富士作為圖像傳感器設計的創(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技術引領未來發(fā)展
在2000年代初期，F(xiàn)ujifilm憑借其Super CCD技術走了自己的路，該技術首次出現(xiàn)在2000年3月發(fā)布的FinePix 4700中。
SuperCCD使用了一個不尋常的八角形感光網格，旋轉了45度以使其峰值分辨率達到水平軸和垂直軸，這將在實際拍攝中發(fā)揮最大的作用。
2003年，F(xiàn)inePix F700中的Super CCD SR芯片在每個微透鏡下方放置了兩個光電二極管（一個大一個小），從而增加了動態(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，該傳感器具有新設計的彩色濾光片陣列，可以更輕松地進行像素合并，并能夠在傳感器一半像素曝光期間將信息從時鐘中移出。
結合起來，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，靈敏度或動態(tài)范圍。
Fujifilm的Super CCD圖像傳感器產品線在長達十年的使用壽命中經歷了多次迭代。上圖顯示了該時期公司的營銷材料，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）使用的像素結構。左）和Super CCD EXR II（2010，右下）。
至于中間的Super CCD EXR（2009，下圖），其結構類似于原始的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，以實現(xiàn)更快的自動對焦，成業(yè)界首創(chuàng)，最終被幾乎所有相機制造商所采用，這使得無反光鏡相機革命成為可能。
Super CCD EXR II還標志著獨特的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從內存中消失了，但距離富士膠片圖像傳感器創(chuàng)新的終結還很遙遠。
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傳感器技術遵循了使用獨特的彩色濾光片陣列的想法，但它在一個全新的方向上走得更遠。
我已經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，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，綠色和藍色濾光片，因此每個傳感器像素將只響應那些原色之一。好像您有三臺相機，每個相機捕獲單色的紅色，綠色和藍色圖像，然后將它們組合在一起以產生全彩色結果。
上面的鏡頭和下面的100％裁剪顯示了藍色織物中顏色混疊的一個很好的例子，這是由模型衣服上的細線圖案引起的。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。具有不同色調或較大比例細節(jié)圖案的主體可能會使去除色彩偽影非常困難或不可能。
這種方法有兩個問題。首先，相機必須進行一些數(shù)字運算，才能將每個單獨的紅色，綠色和藍色像素轉換為全彩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，當對象包含精細的重復圖案時，彩色像素的規(guī)則重復圖案會導致莫爾圖案。（請考慮一下布料或諸如百葉窗之類的物體上的紋理。）如果您曾經將兩塊窗戶的屏幕相互傾斜，那么您會看到沖突的圖案所產生的明暗漩渦。當對象上的圖案恰巧以錯誤的方式與傳感器上的規(guī)則彩色像素陣列對齊時，在相機中可能會發(fā)生同樣的事情。
解決此問題的經典方法是將所謂的光學低通濾波器放在傳感器前面。這基本上會產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過渡不會通過與像素圖案進行交互而引起問題。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。
真的沒有辦法解決這個問題。盡管非數(shù)學家會告訴您，這是生活中的數(shù)學事實。如果對象細節(jié)相對于像素間距太細，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，鏡頭無法將細節(jié)解析得足夠細致以至于引起莫爾紋問題，因此相對于像素的精細間距，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節(jié)，因此相機不需要自己的低通濾鏡就可以進一步模糊。
當然，您會看到以下問題：如果您的鏡頭可以解決如此精細的細節(jié)，會發(fā)生什么？
設計一種不僅具有良好光學特性，而且還可以可靠且可重復地制造的鏡片，與科學一樣多。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際可以實現(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。鏡片設計師對沖他們賭注的一種方法是設計鏡片，使得沒有一個絕對最佳焦點的點，而是一個焦點大致相同的范圍。
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焦點設置下進入了最清晰的對焦，如左圖所示。在現(xiàn)實世界中，鏡頭的DOF曲線往往會有些平底，這取決于其分辨率極限。鏡片設計師有時會故意使曲線的底部變平，但要權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)實世界中，大多數(shù)鏡頭被設計為V形底部平坦，這有助于在制造過程中適應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設計師向我解釋了這一點——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，他們已經想到了采用X-Trans傳感器技術的解決方案。
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，綠色和藍色。左上方是大多數(shù)相機傳感器使用的標準“拜耳”彩色濾光片陣列圖案，黃色輪廓指示在其上重復陣列的2 x 2像素網格。右圖顯示了富士獨特的X-Trans彩色濾光器陣列，其六到六像素的像素網格更大。較大的網格允許更隨機的布局，從而更耐波紋。
X-Trans通過使用更復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節(jié)。
當然，X-Trans仍然具有彩色像素的重復圖案，因此不能100％保證您永遠不會看到波紋圖案。不過，最重要的是X-Trans傳感器為相機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)據可用于在波紋和最大銳度之間達到最佳平衡。它需要進行大量的數(shù)字運算，但是不同的空間采樣頻率為處理器提供了更多信息。
三、經過多年的發(fā)展，X-Trans真正達到了成熟
像之前的Super CCD一樣，F(xiàn)ujifilm的X-Trans傳感器技術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進行了完善和擴展。
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設計，增加了片上相位檢測自動對焦功能。改進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對焦點，并且從鋁線切換到了銅線，同時降低了噪聲水平并顯著提高了讀取速度，從而改善了相機性能。
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計，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數(shù)量，以實現(xiàn)更強大的自動對焦。它還將分辨率提高到了26.1兆像素。
X-Trans技術是Fujifilm戰(zhàn)略的基礎。他們將圖像質量視為相機的主要差異因素，并為此投入了大量資金來開發(fā)自己的傳感器技術。X-Trans只是該過程中的最新迭代，這是在處理器技術實現(xiàn)其可行性之前計劃的幾年。
富士最新一代的X-Trans傳感器設計是X-Trans CMOS 4芯片，如上圖所示，它位于X-T3無反光鏡相機中。
當X-Trans首次出現(xiàn)時，我采訪富士膠片工程師時，他們的未來計劃是我最感興趣的事情之一。早在2012年，當?shù)谝慌_X-Trans相機問世時，他們就告訴我，到那時為止，他們已經在X-Trans上工作了五六年。
為什么要花這么長時間？
從X-Trans濾色鏡陣列中去馬賽克數(shù)據以創(chuàng)建相機內的全彩色圖像需要大量的處理能力，這遠遠超出了當時相機內圖像處理器提供的功能。大約五年后，處理器技術才得以趕上。
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間劃一條線并預測最終會有圖像處理器可以完成任務，這并不難。因此，他們沒有擱置這個想法，而是繼續(xù)研究這個概念。
這讓我著迷。我想公司根據技術的未來來做出戰(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計，旨在實現(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，應具有足夠強大的處理器，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”聰明的傳感器設計
如今，嵌入式處理方面的改進意味著有足夠的力量來節(jié)省資源。實際上，當?shù)谝慌_X-Trans CMOS 4相機問世時，它的首次亮相也帶來了該公司的第一款X-Processor 4芯片，具有移動四核設計。
強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，以實現(xiàn)更可靠的自動對焦和自動曝光，并增加支持用于4K視頻捕獲。
當然，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用程序中處理其原始圖像。那也花了一些時間才能實現(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，是因為Fujifilm竭盡全力促進這一發(fā)展，向軟件制造商提供支持，并且不為使用其技術收取許可費。
事實證明，過去幾年，F(xiàn)ujifilm的X-Trans技術已真正發(fā)揮作用。它提供了一種真正獨特的圖像質量方法，其先進的自動對焦體系結構與最新X處理器的強大功能相結合，也提供了出色的自動對焦性能。
