低通滤镜的前世今生

吴双桐

似乎只在一夜之间，越来越多的影像器材厂商开始标榜自己的新型产品取消了低通滤镜，然后告诉你取消低通滤镜的相机成像锐度会更高。那么低通滤镜到底是什么？以前的数码相机为什么都要安装它，而到了今天为什么大家又开始争先恐后地取消它呢？

摩尔纹现象

先来看看这么一种现象：当我们用相机拍摄横平竖直的棉麻织物材料或是建筑物上密集的格栅的时候，如果距离和角度掌握不好，那么这些织物的纹理或者建筑物格栅上的图像就会出现不规则的杂色纹路，也就是所谓的摩尔纹。之所以产生这种伪色效果，是因为早期影像传感器上的RGB像素感光点都是有规律平均分布的。因此，每当拍摄规律性强的物体如织物时，其图样就容易与感光器件上的像素点产生共振重叠，也就是说它们的光波振动的空间频率会非常接近，相互干扰，而产生犹如声波共振一样的效果，视觉上就是画面分块，出现叠加伪色。一般来说，当被摄物体与感光器件的像素阵列密度接近时，这种相互干扰共振而产生的伪色波纹就会变得非常明显，这也是为什么拍摄越细密的织物越容易出现摩尔纹、而拍摄粗纤维的织物反倒不容易出现摩尔纹的原因。

显然，数码相机上出现摩尔纹的原因，是因为感光器件像素点的空间频率与被拍摄物影像中条纹的空间频率过于接近而造成的。而被拍摄物的空间频率则受到其自身结构和镜头分辨率的共同影响，换句话说，就是如果镜头分辨率与感光器件像素密度接近，就越容易出现摩尔纹，而镜头分辨率与感光器件的空间频率差值较大时，则就可以有效消除摩尔纹。在数码相机发展的早期，无论是提升镜头分辨率还是增大感光器件空间频率都是技术难点。而在提升困难的情况下，在相机中安装一种特殊的防混叠滤光镜，就能消除摩尔纹，不过安装此滤镜的副作用就是降低分辨率。现在，随着像素密度的提升，有规律排列的被摄物与感光元件共振的概率逐步降低，因此越来越多的数码相机开始取消低通滤镜（或取消低通滤镜功能）；同时，机内处理器以及后期软件性能增强后，也降低了摩尔纹的影响。

低通滤镜的困扰

所谓的低通滤镜（OLPF），其实是安装在感光器件前面的一块特殊滤镜，也叫防混叠滤波镜，它将穿过自身的高频光线在水平和垂直方向上一分为二。使原来的一束光变成四个部分，从而降低了光线频率，达到降低或消除影像中的高频光波振动部分的效果。通俗地说，就是让镜头的分辨率降低一些，使得影像中的规律物体空间频率降低，让感光器件的空间频率高于被摄物体，产生差值，从而消除摩尔纹。虽说低通滤镜是用来消除摩尔纹的，但不代表加装了低通滤镜的相机就一定能够消除摩尔纹。早期很多数码后背就已经开始尝试无低通滤镜，所以那时的数码后背经常会拍出带有摩尔纹的影像，摄影师只能通过后期修饰的方法解决，当然也有厂商设计有类似UV镜片的低通滤镜，需要时装在镜头前。到了玛米亚ZD相机时，设计师将安装在感光元件前的无低通滤镜设计为可拆卸的，方便摄影师根据个人需求选择是否安装。别看这小小一片低通滤镜，如果是哈苏数码后背上使用的，价格也相当于一款入门单反相机的价格。

早年负责徕卡M8 CCD设计制造的美国伊士曼·柯达影像传感器部门，在研发这款CCD过程中采用了一个大胆的、颇具冒险精神的做法，即在徕卡M8的CCD表面取消低通滤镜。这一设计导致徕卡M8拍摄的影像中黑色被摄体泛着洋紫红色，这是因为，在失去了低通滤镜的过滤后，CCD直接“感受”到了所有光谱中的光线，每个CCD像素前方的红、蓝、绿微型透镜“感受”到了可见光、红外线、紫外线，甚至包括人类目前还没分析出光谱的光线，可是CCD的每个像素方格还没那么发达，它只能在一定范围内辨认颜色。因此，在红外线的干扰下，它对可见光的辨认就会不可避免地会出现一些偏差。

改变RGB色彩排列

在设计感光器件的时候，设计师们发现，传统的银盐胶卷是不存在摩尔纹现象的，这是因为银盐胶卷上感光银盐分子颗粒是不规则排列的，因此也就有效控制了其高频谐波出现共振的可能。而传统的感光器件其RGB感光像素点则是规则排列的，因此，也就相对容易出现空间频率共振。基于此，富士借鉴了这种不规则排列技术，在富士X-Prol相机上采用X-Trans CMOS传感器，以消除摩尔纹。和传统感光器件相比，这种感光器件最大的特点是采用了不规则色彩滤镜阵列，在感光器件阵列中的每个6×6的像素单元中、RGB像素都是不规则（随机）的排列，这样在保证水平和垂直方向的每一列像素都有RGB像素分布的同时，也能够将伪色降低到最低限度，从而获得更高质量的色彩还原，并降低摩尔纹出现的概率。而这种特殊阵列的排布，也使去掉低通滤镜成为可能。此外，采用GRB三色感光像素分层技术的适马X3感光器件，也借鉴了银盐胶卷的感光方式，它像胶片一样设计了RGB三个感光层，相互之间互不干扰，因此在理论上可以100%地获得入射光线，也能够起到消除摩尔纹的效果。

除了不规则排列RGB像素点外，随着感光器件像素的持续提升，感光器件的分辨率开始超过许多早期镜头的极限分辨率。许多感光器件的空间频率与镜头的空间频率本身就存在了一定的差值，而这也导致图像摩尔纹出现概率的降低。

图像处理引擎技术的提升

除了感光器件技术的提升外，图像处理引擎智能化技术也是各大厂商竞相发展的一个方向。我们知道，图像处理引擎已经可以非常智能地对相机高感光度下产生的噪点和杂色进行内部优化，同样，许多新相机的图像处理引擎也可以在照片生成过程中的高频干扰进行处理，同样起到了消除摩尔纹的效果。

显然，依靠上面三种技术的进步，摩尔纹的控制也就成为了可能。而既然已经解决了摩尔纹问题，那么也就没有必要再留着会降低图像分辨率的低通滤镜了。在这种情况下，拿掉低通滤镜既不但能够消除这个折中的鸡肋，有可以立即使图像分辨率有效提升，自然成为广大厂商的共同选择。事实上，在感光器件技术和图像处理引擎技术的逐渐进步过程中，取消低通滤镜，提升图像分辨率将成为近期数码相机技术的一个明显趋势。

索尼

在其他厂商开始尝试取消低通滤镜功能之后，索尼也开始在其一些顶级产品上试水这一全新的设计理念，其中最为著名的产品当属索尼的A7R。这是索尼第一款拥有3640万有效像素的全画幅无低通滤镜相机，它采用了改进型Exmor CMOS影像处理器，从而实现了高感光、低噪点和大动态范围的效果。由于这种感光器件使用了无间隙芯片镜片设计和镜片位置匹配技术，增加了像素点的聚光量，因此在提高影像分辨率的同时，还能有效减少噪音干扰和高频干扰。也正因为如此，A7R在实际拍摄时控制摩尔纹和伪色的能力令人满意，我想这也从徕卡M9身上吸取了不少经验。

索尼A7R取消低通滤镜之后，配合BIONZ影像处理器的细节再现技术和减少衍射影响技术，锐度也因此得以有效提高，并可以抑制此前容易出现的模糊问题，使图像的锐度与细节得以保持。此外，影像处理器的强大数据运算能力也使相机可以16比特数据流对画面进行采样，这从技术角度保证了图像画面色调的丰富与层次感。

在A7R收到追捧之后，索尼又再接再厉推出了升级版产品——A7RⅡ。较之前作，其新型的全画幅Exmor R CMOS背照式影像传感器，除了像素提升之外，其同样采用了取消低通滤镜功能的设计。由于背照式感光器件的开口率更高，加之纳米反射涂层可以有效避免高空间频率之间的干扰，因此，这款相机在提高光线收集率的同时，相比传统感光器件产生摩尔纹的概率要更低。同时，更先进的BIONZX影像处理器在处理数据能力上也更强，因而即便在极端情况下出现摩尔纹，处理器本身也会自动进行相应的调整，消除这种现象。

除了在索尼的当家主力微单相机上采用无低通设计之外，索尼还在其最新的全画幅黑卡相机索尼RXIR上也采用了取消低通滤镜功能的设计，这款脱胎于RX1的产品，较之原作更适合对影像分辨率要求更高的摄影爱好者使用，所以官方也给出了更适合拍摄风景的摄影师使用。我们完全可以将RX1与RXIR看作是尼康D810与D810E市场战略与定位的翻版，当然市场反响也是翻版。

索尼可以说是感光元件研发走得最远的，因为其镜身结构更接近徕卡，法兰焦距较短，需要解决光线垂直入射的问题，同时还要保证高像素、高像质、无低通滤镜等多项要求，所以技术难度也是最大的，从A7RⅡ身上我们也看见索尼确实做得最好。

尼康

我们真正开始关心相机有无低通滤镜是在D800与D800E时代。尼康D800E与其他直接取消低通滤镜的相机不同，该机不但没有取消低通滤镜，而且还增加了新的镜片，而增加这一镜片的目的则是为了让原本的低通滤镜失效。所以简单地说，两者最大的区别就是有无低通滤镜功能，这也是为什么D800E反倒要比D800昂贵的原因。

由于增加了像素密度、拉大了影像空间频率差值，3630万像素的D800E在实际拍摄时其实并不没有很容易出现摩尔纹。而从两者的对比影像来看，同样的拍摄环境，D800E的分辨率比D800略高，文件量差异并不明显。

当然，在实际拍摄过程中，D800E与D800的差距并没有想象中明显，以人像摄影为例，人物面部的细节质感和锐利度，两者就没有过大的差别，但如果放大画面，观察人物的头发、睫毛等细节，你则可以发现D800E明显要比D800锐利而清晰。同样，在风光摄影中，对块状图形画面的分辨力两者可谓不分伯仲，但如果是表现花蕊、柳条以及物体边缘时，两者的差别则能显现。而也正是这些细节之处的进步，D800E消除低通滤镜功能，也成为了尼康提升像质的一个捷径。

D800E在专业领域获得了广泛认可，这坚定了尼康继续取消低通滤镜的决心。尼康在后来的D810相机的基础上，推出了专门用于天文摄影的专用相机——D810A。除了取消低通滤镜，这款相机还增加了许多用于天文摄影的功能，如可以完美还原来自星云的H-α射线的美丽红色的红外光截止滤镜，以及长时间手动曝光模式和即时取景画面的图像放大23倍等功能。

而在中端和入门相机市场，尼康则分别推出了D7100、D5200、D5300单反相机以及J3无反相机等产品，而其中D7100则以优异的画质和绝少出现摩尔纹的表现，成为中端单反相机市场最有竞争力的产品，D5200以及其后继者D5300也都获得了广泛关注，可以说，在主力相机都取消低通滤镜之后，尼康的“无低通”时代已然来临。

EOS的最佳像素表现力——EOS 5DS R

作为目前135全画幅相机中像素最高的产品，EOS 5DS R拥有5060万有效像素，由于取消了低通滤镜功能，配合佳能所推荐的配套镜头拍摄时，其影像分辨率要比该机的有低通滤镜功能的相机——EOS 5DS更高一些。从影像对比来看，EOS 5DS R的画面细节肉眼观察要更为锐利而清晰，这也是此款取消了低通滤镜功能相机最为明显的特点。当然在感光元件前除了低通滤镜还有多个滤镜参与成像，当透过镜头的光线经过能够吸收红外线及紫外线的滤镜和低通滤镜后到达感光元件，其中对解像力影响最大的是低通滤镜。所以取消低通滤镜功能虽然能相应地提高影像分辨率，但这样一来，拍摄受被摄体和拍摄状况等的限制，不能应对多种场景，作为相机系统就会缺乏平衡性，所以佳能也同时发布了一款EOS 5DS。

除了高像素和高锐利度之外，EOS 5DS R另外一个特点就是使用了两块16通道“DIGIC 6”影像处理器，这使其不但可以轻松应付5060万超高像素感光器件所产生的大数据量图像信息的处理工作而且这种新型处理器也能够针对图像伪色和水波纹进行修正。其图像色彩的准确性、色阶过渡的丰富性和画面细腻程度都获得了显著的提升，而摩尔纹的发生率并不比有低通滤镜功能的机型高。

之所以该机的摩尔纹现象并不特别明显，主要是得益于其全新的CMOS。和传统的CMOS不同，这块CMOS采用了最新的无间隙微透镜技术和可缩短微透镜到光电二极管距离的新光电技术，因此具有更高的聚光率和更高的S/N（信噪）比，而像素密度也达到了前所未有的高度，以至于许多老款镜头的最高图像分辨率并不足以满足其空间频率表现要求，这也使其可有效控制摩尔纹。

除了前期拍摄、相机感光元件、处理器、镜头外，影响像质的因素还有重要的一点就是后期软件。随着软件算法的提升，用现在的软件处理过去的RAW文件，也会比过去软件处理的RAW文件得到的最终像质要高。EOS 5DS和5DSR配合使用最新的Digital Photo Professional（简称DPP），此软件可以通过“数码镜头优化”功能补偿由光学因素导致的球面像差、彗星像差、像散、像面弯曲和倍率色像差等多种像差，抑制因光线透过镜头成像时无法回避的、衍射导致的画质降低，尽量消除CMOS图像传感器上低通滤镜的影响。此外，该软件还能提高广角镜头下的边缘画质，改善图像的整体效果。将所需镜头的光学数据下载到计算机中，可在该镜头拍摄的RAW数据显像时进行处理，这样就可实现高精度校正，从而发挥出镜头原本实力，获得出色的照片效果。

光线通过镜头和多种滤镜后，图像传感器受光并形成影像。镜头像差、光圈造成的衍射和低通滤镜的影响等都会降低像质，根据它们各自的光学特性，基于精密的数据逐一进行补偿能还原出理想的影像，这就是数码镜头优化的原理。利用佳能自主研发生产零部件的优势，在从镜头最前方到抵达图像传感器的光路中，把握每个镜片以及相机内置滤镜的光学特性，可以将像质的变化函数化（光传播函数），将其逆函数应用于影像后，就能还原出近似于入射前的光线状态（像质）。

根据不同的镜头、相机和拍摄条件，像差、衍射及低通滤镜等导致与理想成像产生偏差的因素也会改变。数码镜头优化就是利用针对不同镜头分别配备的、能够忠实反映这些变化的逆函数，因此，它才能够补偿彗星像差等形状复杂的非对称像差。

富土

之所以数码相机容易出现摩尔纹，就在于感光元件，其内部的RGB彩色像素都是以R（红）、G（绿）、G（绿）、B（蓝）四个像素一组排成的2×2正方形单元，每个单元的RGB滤镜位置都是一致的，也就是所谓的拜耳阵列。正如前文所言，这种高频率的重复循环像素排列方式，在遇到高频画面时就容易出现信号干扰，产生摩尔纹。而富士相机采用了X-TranCMOS设计，改变了像素阵列，从根本上避免摩尔纹的产生，这就是打破每个单位中RGB的像素排列规律。虽然总量RGB色彩一致，但因为不规律排列设计，所以不会产生同频衍射干扰。

这一设计从富士的X-PROl相机开始采用，它一经上市就获得了普遍好评。事实上，这种设计其实是模仿以前胶卷时代菲林的银盐颗粒不规则排列的设计而产生的。

而除了X-PRO1这款当年号称小徕卡的相机之外，最吸引眼球的要属X100系列相机。第一款X100相机采用了带有低通滤镜设计，而到了富士X100S与X100T时则已经取消了低通滤镜。从官方网站提供的数据可以看出，在相同测试环境下，取消低通滤镜的富士X100S从中心点到边缘的成像均好于X100。

2013年的X20，今天的X30，也都继承了这种感光器件，并大胆采用了无低通滤镜设计，而其所获得像质评价却几乎都是正面的，许多人认为这些相机虽然像素相对较低，但像质却似乎更为锐利，而且色彩也更艳丽悦目，这不但与富士特殊的图像算法和图像处理器有关，其模拟胶卷的感光器件像素排列的设计也功不可没。