尔纹是最常被谈及的问题。

摩尔纹是指在拍摄某些人工材料时所出现的机械重复的图像伪迹。由于织物多数都是不断重复的纤维排列，因此在拍摄服装时尤其容易出现摩尔纹。同样的情况也出现在任何存在细密机械重复的人造材料拍摄中。为了抑制摩尔纹，一般的策略是在CMOS之前增加低通滤镜。低通滤镜能够过滤高频信号，消除摩尔纹，然而其代价是影响成像的锐度，尤其会丧失一些非常细小的照片细节。

由于大多数人总是用相机拍摄日常生活，所以为CMOS添加低通滤镜成为合理的选择，毕竟摩尔纹是很难通过后期技术去除的，有时候会严重影响成像质量。但是，对于自然摄影来说，却并不会遇到摩尔纹的问题。对于这类摄影，低通滤镜就起了反作用。我们大多数人都不会为不同的理由去准备不同的相机。我们能否移去低通滤镜以保证成像的锐利、同时又充分抑制摩尔纹呢？这正是X-Trans CMOS出现的主要理由之一。

X-Trans CMOS的技术优势

Bayer排列CMOS容易产生摩尔纹的主要原因被归结于过小的重复像素阵列。Bayer排列的阵列单元是2×2，并且是机械的RGBG排列，即在一个四方格中，两个绿色像素占据对角，另两个角由红色和蓝色像素填充。胶片摄影中并没有类似的问题，因为胶片上的银盐颗粒是随机排列的，并不会与重复细节产生干扰。X-Trans CMOS也正是借用了这个原理，在色彩阵列中引入了一定的“随机性”。

与Bayer排列不同，X-Trans CMOS的阵列单元是6×6。下方是6×6单元色彩滤镜排列示意图。左侧是Bayer排列，右侧是X-Trans排列。X-Trans尽管依然是6×6的重复，但是在6×6的单元里，三种颜色滤镜的排列却并不是机械的重复，而是看起来比较杂乱的排列。通过这种“杂乱”，X-Trans CMOS能够比Bayer排列的传统CMOS更好地抑制摩尔纹，从而可以取消低通滤镜，以获得更高的成像锐度。

比较Bayer排列和X-Trans排列，你还会发现两个显著的差异。第一，在Bayer排列中，任意行或列都只包含两种色彩，或者是红与绿，或者是蓝与绿。而在X-Trans排列中，任意行或者列都包含三种色彩，富士宣称理论上这能够带来更好的色彩还原，尽管我对此略有怀疑。第二，在同样的像素区域内（比如6×6），Bayer排列有18个绿色像素，而X-Trans排列则有20个绿色像素。也就是说，X-Trans CMOS的绿色像素要比Bayer排列更多。由于绿色的感光能力最强，对细节表现也最好，因此这成为X-Trans CMOS在高感成像上要强于相同尺寸的Bayer排列CMOS的重要原因之一。

总体来说，通过特殊的色彩滤镜阵列，X-Trans CMOS获得了抑制摩尔纹发生的能力，同时其成像分辨率和高感能力也获得了增强。

X-Trans CMOS目前的问题

尽管X-Trans CMOS通过改变色彩滤镜阵列获得了一些相对传统Bayer排列CMOS的优势，然而任何事物都有两面性，X-Trans CMOS本身也引入了一些新的问题。

我们在之前已经说过，由于每一个像素只能感受一种颜色的光强，要形成彩色照片，就必须进行去马赛克插值操作。传统的Bayer排列由于是2×2的机械重复，而且在软件插值算法上已经有非常丰富的经验，目前多数相机和软件都能准确还原Bayer CMOS的成像结果。而X-Trans是新生事物，并且X-Trans的色彩排列形式要远比Bayer排列复杂，这就给软件的后期解码带来了问题。

下图是来自Thom Hogan的例子。请注意我圈出的旗帜左下角的那片区域。在这里，红色似乎“渗透”到了白色中，在边缘产生了晕染效果。这种在细节区域的色彩拖曳（color smear）现象是X-Trans CMOS后期解码中的主要问题之一，它不但影响色彩的准确性，也会影响细节。产生这个问题的原因与X-Trans的色彩滤镜排列形式有关。

在Bayer排列中，每四个正方形排列的相邻像素中总有两个绿色像素、一个红色像素和一个蓝色像素。但是，在X-Trans CMOS中，绿色像素的总量更多，这使得红色与蓝色像素在某些区域被分隔开。当解码CMOS数据的时候，对于Bayer排列只需要向相邻方向走一格就能获得色彩信息，而在X-Trans CMOS中，则可能需要走得更远才能找到色彩信息。这导致解码过程的复杂化以及细节部分色彩失真的可能增加——这就是我并不相信富士宣称X-Trans CMOS能带来更好色彩还原的理由——事实上，X-Trans CMOS对色彩的敏感性不及Bayer排列。

在RAW解码领域，相机制造商通常都不愿意与第三方软件紧密合作，这使得流行的数码后期处理软件无法发挥X-Trans CMOS的潜能。好在这种趋势近年略有改变。下面是来自DPREVIEW的示例。左侧是Lightroom 4.3获得的X-Trans CMOS解码结果，而右侧是Lightroom 4.4获得的X-Trans CMOS解码结果。从图中可以明显看到Lightroom 4.4更好地还原了色彩，标志牌上的绿色并没有被印染到白色的文字中。

在我看来，X-Trans CMOS最大的问题在于它并没能在实践中充分证明自己相对Bayer CMOS的优越性。从目前的经验来看，X-Trans CMOS在高感上仅仅是微弱地强于传统CMOS。如果考虑当前富士X-Trans CMOS为1600万像素，而主流的索尼APS-C尺寸CMOS为2400万像素的话，这种优势几乎可以忽略。因此，X-Trans CMOS最大的好处还是在于抑制摩尔纹。

然而，包括尼康D7100、D810、奥林巴斯OM-D E-M1等，越来越多的相机已经去除了低通滤镜。虽然移除低通滤镜具有记录摩尔纹的潜在风险，然而像素密度的提高让制造商的天平倾向分辨率，同时我相信软件技术的提高也对抑制摩尔纹起到了相当的作用。除此以外，宾得甚至为K-3配备了一种叫做“低通滤镜模拟器”的东西，通过微棱镜的轻微抖动以实现与低通滤镜相似的效果。这种功能可以让你在需要时“打开”低通滤镜，在不需要时“关闭”低通滤镜。种种情况都说明，X-Trans CMOS的技术优势只是部分的，并且并没有过硬的说服力。

这并不是说X-Trans CMOS技术本身不值得肯定。富士的X-Trans CMOS能够给你出色的成像，然而其他相机也可以。也就是说，X-Trans并不是富士X系列相机优于Bayer相机的地方——充其量只是不同于其他相机而已。X-Trans是一种独特的技术，但是它是否能在与Bayer CMOS的竞争中胜出，或者有其他新的技术脱颖而出，这还有待历史的检验。