适马x3传感器怎么样（探秘传说中的X3传感器）

作为副厂镜头大户，近年来的适马ART系列可以说是高举“与原厂同规格就打性价比，做原厂没有做的高规格”大旗，几乎奠定了副厂第一品牌的地位，而对器材市场略知一二的朋友应该都知道适马自己也做相机，甚至包括可换镜头的无反相机，既掌握镜头技术，又能自己做机身，理论上完全可以成为和佳能尼康索尼齐头并进的第四巨头，但为什么在市面上适马机身却显得非常小众呢，就用我手里的SD Quattro来做一次简要的剖析吧。

从基础的传感器技术说起，Foveon X3传感器的历史其实挺久了，在21世纪初就在与CCD作较量，创意起源于1935年就诞生的彩色胶片三层结构。按X3自身的设计版本来看有2个，第一就是大家多多少少听说过的老X3结构，也即适马的DP1、DP2、SD9、SD10、SD14等机型所采用的传感器，第二就是今天主要说的X3 Quattro。X3结构依然是CMOS工艺，但与我们熟悉的拜耳阵列传感器有一些重要的不同点：

X3不是单个像素配单原色滤镜的结构，而是利用了硅基板在不同深度对不同波长光线吸收的特性，在对应三原色波长吸收率最高的位置铺设光电二极管，这就让它的最终结构是一片5微米左后厚度的硅板，在不同深度有三层分别对应蓝、绿、红色波长二极管的层积，这也是它叫“X3”的由来。

事实上针对X3，其他厂商一直都有竞争方案，比如将三原色分离并各自独立积分的3CCD：

其实跟X3的目的一致，但3CCD在成品结构上显然没有X3来得简洁，设计难点比较多，所以渐渐就被抛弃了。在十几年前，X3的部分性能指标相对马赛克阵列来说是不同次元的强大，最典型的就是极高的分辨率和锐度，其背后的核心竞争力是高采样率。

马赛克阵列单个像素只能对应三原色之一，而X3结构单个像素可以对三原色进行全采样，以Fx17-78-F13D这块X3传感器为例，它的有效像素是1410万，但这是蓝绿红三层各1410万的加成，有时候你会听到X3传感器机型“等效XXXX万像素”的说法，实际上就是把这三层的像素相加而已。

X3结构还有一些先天优势，比如因为不需要像马赛克阵列那样插值猜色，所以X3基本不会出现伪色（注意与镜头色差的区分），除此之外高采样率也意味着摩尔纹的发生率大大降低，因此也不需要低通滤镜来滤除高频信息。

不过X3的问题在于起点很高，但发展速度却不太行，它的高采样率是伴随高数据量而来，这对传输电路、接口和处理器性能的要求比较高，老X3结构拍一张等10秒也不算少见，而且硅片对不同波长的吸收后还需要非常繁复的矩阵算法来重新算色，时常会发生照片偏色的问题，这意味着基本上只能拍X3F格式的RAW文件，这又会进一步放慢原本就不快的速度。

所以，为了解决“速度”这个根本性的问题，在发展算法和硬件处理性能的同时，适马推出了第二代的X3结构Quattro，这个结构其实就做了一件事：简化。首先是把放置于中层和底层的绿色、红色总像素数减少到1/4，也就是单个像素的硅片面积增大为原来的4倍，但顶部的蓝色层依然是小面积高像素数的设计，从上到下的像素数对应关系从以前的1:1:1变成了4:1:1，并且关乎于分辨率的亮度信息只由蓝色顶层来接受，以SD Quattro为例，它的蓝色顶层是1960万像素，绿色与红色层是490万像素，将顶层的亮度信息加权赋值到下面两层后，得到最终JPEG可实现最大3931万像素（7680 X 5120）的输出。

可以看到在数据量上Quattro结构大大小于以前的1:1:1结构X3，而且SD Quattro加大了缓存容量，体现在拍摄体验上就是机内处理和写卡速度明显加快，X3F的RAW格式在高分辨率（最高5424 X 3616）连拍模式下可以拍摄12张，低分辨率（最高2704 X 1808）连拍模式可以拍24张，当然连拍时写入就且得要等待一段时间了。除此之外SD Quattro还加入了DNG直出功能，100多MB一张的DNG也只需2秒左右就能完成写入（UHS-II），让X3玩家终于有了拥抱ADOBE全家桶的喜悦。

但对于X3来说，降低数据量意味着降低采样率，在10年前或许还经得起这样造作，而现在的拜耳阵列传感器早已是三十年河西，从中画幅的哈苏到全画幅的索尼、宾得，再到M43的奥林巴斯等等，全都加入了像素偏移摇摇乐功能，而这个功能解决的就是采样率相对偏低的问题。以索尼A7R3为例，通过五轴防抖机制逐帧移动一个像素，拍摄4张照片让输出的每一个像素点都能获取完整的三原色信息，通过后期合成，可以实现完全不逊色于X3 Quattro传感器的分辨率和锐度，甚至在ISO 12800时也能起到增强信号值的作用：

可以看到像素偏移后的左侧照片上广告牌字样、防盗窗框架明显更清晰。当然，摇摇乐的问题在于对动态物体的补偿算法尚且不足，还有与X3殊途同归的高数据量问题（甚至需要后期在电脑上手动合成），但这至少说明一个问题：马赛克阵列传感器已经找到可以匹敌X3最大优势的武器，随着机内处理速度和算法的进一步提升，不久的将来应该就能看到它的机内完全体了。

更重要的是，这种垂直方向铺设三层光电二极管的方式对填充因子和量子效率的影响会相当大，因此两种X3结构都有一个比较严重的问题——绝对灵敏度阈值偏高。也即X3传感器需要更多的入射光子才能达成让信噪比为1（只有超过这个比值才会形成有意义的成像），换句话说就是随着入射光子的减少，它的噪声会迅速增加，除此之外，X3 Quattro的亮度信息是由顶层蓝色像素辄取，但亮度信息也包含了各个波长的信息，蓝色的像素信息需要减去亮度信息中红色与绿色，除此之外红色波长其实在其他两层硅片中也会被吸收，只是吸收的程度不同，而绿色也会被蓝色像素的硅片吸收一部分，所以虽然X3是单像素全彩没错，但具体到每一层的计算却非常复杂，这就会引入传输和读取噪声，并且造成偏色，这些都是X3传感器弱光性能羸弱的根本原因，而且几乎是不可逆的。

继续用对比图来说话吧，在开启F8、ISO 100也能1/125秒曝光的晴朗环境下，曝光充裕的SD Quattro在分辨率、锐度、色彩、白平衡准度等方面都没得说。上图左侧是不到2000万像素的DNG-JPEG输出，在分辨率和锐度上可以胜过上图右侧，没有开启摇摇乐但从4200万缩图到2000万的A7R3 ARW-JPEG。但注意，这两张照片拍摄于不同日期，天气差别比较明显，因为A7R3被家人旅行拿走了，回头我再补上相同环境的对比。拍摄静物或风光时的低感光度单幅输出可以说是目前X3 Quattro传感器余威尚存的优势。

但当ISO提升到400时，变化开始出现，先看这一组对比：

还是100%放大，左侧是ISO 100的暗部，右侧是ISO 400，这时候可以看到噪声已经开始在暗部出现，而且注意画面中的彩色信息已经开始变淡，这正是对应波长的彩色光线信号下降，机内计算色彩出现错误的标志。

但ISO增加到800时，情况更明显了：

左图还是ISO 100的100%，注意右图ISO 800噪声的持续增加，而且右上角悬挂的蓝色衣服色调基本丢失，墙砖的绿色还依稀可辩，但如果把这幅照片的亮部做示例，你就会看出颜色上的差异了：

这就是ISO 100和ISO 800时的绿色表现差异，可以看到照片的亮度信息和分辨率都还OK，但色彩开始明显掉落，如果再继续提高ISO到1600的话，暗部就会是这个样子：

噪声已经铺开到很明显的水准，与此同时ISO 100时可以看到的暗部颜色信息也基本都丢光了，而亮部在ISO 1600时的色彩对比变成了这样：

绿色已经基本丢失，其实仔细看这个时候的亮部细节保留得还不赖，但色彩掉成这样显然照片已经失去了彩色的意义，继续把ISO推高到3200的话：

暗部的灰度信息丢失了，亮部的色彩跟ISO 1600差不多，但开始掉细节，如果进一步加到ISO 6400的话就基本上变成黑白照片了：

这个部分的最后来个RGB三原色都有的ISO 100/3200/6400对比吧，基本可以总结为：图像中亮度越高的区域颜色信息随ISO提升的衰减幅度越小。可以看到强光直射下的红色与蓝色信息在ISO 6400时都还有所保留，具体就留给大家自行感受吧：

所以对于SD Quattro等全部X3传感器机型来说，实用ISO有且只有最低的那一档，在SD Quattro上就是ISO 100，白天晚上都只能是它，所以脚架就成了随身必备。夜间使用时可以放心开启长曝光模式，X3传感器的热噪和暗电流噪声控制得相对还算不错，曝光充裕的情况下即便是弱光环境，也能正确以高信噪比状态反馈色彩，比如这张就夜间弱光环境下以F3.5、30秒、ISO 100所拍摄：

而它既然是高分辨率高锐度的设计，风光自然就是它的一大主要应用方向，而对于风光来说动态范围是非常关键的硬指标，以ISO 100拍摄有较大光比的环境时，以保留高光部分不溢出为基准来进行拍摄，这时候画面中的相对暗部可能会欠曝，这时候就需要后期提高暗部亮度，但因为前面已经解读过的原因，SD Quattro欠曝部分的信噪比衰减比较严重，换句话说就是在噪声不明显影响画质的前提下，它的后期提亮幅度很有限，对比来看基本只有一档，对于这个问题适马给出的方案是SFD（Super Fine Detail）模式。

其实原理很简单粗暴，就是以标准测光为中心，欠曝过曝各三挡共计7张照片做包围，生成一个专用的X3I格式文件，在电脑端SIGMA Photo Pro软件来合成一张HDR照片。

可以看看SFD包围与单幅的对比，后者的直方图波峰主要在中间，单幅更靠右，而SFD模式的标准曝光值与单幅是完全相同的。SFD模式只能在ISO 100下使用，所以它基本不会受噪声影响，同时暗部与亮部都有还不错的表现。不过这种多帧曝光的形式对于动态物体的补偿有很高要求，作为风光应用时，风吹草动波浪迭起也是稀疏平常的事情，车来人往也不足为奇，SD Quattro的SFD模式在这方面的算法就显得比较简单了，可以很明显看到各种残影和模糊：

SD Quattro采用的是片上相位差 反差混合对焦，配合适马ART 18-35mm F1.8 DC HSM镜头来看对焦速度还不错，弱光环境下机身会发出幽幽绿光来进行辅助。对焦点有9个，成“井”字形布局，而且对焦框选范围可调整，满足基本的构图没有问题。自动对焦支持人脸识别，但一次只认一张脸，在人群中拍摄时不能自由切换，适合拍摄单人人像。SD Quattro也支持连续自动对焦，不过速度不快，在环境光线较好的情况下可以追拍一些运动速度较慢的被摄物。

SD Quattro的测光不是特别准（尤其是光线较弱时），好在无反是真正的所见既所得，随时根据取景情况进行明暗调整很方便。

而说到取景，有意思的是SD Quattro配备了一块3英寸162万像素（3:2比例900 X 600）固定式LCD，右侧还有一块副屏可以显示拍摄和回放参数，而且还有一个236万像素（4:3比例1024 X 768）的OLED电子取景器，这俩规格放在当下也是很出色的，但却暴露出了SD Quattro取景预览分辨率偏低的问题，取景时肉眼就能很清楚的看到因为分辨率不足带来的画面模糊，甚至会产生摩尔纹：

实际上拍摄出来的照片并不会有这个问题，这说明SD Quattro在取景时采用了合并像素的方式来降低数据流，提供更流畅的取景帧速，但这对于拍摄细节要求高，同时又需要精细调焦的主题时就只能摸着石头过河，拍完再检查了。

噢对了，SD Quattro系列没有视频模式，所以它是专攻静态照片的机种。

接下来具体聊聊机身设计，SD Quattro系列有我手里的1.5x换算倍率的APS-C版，也有面积更大，换算倍率1.3x的APS-H版，后者顶层像素为2555万，最高可输出5120万像素JPEG，两者外形规格几乎一模一样。

虽然没有反光镜和五棱镜光学取景/对焦系统，但为了兼容镜后距较长的适马自家单反镜头，SD Quattro系列的SA卡口依然保留了45.5mm的法兰距，甚至还可以直接使用宾得PK口镜头，也可以转接46.5mm法兰距的尼康F卡口镜头，不过这也导致它的机身造型比较奇特，卡口内还特意为较长的法兰距设计了一个中空腔室。为了防尘，在卡口处还有一块玻璃做阻隔（眩光 1），所以SD Quattro的体积比较大，装上电池和存储卡之后体重就直奔700克去了，再加上18-35mm F1.8，整套下来1500克以上。

机身设计比较“与众不同”，但握持感还不错，所有按键键体与机身开孔都有一定的冗余，所以按键手感不会生硬。系统UI比较简练，但有时候设置提示会有点隐晦，需要一点时间来学习和适应，然后就能快速进行拍摄操控了。

既然说到了ART 18-35mm F1.8 DC HSM，就来聊聊这颗SA版本的镜头素质吧，作为APS-C画幅镜头，在SD Quattro上等效为27-52.5mm，作为一颗光圈较大、视野从广角覆盖到中段、价格还不算太夸张的ART系列变焦镜头，结合SD Quattro的特点来看主要应用就是风光、静物和人像摆拍，一点一点来解析一下吧。

首先是风光，这个主题大家普遍喜欢数毛，也普遍喜欢直接拖到边缘看希捷，18-35mm F1.8全开边缘一般，可以看看下面F1.8全开和F8的100%截图对比：

全开时暗角较大，边缘受场曲影响明显，但收缩到F8后改善不少。不过F1.8全开和F8在中心部分几乎没有区别，这一点还是挺厉害：

风光拍摄时也会遇到强光斜入射导致眩光鬼影的问题，主要考验的是镜片结构设计和镀膜工艺，18-35mm F1.8在这方面的表现稍有些不如人意：

光源和眩光呈绿色是因为镀膜反射的缘故，换个角度来看18-35mm F1.8内镜组之间的光线反射还有那么点艺术感：

肉眼也能看出镀膜主要反射了500~570nm波长的绿色光，所以当画面中有较强光源的拍摄主题时，选对机位以发挥遮光罩的作用很重要。当然，要是主观上很喜欢这种感觉的就无所谓了。

然后是色差测试，全开光圈时18-35mm F1.8轴向色差比较明显，可参考下图：

近景端的紫边和背景端的绿边应该不需要再多强调了，换言之就是当大家用这颗镜头在35mm长焦端拍摄人像时，要稍微注意一下前后景中的高反差区域，把色差的影响尽量降低，焦内的倍率色差倒是不明显。而拍摄静物多会收缩光圈，布光也相对可控，色差问题基本可以忽略。

从前面的入/出瞳孔来看不难发现这颗镜头的光圈是挺圆的， 9片光圈叶比较靠谱。不过光斑不太好看，非球面镜片的痕迹比较明显，而且存在一定程度的染色。

35mm端和18mm端的口径蚀触发区域比较靠近边缘。在35mm端表现可以接受，拍人像什么的虚化效果还不错。18mm端在边缘除了口径蚀还会出现一点卡口裁切，不过反正也基本上拍不了星星（基本限定在ISO 100），所以也没啥实际影响了。

总结：毫无疑问SD Quattro是一个偏科生，但偏科生好就好在它的强项弱项都摆在明面上，这就意味着它与用户的相性搭配会更容易，在想要获得低感光度单幅拍摄超高分辨率/锐度的摄影师手里，SD Quattro依然是目前主流价位马赛克阵列机型无法匹敌的选择。而且它的价格并不贵，18-35mm F1.8套机价格不到9000，在这个预算上它的竞争对手有索尼全画幅A7M2 28-70mm套机、尼康全画幅D750 24-85mm套机、佳能APS-C 80D 18-200mm套机等等，在我看来这些机型比较适合选择为日常杂项拍摄的主力，适马SD Quattro系列更专精于它擅长的部分，所以比较适合当做第二选择，善用的前提下可以给你足够多的惊喜。

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