低通濾鏡的前世今生

吳雙桐

似乎只在一夜之間，越來越多的影像器材廠商開始標(biāo)榜自己的新型產(chǎn)品取消了低通濾鏡，然后告訴你取消低通濾鏡的相機成像銳度會更高。那么低通濾鏡到底是什么？以前的數(shù)碼相機為什么都要安裝它，而到了今天為什么大家又開始爭先恐后地取消它呢？

摩爾紋現(xiàn)象

先來看看這么一種現(xiàn)象：當(dāng)我們用相機拍攝橫平豎直的棉麻織物材料或是建筑物上密集的格柵的時候，如果距離和角度掌握不好，那么這些織物的紋理或者建筑物格柵上的圖像就會出現(xiàn)不規(guī)則的雜色紋路，也就是所謂的摩爾紋。之所以產(chǎn)生這種偽色效果，是因為早期影像傳感器上的RGB像素感光點都是有規(guī)律平均分布的。因此，每當(dāng)拍攝規(guī)律性強的物體如織物時，其圖樣就容易與感光器件上的像素點產(chǎn)生共振重疊，也就是說它們的光波振動的空間頻率會非常接近，相互干擾，而產(chǎn)生猶如聲波共振一樣的效果，視覺上就是畫面分塊，出現(xiàn)疊加偽色。一般來說，當(dāng)被攝物體與感光器件的像素陣列密度接近時，這種相互干擾共振而產(chǎn)生的偽色波紋就會變得非常明顯，這也是為什么拍攝越細(xì)密的織物越容易出現(xiàn)摩爾紋、而拍攝粗纖維的織物反倒不容易出現(xiàn)摩爾紋的原因。

顯然，數(shù)碼相機上出現(xiàn)摩爾紋的原因，是因為感光器件像素點的空間頻率與被拍攝物影像中條紋的空間頻率過于接近而造成的。而被拍攝物的空間頻率則受到其自身結(jié)構(gòu)和鏡頭分辨率的共同影響，換句話說，就是如果鏡頭分辨率與感光器件像素密度接近，就越容易出現(xiàn)摩爾紋，而鏡頭分辨率與感光器件的空間頻率差值較大時，則就可以有效消除摩爾紋。在數(shù)碼相機發(fā)展的早期，無論是提升鏡頭分辨率還是增大感光器件空間頻率都是技術(shù)難點。而在提升困難的情況下，在相機中安裝一種特殊的防混疊濾光鏡，就能消除摩爾紋，不過安裝此濾鏡的副作用就是降低分辨率。現(xiàn)在，隨著像素密度的提升，有規(guī)律排列的被攝物與感光元件共振的概率逐步降低，因此越來越多的數(shù)碼相機開始取消低通濾鏡（或取消低通濾鏡功能）；同時，機內(nèi)處理器以及后期軟件性能增強后，也降低了摩爾紋的影響。

低通濾鏡的困擾

所謂的低通濾鏡（OLPF），其實是安裝在感光器件前面的一塊特殊濾鏡，也叫防混疊濾波鏡，它將穿過自身的高頻光線在水平和垂直方向上一分為二。使原來的一束光變成四個部分，從而降低了光線頻率，達到降低或消除影像中的高頻光波振動部分的效果。通俗地說，就是讓鏡頭的分辨率降低一些，使得影像中的規(guī)律物體空間頻率降低，讓感光器件的空間頻率高于被攝物體，產(chǎn)生差值，從而消除摩爾紋。雖說低通濾鏡是用來消除摩爾紋的，但不代表加裝了低通濾鏡的相機就一定能夠消除摩爾紋。早期很多數(shù)碼后背就已經(jīng)開始嘗試無低通濾鏡，所以那時的數(shù)碼后背經(jīng)常會拍出帶有摩爾紋的影像，攝影師只能通過后期修飾的方法解決，當(dāng)然也有廠商設(shè)計有類似UV鏡片的低通濾鏡，需要時裝在鏡頭前。到了瑪米亞ZD相機時，設(shè)計師將安裝在感光元件前的無低通濾鏡設(shè)計為可拆卸的，方便攝影師根據(jù)個人需求選擇是否安裝。別看這小小一片低通濾鏡，如果是哈蘇數(shù)碼后背上使用的，價格也相當(dāng)于一款入門單反相機的價格。

早年負(fù)責(zé)徠卡M8 CCD設(shè)計制造的美國伊士曼·柯達影像傳感器部門，在研發(fā)這款CCD過程中采用了一個大膽的、頗具冒險精神的做法，即在徠卡M8的CCD表面取消低通濾鏡。這一設(shè)計導(dǎo)致徠卡M8拍攝的影像中黑色被攝體泛著洋紫紅色，這是因為，在失去了低通濾鏡的過濾后，CCD直接“感受”到了所有光譜中的光線，每個CCD像素前方的紅、藍、綠微型透鏡“感受”到了可見光、紅外線、紫外線，甚至包括人類目前還沒分析出光譜的光線，可是CCD的每個像素方格還沒那么發(fā)達，它只能在一定范圍內(nèi)辨認(rèn)顏色。因此，在紅外線的干擾下，它對可見光的辨認(rèn)就會不可避免地會出現(xiàn)一些偏差。

改變RGB色彩排列

在設(shè)計感光器件的時候，設(shè)計師們發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的銀鹽膠卷是不存在摩爾紋現(xiàn)象的，這是因為銀鹽膠卷上感光銀鹽分子顆粒是不規(guī)則排列的，因此也就有效控制了其高頻諧波出現(xiàn)共振的可能。而傳統(tǒng)的感光器件其RGB感光像素點則是規(guī)則排列的，因此，也就相對容易出現(xiàn)空間頻率共振?；诖?，富士借鑒了這種不規(guī)則排列技術(shù)，在富士X-Prol相機上采用X-Trans CMOS傳感器，以消除摩爾紋。和傳統(tǒng)感光器件相比，這種感光器件最大的特點是采用了不規(guī)則色彩濾鏡陣列，在感光器件陣列中的每個6×6的像素單元中、RGB像素都是不規(guī)則（隨機）的排列，這樣在保證水平和垂直方向的每一列像素都有RGB像素分布的同時，也能夠?qū)紊档偷阶畹拖薅龋瑥亩@得更高質(zhì)量的色彩還原，并降低摩爾紋出現(xiàn)的概率。而這種特殊陣列的排布，也使去掉低通濾鏡成為可能。此外，采用GRB三色感光像素分層技術(shù)的適馬X3感光器件，也借鑒了銀鹽膠卷的感光方式，它像膠片一樣設(shè)計了RGB三個感光層，相互之間互不干擾，因此在理論上可以100%地獲得入射光線，也能夠起到消除摩爾紋的效果。

除了不規(guī)則排列RGB像素點外，隨著感光器件像素的持續(xù)提升，感光器件的分辨率開始超過許多早期鏡頭的極限分辨率。許多感光器件的空間頻率與鏡頭的空間頻率本身就存在了一定的差值，而這也導(dǎo)致圖像摩爾紋出現(xiàn)概率的降低。

圖像處理引擎技術(shù)的提升

除了感光器件技術(shù)的提升外，圖像處理引擎智能化技術(shù)也是各大廠商競相發(fā)展的一個方向。我們知道，圖像處理引擎已經(jīng)可以非常智能地對相機高感光度下產(chǎn)生的噪點和雜色進行內(nèi)部優(yōu)化，同樣，許多新相機的圖像處理引擎也可以在照片生成過程中的高頻干擾進行處理，同樣起到了消除摩爾紋的效果。

顯然，依靠上面三種技術(shù)的進步，摩爾紋的控制也就成為了可能。而既然已經(jīng)解決了摩爾紋問題，那么也就沒有必要再留著會降低圖像分辨率的低通濾鏡了。在這種情況下，拿掉低通濾鏡既不但能夠消除這個折中的雞肋，有可以立即使圖像分辨率有效提升，自然成為廣大廠商的共同選擇。事實上，在感光器件技術(shù)和圖像處理引擎技術(shù)的逐漸進步過程中，取消低通濾鏡，提升圖像分辨率將成為近期數(shù)碼相機技術(shù)的一個明顯趨勢。

索尼

在其他廠商開始嘗試取消低通濾鏡功能之后，索尼也開始在其一些頂級產(chǎn)品上試水這一全新的設(shè)計理念，其中最為著名的產(chǎn)品當(dāng)屬索尼的A7R。這是索尼第一款擁有3640萬有效像素的全畫幅無低通濾鏡相機，它采用了改進型Exmor CMOS影像處理器，從而實現(xiàn)了高感光、低噪點和大動態(tài)范圍的效果。由于這種感光器件使用了無間隙芯片鏡片設(shè)計和鏡片位置匹配技術(shù)，增加了像素點的聚光量，因此在提高影像分辨率的同時，還能有效減少噪音干擾和高頻干擾。也正因為如此，A7R在實際拍攝時控制摩爾紋和偽色的能力令人滿意，我想這也從徠卡M9身上吸取了不少經(jīng)驗。

索尼A7R取消低通濾鏡之后，配合BIONZ影像處理器的細(xì)節(jié)再現(xiàn)技術(shù)和減少衍射影響技術(shù)，銳度也因此得以有效提高，并可以抑制此前容易出現(xiàn)的模糊問題，使圖像的銳度與細(xì)節(jié)得以保持。此外，影像處理器的強大數(shù)據(jù)運算能力也使相機可以16比特數(shù)據(jù)流對畫面進行采樣，這從技術(shù)角度保證了圖像畫面色調(diào)的豐富與層次感。

在A7R收到追捧之后，索尼又再接再厲推出了升級版產(chǎn)品——A7RⅡ。較之前作，其新型的全畫幅Exmor R CMOS背照式影像傳感器，除了像素提升之外，其同樣采用了取消低通濾鏡功能的設(shè)計。由于背照式感光器件的開口率更高，加之納米反射涂層可以有效避免高空間頻率之間的干擾，因此，這款相機在提高光線收集率的同時，相比傳統(tǒng)感光器件產(chǎn)生摩爾紋的概率要更低。同時，更先進的BIONZX影像處理器在處理數(shù)據(jù)能力上也更強，因而即便在極端情況下出現(xiàn)摩爾紋，處理器本身也會自動進行相應(yīng)的調(diào)整，消除這種現(xiàn)象。

除了在索尼的當(dāng)家主力微單相機上采用無低通設(shè)計之外，索尼還在其最新的全畫幅黑卡相機索尼RXIR上也采用了取消低通濾鏡功能的設(shè)計，這款脫胎于RX1的產(chǎn)品，較之原作更適合對影像分辨率要求更高的攝影愛好者使用，所以官方也給出了更適合拍攝風(fēng)景的攝影師使用。我們完全可以將RX1與RXIR看作是尼康D810與D810E市場戰(zhàn)略與定位的翻版，當(dāng)然市場反響也是翻版。

索尼可以說是感光元件研發(fā)走得最遠(yuǎn)的，因為其鏡身結(jié)構(gòu)更接近徠卡，法蘭焦距較短，需要解決光線垂直入射的問題，同時還要保證高像素、高像質(zhì)、無低通濾鏡等多項要求，所以技術(shù)難度也是最大的，從A7RⅡ身上我們也看見索尼確實做得最好。

尼康

我們真正開始關(guān)心相機有無低通濾鏡是在D800與D800E時代。尼康D800E與其他直接取消低通濾鏡的相機不同，該機不但沒有取消低通濾鏡，而且還增加了新的鏡片，而增加這一鏡片的目的則是為了讓原本的低通濾鏡失效。所以簡單地說，兩者最大的區(qū)別就是有無低通濾鏡功能，這也是為什么D800E反倒要比D800昂貴的原因。

由于增加了像素密度、拉大了影像空間頻率差值，3630萬像素的D800E在實際拍攝時其實并不沒有很容易出現(xiàn)摩爾紋。而從兩者的對比影像來看，同樣的拍攝環(huán)境，D800E的分辨率比D800略高，文件量差異并不明顯。

當(dāng)然，在實際拍攝過程中，D800E與D800的差距并沒有想象中明顯，以人像攝影為例，人物面部的細(xì)節(jié)質(zhì)感和銳利度，兩者就沒有過大的差別，但如果放大畫面，觀察人物的頭發(fā)、睫毛等細(xì)節(jié)，你則可以發(fā)現(xiàn)D800E明顯要比D800銳利而清晰。同樣，在風(fēng)光攝影中，對塊狀圖形畫面的分辨力兩者可謂不分伯仲，但如果是表現(xiàn)花蕊、柳條以及物體邊緣時，兩者的差別則能顯現(xiàn)。而也正是這些細(xì)節(jié)之處的進步，D800E消除低通濾鏡功能，也成為了尼康提升像質(zhì)的一個捷徑。

D800E在專業(yè)領(lǐng)域獲得了廣泛認(rèn)可，這堅定了尼康繼續(xù)取消低通濾鏡的決心。尼康在后來的D810相機的基礎(chǔ)上，推出了專門用于天文攝影的專用相機——D810A。除了取消低通濾鏡，這款相機還增加了許多用于天文攝影的功能，如可以完美還原來自星云的H-α射線的美麗紅色的紅外光截止濾鏡，以及長時間手動曝光模式和即時取景畫面的圖像放大23倍等功能。

而在中端和入門相機市場，尼康則分別推出了D7100、D5200、D5300單反相機以及J3無反相機等產(chǎn)品，而其中D7100則以優(yōu)異的畫質(zhì)和絕少出現(xiàn)摩爾紋的表現(xiàn)，成為中端單反相機市場最有競爭力的產(chǎn)品，D5200以及其后繼者D5300也都獲得了廣泛關(guān)注，可以說，在主力相機都取消低通濾鏡之后，尼康的“無低通”時代已然來臨。

EOS的最佳像素表現(xiàn)力——EOS 5DS R

作為目前135全畫幅相機中像素最高的產(chǎn)品，EOS 5DS R擁有5060萬有效像素，由于取消了低通濾鏡功能，配合佳能所推薦的配套鏡頭拍攝時，其影像分辨率要比該機的有低通濾鏡功能的相機——EOS 5DS更高一些。從影像對比來看，EOS 5DS R的畫面細(xì)節(jié)肉眼觀察要更為銳利而清晰，這也是此款取消了低通濾鏡功能相機最為明顯的特點。當(dāng)然在感光元件前除了低通濾鏡還有多個濾鏡參與成像，當(dāng)透過鏡頭的光線經(jīng)過能夠吸收紅外線及紫外線的濾鏡和低通濾鏡后到達感光元件，其中對解像力影響最大的是低通濾鏡。所以取消低通濾鏡功能雖然能相應(yīng)地提高影像分辨率，但這樣一來，拍攝受被攝體和拍攝狀況等的限制，不能應(yīng)對多種場景，作為相機系統(tǒng)就會缺乏平衡性，所以佳能也同時發(fā)布了一款EOS 5DS。

除了高像素和高銳利度之外，EOS 5DS R另外一個特點就是使用了兩塊16通道“DIGIC 6”影像處理器，這使其不但可以輕松應(yīng)付5060萬超高像素感光器件所產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)量圖像信息的處理工作而且這種新型處理器也能夠針對圖像偽色和水波紋進行修正。其圖像色彩的準(zhǔn)確性、色階過渡的豐富性和畫面細(xì)膩程度都獲得了顯著的提升，而摩爾紋的發(fā)生率并不比有低通濾鏡功能的機型高。

之所以該機的摩爾紋現(xiàn)象并不特別明顯，主要是得益于其全新的CMOS。和傳統(tǒng)的CMOS不同，這塊CMOS采用了最新的無間隙微透鏡技術(shù)和可縮短微透鏡到光電二極管距離的新光電技術(shù)，因此具有更高的聚光率和更高的S/N（信噪）比，而像素密度也達到了前所未有的高度，以至于許多老款鏡頭的最高圖像分辨率并不足以滿足其空間頻率表現(xiàn)要求，這也使其可有效控制摩爾紋。

除了前期拍攝、相機感光元件、處理器、鏡頭外，影響像質(zhì)的因素還有重要的一點就是后期軟件。隨著軟件算法的提升，用現(xiàn)在的軟件處理過去的RAW文件，也會比過去軟件處理的RAW文件得到的最終像質(zhì)要高。EOS 5DS和5DSR配合使用最新的Digital Photo Professional（簡稱DPP），此軟件可以通過“數(shù)碼鏡頭優(yōu)化”功能補償由光學(xué)因素導(dǎo)致的球面像差、彗星像差、像散、像面彎曲和倍率色像差等多種像差，抑制因光線透過鏡頭成像時無法回避的、衍射導(dǎo)致的畫質(zhì)降低，盡量消除CMOS圖像傳感器上低通濾鏡的影響。此外，該軟件還能提高廣角鏡頭下的邊緣畫質(zhì)，改善圖像的整體效果。將所需鏡頭的光學(xué)數(shù)據(jù)下載到計算機中，可在該鏡頭拍攝的RAW數(shù)據(jù)顯像時進行處理，這樣就可實現(xiàn)高精度校正，從而發(fā)揮出鏡頭原本實力，獲得出色的照片效果。

光線通過鏡頭和多種濾鏡后，圖像傳感器受光并形成影像。鏡頭像差、光圈造成的衍射和低通濾鏡的影響等都會降低像質(zhì)，根據(jù)它們各自的光學(xué)特性，基于精密的數(shù)據(jù)逐一進行補償能還原出理想的影像，這就是數(shù)碼鏡頭優(yōu)化的原理。利用佳能自主研發(fā)生產(chǎn)零部件的優(yōu)勢，在從鏡頭最前方到抵達圖像傳感器的光路中，把握每個鏡片以及相機內(nèi)置濾鏡的光學(xué)特性，可以將像質(zhì)的變化函數(shù)化（光傳播函數(shù)），將其逆函數(shù)應(yīng)用于影像后，就能還原出近似于入射前的光線狀態(tài)（像質(zhì)）。

根據(jù)不同的鏡頭、相機和拍攝條件，像差、衍射及低通濾鏡等導(dǎo)致與理想成像產(chǎn)生偏差的因素也會改變。數(shù)碼鏡頭優(yōu)化就是利用針對不同鏡頭分別配備的、能夠忠實反映這些變化的逆函數(shù)，因此，它才能夠補償彗星像差等形狀復(fù)雜的非對稱像差。

富土

之所以數(shù)碼相機容易出現(xiàn)摩爾紋，就在于感光元件，其內(nèi)部的RGB彩色像素都是以R（紅）、G（綠）、G（綠）、B（藍）四個像素一組排成的2×2正方形單元，每個單元的RGB濾鏡位置都是一致的，也就是所謂的拜耳陣列。正如前文所言，這種高頻率的重復(fù)循環(huán)像素排列方式，在遇到高頻畫面時就容易出現(xiàn)信號干擾，產(chǎn)生摩爾紋。而富士相機采用了X-TranCMOS設(shè)計，改變了像素陣列，從根本上避免摩爾紋的產(chǎn)生，這就是打破每個單位中RGB的像素排列規(guī)律。雖然總量RGB色彩一致，但因為不規(guī)律排列設(shè)計，所以不會產(chǎn)生同頻衍射干擾。

這一設(shè)計從富士的X-PROl相機開始采用，它一經(jīng)上市就獲得了普遍好評。事實上，這種設(shè)計其實是模仿以前膠卷時代菲林的銀鹽顆粒不規(guī)則排列的設(shè)計而產(chǎn)生的。

而除了X-PRO1這款當(dāng)年號稱小徠卡的相機之外，最吸引眼球的要屬X100系列相機。第一款X100相機采用了帶有低通濾鏡設(shè)計，而到了富士X100S與X100T時則已經(jīng)取消了低通濾鏡。從官方網(wǎng)站提供的數(shù)據(jù)可以看出，在相同測試環(huán)境下，取消低通濾鏡的富士X100S從中心點到邊緣的成像均好于X100。

2013年的X20，今天的X30，也都繼承了這種感光器件，并大膽采用了無低通濾鏡設(shè)計，而其所獲得像質(zhì)評價卻幾乎都是正面的，許多人認(rèn)為這些相機雖然像素相對較低，但像質(zhì)卻似乎更為銳利，而且色彩也更艷麗悅目，這不但與富士特殊的圖像算法和圖像處理器有關(guān)，其模擬膠卷的感光器件像素排列的設(shè)計也功不可沒。