日前，Sigma 首席執(zhí)行官 Kazuto Yamaki 透露，該公司制造全畫幅 Foveon 傳感器的工作有望在今年年底前完成。

在Mirrorless Rumors發(fā)現(xiàn)的 Sigma 的 YouTube 頻道上發(fā)表的一次采訪中，Yamaki 被問及自今年早些時候提供更新以來是否有任何關(guān)于傳感器開發(fā)進(jìn)展的消息。“我們?nèi)栽谂ΓF(xiàn)在我們正在研究三層 X3 傳感器的原型，”他回應(yīng)道。“這個傳感器應(yīng)該在今年某個時候上市。”

Yamaki 和 Sigma 之前曾表示，制作全畫幅 Foveon 傳感器的過程很困難，他在這里重申了這一點。

“Foveon X3 傳感器不是一個非常通用的傳感器，”Yamaki 說。“在低光照條件下會有一些‘缺點’，但如果光線充足，那臺相機可以拍出非常漂亮和令人印象深刻的照片。”

Foveon陷入困境的發(fā)展史

Sigma 的 Foveon 傳感器使用專有的三層結(jié)構(gòu)，其中紅色、綠色和藍(lán)色像素各有自己的完整層。在傳統(tǒng)傳感器中，三個像素以馬賽克排列共享一個圖層，相機通過檢查相鄰像素來“填充”缺失的顏色。

由于照片的每個像素都以三種顏色記錄，因此生成的照片應(yīng)該更清晰，色彩準(zhǔn)確度更高，偽影更少。

但Sigma多年來一直在努力將全畫幅 Foveon 傳感器推向市場。最初于 2018 年 9 月發(fā)布的全畫幅 Foveon 傳感器出現(xiàn)了多次延遲。2020 年 2 月，該公司宣布該開發(fā)項目已被“重新設(shè)計”并推遲了一段時間，具體時間不詳。

一年后，Yamaki 透露該傳感器再次被推遲，由于嚴(yán)重缺陷而無法投入量產(chǎn)。

2022 年 2 月，適馬宣布已進(jìn)入傳感器原型制作三個階段中的第二個階段，并表示如果第三階段進(jìn)展順利，它可以開始驗證其量產(chǎn)性。

“當(dāng)我們進(jìn)入第 3 階段時，我們將根據(jù)評估結(jié)果與研究機構(gòu)和制造供應(yīng)商驗證傳感器的量產(chǎn)性，然后最終決定是否量產(chǎn)圖像傳感器，”山木當(dāng)時說。

“雖然我們還沒有達(dá)到可以公布圖像傳感器量產(chǎn)的具體時間表的階段，但我們決心盡最大努力盡快實現(xiàn)一款真正讓等待它的客戶盡可能滿意的相機。”

Yamaki 的新聲明和 2022 年時間表似乎表明該公司已成功完成第三階段，再次希望全畫幅 Foveon 傳感器能夠重見天日。

Foveon：未能趕上的智能圖像傳感器

早在 2000 年代初期，Sigma（通常在攝影界被稱為鏡頭制造商的公司）發(fā)布了一種名為 Foveon X3 的新型相機傳感器。該傳感器技術(shù)于 1999 年由一家名為 Foveon， Inc. 的公司（后來于 2008 年被 Sigma 收購）首次獲得專利，并采用了創(chuàng)新的色彩感知技術(shù)：3 層光敏二極管堆棧。

從紙面上看，這項技術(shù)承諾在色彩準(zhǔn)確度、低光噪聲和圖像清晰度方面優(yōu)于 CMOS 傳感器。本文將解釋為什么 Foveon 技術(shù)盡管是一個聰明的想法，但從未真正在攝影行業(yè)取得成功。

硅作為一種半導(dǎo)體材料而廣為人知，并且在許多電子電路中都使用這種材料。然而，對于攝影師來說，硅的主要興趣在于它是一種感光材料。

更具體而言，硅吸收介于 400nm 和 1100nm 之間的任何波長的光。好消息是，這個范圍涵蓋了可見光譜（大約 400nm 到 750nm），甚至還有一點近紅外光譜。壞消息是，硅本身并不能區(qū)分光的顏色，只會積累 400-1100nm 范圍內(nèi)的任何光子。

提高圖像質(zhì)量的第一步是添加一個濾光片，以在紅外光（750nm 和 1100nm 之間）到達(dá)傳感器之前將其去除。生成的系統(tǒng)構(gòu)成單色相機傳感器（提供黑白圖像）。

從那時起，收集一些顏色信息的最常見方法是使用濾色器陣列 （CFA）。通常，這個濾鏡是按照拜耳模式（來自柯達(dá)工程師的名字）組織的，帶有紅色、綠色、綠色和藍(lán)色濾鏡。

多虧了這三個濾鏡，人們可以恢復(fù)圖像中的顏色信息。然而，這個過程是以犧牲一些圖像分辨率為代價的。對于給定的“紅色”像素，必須進(jìn)行插值以找到丟失的綠色和藍(lán)色信息。存在許多插值算法，但該過程總是會導(dǎo)致某種形式的顏色偽影和圖像柔化。

彩色濾光片陣列除了不準(zhǔn)確之外，在收集一些顏色信息的過程中也會吸收很多光子。吸收取決于濾光片的選擇和圖像內(nèi)容，但通常承認(rèn)光通量在到達(dá)傳感器之前要除以 3 倍。那是1.5檔光。

碰巧的是，根據(jù)它的顏色，給定的光子在被吸收之前在硅中傳播了特定的距離。這個“行進(jìn)距離”與光子的能量有關(guān)，而光子的能量取決于它的波長。短波長光子（藍(lán)光、紫外光等）比長波長光子（紅光、紅外光等）能量更高，因此在硅中的較短行程后被吸收。

由于硅中的吸收深度提供了對光子波長的估計，因此吸收深度的測量在理論上提供了顏色信息。Foveon 傳感器的巧妙之處在于使用“深度濾鏡”而不是并排的彩色濾鏡。

至少在紙面上，移除任何濾色片應(yīng)該會增加落在傳感器上的光通量，并消除與濾色片相關(guān)的缺點。

早在 2002 年 Foveon 傳感器在 Sigma SD9 DSLR 中首次進(jìn)入市場時，大多數(shù)數(shù)碼相機的分辨率都遠(yuǎn)低于 10MPx。佳能 EOS-1D 有 4.2MPx，尼康 D100 有 6MPx。由于濾色器陣列需要數(shù)字插值，因此對于給定數(shù)量的像素，濾色器陣列提供了巨大的清晰度升級。

Sigma實際上試圖通過聲稱 SD9 相機具有 3.43MP 輸出圖像但“1030 萬有效像素”來推銷這種圖像質(zhì)量差異，這意味著它們的像素表現(xiàn)要好 3 倍。幾篇學(xué)術(shù)論文確實發(fā)現(xiàn)，由于缺乏插值和銳利邊緣周圍的顏色偽影，F(xiàn)oveon 傳感器提供了更高的感知分辨率。從這個角度來看，F(xiàn)oveon 傳感器為用戶提供了明確且可衡量的好處。

Sigma 聲稱的最后一點是，在色彩準(zhǔn)確性方面，F(xiàn)oveon 傳感器優(yōu)于濾色片傳感器。該聲明是由缺少顏色信息插值來解釋的。實際上，對于給定的 Foveon 像素，紅色、綠色和藍(lán)色數(shù)據(jù)記錄在同一個位置，這與彩色濾光片陣列相反。

至少在紙面上，F(xiàn)oveon 傳感器具備一切：更好的光通量意味著更好的低光性能、更好的色彩準(zhǔn)確度和更好的圖像清晰度。但是紙質(zhì)規(guī)格從來沒有完全講述完整的故事……

從那以后真正的問題真的歸結(jié)為：既然 Foveon 傳感器背后的想法非常聰明，為什么我們不都使用 Foveon 傳感器呢？

一、解析度

隨著 CMOS 傳感器的發(fā)展，對 Foveon 技術(shù)的一些興趣消失了，因為像素密度的急劇增加降低了 Foveon 傳感器的主要賣點之一。當(dāng)然，這并不是一個真正的apple to apple的比較，因為像素數(shù)只影響最終圖像質(zhì)量的一小部分（連同鏡頭、可用光量等）。由于即使是智能手機也可以提供至少 20MPx 的圖像，所以 Foveon 的吸引力不如 2000 年代初期。

二、顏色

Foveon 傳感器的色彩優(yōu)勢在理論上是不可否認(rèn)的，但實際上幾乎沒有什么好處。在色彩校準(zhǔn)顯示器和實驗室環(huán)境之外，色彩精度的差異很小，以至于大多數(shù)休閑攝影師都不會注意到。它肯定比白平衡錯誤或創(chuàng)意 Instagram 過濾器的影響更微妙。

三、噪音

這可能是最有爭議的一點。在紙面上，F(xiàn)oveon 傳感器應(yīng)該收集大約 3 倍的光，這應(yīng)該轉(zhuǎn)化為信噪比提高 1.7 倍。也就是說，假設(shè)散粒噪聲占主導(dǎo)地位。然而，事實證明，在實際比較中，F(xiàn)oveon 傳感器的弱光性能不足。甚至 Foveon 總經(jīng)理Shri Ramaswami 在 2014 年的一次采訪中也承認(rèn)了這一點：

“Foveon 方法的一個限制是圖像噪聲高于傳統(tǒng)傳感器，”他說。“這可能部分是由于傳感器架構(gòu)本身的效率低下——也許一些光會丟失到分隔各層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中——也部分是由于必須進(jìn)行處理才能從相當(dāng)混合的信號中產(chǎn)生純色芯片實際上捕捉到了。”

CMOS 傳感器和 Foveon 傳感器有一個相似的設(shè)計問題：一些光從一個像素泄漏到下一個像素。在 CMOS 傳感器中，這種串?dāng)_問題通過使用光電二極管之間的垂直隔離結(jié)構(gòu)來解決。

然而，在 Foveon 傳感器中，不可能應(yīng)用相同的技巧（否則，您將只能獲得藍(lán)色信息）。因此，F(xiàn)oveon 傳感器往往會遭受從一個光電二極管層到下一個光電二極管層的光子泄漏。

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所有“不尋常”色彩系統(tǒng)（無論是富士 X-Trans、RGBW 濾鏡還是 Foveon）的一個共同缺點是圖像處理也會受到選擇的影響。盡管拜耳濾光片可能不是捕捉顏色的最佳方式，但它們已經(jīng)存在了幾十年，并且在傳感器市場上絕對占據(jù)主導(dǎo)地位。因此，圖像處理研究人員和公司有強烈的動機為這種類型的傳感器微調(diào)所有算法。

例如，去噪通常是通過一些關(guān)于收集到的光子的統(tǒng)計數(shù)據(jù)的假設(shè)來完成的，這些光子不能直接應(yīng)用于 Foveon 傳感器。遺憾的是，鑒于使用的 Foveon 傳感器的份額，大多數(shù)圖像處理公司沒有任何動力支持 Foveon 文件，更不用說開發(fā)專用于此類傳感器的圖像處理管道了。

基于機器學(xué)習(xí)的算法，這種趨勢只會變得更糟。坦率地說，機器學(xué)習(xí)算法只與用于訓(xùn)練它們的數(shù)據(jù)一樣好（在數(shù)量和質(zhì)量方面）。由于拜耳濾波器陣列提供的圖像數(shù)量是 Foveon 的數(shù)千倍，因此前者傳感器將受益于比后者更好的算法。

最后，我們需要解決房間里的大象。由于技術(shù)原因，攝影設(shè)備并不總是出售。定價、營銷、鏡頭生態(tài)系統(tǒng)、品牌——一項技術(shù)的成功有很多因素。

Sigma試圖提供一種與眾不同的傳感器，但該公司不得不同時打兩場戰(zhàn)斗。第一個是證明 Foveon 傳感器的圖像質(zhì)量。第二個是證明，作為相機制造商，他們的相機優(yōu)于佳能或尼康相機。

Foveon 可能是Sigma在競爭激烈的相機行業(yè)的秘密武器。但是，傳統(tǒng)傳感器和 Foveon 傳感器之間的性能差異并不明顯。至少，還不夠清晰，不足以吸引新攝影師加入 Sigma 品牌。

作為一家公司，Sigma在鏡頭制造方面享有良好和當(dāng)之無愧的聲譽，并希望將其業(yè)務(wù)進(jìn)一步擴(kuò)展到相機和傳感器。然而，相機不僅僅是一個傳感器。Sigma 面臨的真正挑戰(zhàn)很可能是缺乏高質(zhì)量的圖像處理。Sigma 甚至必須為 AdobePhotoshop 創(chuàng)建一個插件才能打開 Foveon 文件。

雖然適馬發(fā)布帶有全畫幅 Foveon 傳感器的新相機并非不可能，但要在現(xiàn)有的 Foveon 社區(qū)之外銷售該技術(shù)還有很長的路要走，更不用說使其成為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)了。