像素偏移 (英語:Pixel Shift,也譯作像素位移)是一種輔助提升成像畫質的技術,用於數碼成像獲得更好的色彩分辨率,或生成獲得超分辨率圖像。
原理與實現
像素偏移具有兩種特定的實現,而其對應的原理並不相同。像素與像素之間存在間隙,而傳感器無法捕捉這其中的信號,在亞像素(英語:Sub Pixel)範疇內,進行信息採集,用於補充圖像,可以使最終獲得圖像,得到比傳感器本身更高的分辨率。而就拜耳傳感器結構而言,其固有的限制在於單一亞像素位置只能獲得R、G、B其中一種色彩光線的信息,在合成中損失了其他部分;如果復用這些位置,則可以獲得較高色彩分辨率的圖像,同時也可以抑制摩爾紋。
額外信息的採集,可以通過布置多傳感器,或是單一傳感器位移後多張拍攝併合成實現;後者通常利用了相機上配置的傳感器防抖機構實現,這也是「像素位移」這一名稱的由來。
在數碼攝影早期,受限於單塊傳感器像素數限制,通常會採用空間多塊圖像傳感器,邏輯上偏移亞像素單位,以獲得畫質提升。這類排布與3CCD技術存在交集,故往往一同使用。1995年,由美能達與愛克發聯合開發的RD-175即為應用像素偏移式分布的單反相機[1]。
在早期的高清製作中,受限於圖像傳感器成本或產能,流行的做法是在3CCD結構中,採用單塊分辨率為較低的傳感器,彼此錯開像素,由機內插值合成全高清影像。例如松下的HVX200,使用三片960x540傳感器;索尼的HDV採用三片960x1080傳感器[2]。
利用單塊傳感器位移後,進行多幀拍攝合成的技術,則利用了出現在數碼相機上的防抖機構,利用移動傳感器補償進行防抖的分支。
首先做出實踐的是哈蘇,其在2008年推出的H3DII-39 MS上首先推出[3],MS即代表「Multi-Shot」,這一模式下,會輪換RGB亞像素位置進行拍攝,最終同樣生成39MP圖像,但具有更好的圖像分辨率。2011年的哈蘇H4D-200 MS,將這一功能擴展到超分辨率獲取,可以以50MP的傳感器,移動並拍攝6張,實現200MP輸出。
2015年,賓得與奧林巴斯分別在自己的相機產品上配置像素位移功能,代表作分別是K3 II與E-M5 MarkII,各自的實現也分別是更好的色彩分辨率與更高的像素輸出。在此之後,索尼、松下以及徠卡公司紛紛在自己的數碼相機中加入該功能。
由於應用到防抖組件,也有玩家將該功能戲稱作「搖搖樂」。
由於從成像機理上說,現今的顯微鏡與望遠鏡也有採用傳感器成像,本質上來說是一類特殊用途的數碼相機,故也可以應用到像素偏移技術,例如徠卡的DMC6200[4],而例如奧林巴斯公司,其將應用在自己顯微鏡上的技術命名為OSR,並設立了專門的介紹頁面,號稱可以圖片光學衍射極限,獲得水平清晰度120nm的圖像[5]。
除了內置功能,一些愛好者也將應用可能拓展到所有相機。由於手持拍攝時,天然具有輕微的位移,在此條件下拍攝多張,之後以軟件進行對齊疊加處理,以獲得分辨率收益[6][7] 。這一應用可能也迅速在手機攝影上得以實施,由於相對受限的傳感器及鏡頭模組配置,以及較為強力的計算處理能力,使得這一領域對於計算攝影相關的提升十分有興趣,2015年即出現了可以輸出4倍分辨率(32MP)的應用Hydra[8][9];在2018年,Google在Pixel 3世代手機上配置了單枚後置攝像頭,但依然以超分辨率方式,於Google Camera內提供了長焦拍攝功能,稱作「Super Res Zoom」,即以此實現[10],次年,該研究於SIGGRAPH 2019發布[11]。
應用
不同廠商和相機之間,實現不同。賓得偏向於輸出等像素高色深的照片,奧林巴斯則一貫致力於輸出四倍像素。而機能差異也導致了差別,有的機器,如索尼,無法完成機內處理,需要打包保存在存儲卡,等待後續處理;奧林巴斯和松下可以完成機內合成,也保留以電腦後制的可能。
在拍攝題材方面,通常集中限制在靜物;但松下公司的S1系列,提供了動體識別,可以在拍攝合成中識別運動物體,而不進行疊加,以免產生虛影[12]。雖然其間使用電子快門,但現今多數拍攝仍不支持閃光燈。
廠商 | 相機名稱 | 發布年份 | 傳感器像素 | 輸出像素 |
---|---|---|---|---|
哈蘇 Hasselblad |
H3DII-39 MS | 2008 | 39MP | 39MP |
哈蘇 Hasselblad |
H3DII-50 MS | 2009-11 | 50MP | 50MP |
哈蘇 Hasselblad |
H4D-50 MS | 2010-05 | 50MP | 50MP |
哈蘇 Hasselblad |
H4D-200 MS | 2011-05 | 50MP | 200MP |
哈蘇 Hasselblad |
H5D-200 MS | 2014-08 | 50MP | 200MP |
哈蘇 Hasselblad |
H6D-400C MS | 2018-10 | 100MP | 400MP |
奧林巴斯 Olympus |
E-M5 MarkII | 2015-02 | 16MP | 64MP |
奧林巴斯 Olympus |
PEN-F | 2016-01 | 20MP | 80MP |
奧林巴斯 Olympus |
E-M1 MarkII | 2016-12 | 20MP | 80MP |
奧林巴斯 Olympus |
E-M1 X | 2019-01 | 20MP | 80MP 手持模式50MP |
奧林巴斯 Olympus |
E-M5 Mark III | 2019-10 | 20MP | 80MP |
奧林巴斯 Olympus |
E-M1 Mark III | 2020-02 | 20MP | 80MP 手持模式50MP |
賓得 Pentax |
K3 II | 2015-04 | 24MP | 24MP |
賓得 Pentax |
K1 | 2016-02 | 36MP | 36MP |
賓得 Pentax |
K70 | 2016-06 | 24MP | 24MP |
賓得 Pentax |
KP | 2017-01 | 24MP | 24MP |
賓得 Pentax |
K1 II | 2018-02 | 36MP | 36MP |
賓得 Pentax |
K3 III | 2021-03 | 26MP | 26MP |
理光 Ricoh |
GR III[14] | 2018-09* 2019-03 |
24MP | 24MP |
索尼 SONY |
α7R III | 2017-10 | 42MP | 42MP |
索尼 SONY |
α7R IV | 2019-07 | 61MP | 240MP |
索尼 SONY |
α1 | 2021-01 | 50MP | 50MP/200MP |
松下 Panasonic |
G9 | 2017-11 | 20MP | 80MP |
松下 Panasonic |
S1 | 2019-02 | 24MP | 96MP |
松下 Panasonic |
S1R | 2019-02 | 47MP | 187MP |
松下 Panasonic |
S1H | 2019-05 | 24MP | 96MP |
松下 Panasonic |
S5 | 2020-09 | 24MP | 96MP |
徠卡 Leica |
SL2 | 2019-11 | 47MP | 187MP |
徠卡 Leica |
SL2-S | 2020-12 | 24MP | 96MP |
富士膠片 Fijifilm |
GFX100[15] | 2019-06 2020-11* |
102MP | 400MP |
富士膠片 Fijifilm |
GFX100S | 2021-01 | 102MP | 400MP |
- 理光GR III機型,其開發階段披露時間為2018年9月的Photokina,但實際售賣在2019年3月。
- 富士膠片的GFX100於2019年6月售賣,但像素位移合成功能在2020年11月追加,同時還推出了專屬支持程序「Pixel Shift Combiner」[13]。
智能手機
以Hydra為代表的app可以實現高分辨率輸出,通常在8MP的iOS設備上,實現生成32MP圖像。
而Google相機在2018年更新,伴隨Pixel 3提供了Super Res Shot,彌補了沒有配置長焦鏡頭的缺憾。
命名
不同廠商於不同地區,可能使用不相同的命名,以下為部分命名:
參考與引用
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