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【科普】你的4K是哪种4K?

发表日期：2017-10-12 文章编辑：huazhang 浏览次数：

现在的4K显示设备、节目源、拍摄机遍地开花，显示设备有手机屏（SONY那款）、电脑屏、电视屏、电影屏；节目源有网络流媒体4K，互联网电视4K，传统电视4K试播，电影院4K，拍摄设备有手机、长焦相机，微单，单反，家用手持摄像机，业务摄像机，电影摄影机……，本文不区分4096和3840的区别，都归为4K，也不谈镜头质量之类，今天光说说拍摄用机和显示终端像素的布局和子像素总量问题。
先说大部分人直接打交道的显示屏。传言在显示面板业有所谓“真4K”和“假4K”：

【科普】你的4K是哪种4K?

众所周知，传统的像素由 R（红）、G（绿）和B（蓝）构成，全高清面板像素为 1920x1080，每个像素由三种子像素组成，因此全高清面板一共有 1920x1080x3=622 万个子像素。而 4K 面板的分辨率为3840x2160，每个像素同样由三种子像素组成，共具有 24883200个子像素（约为2488万），其分辨率是全高清面板的四倍。
面对发展迅速的4K市场，Samsung Display 和 LG Display 专门开发了一款名为 RGBW 的低成本 4K 面板。而 RGBW 4K 面板在像素构成上和传统的RGB面板不同，除了红绿蓝外，又增加了一种子像素 W（白），其中这两家的每个像素的子像素构成方式还有差别，三星由 RG 或 BW 两种子像素构成，一共只有 1920x2160x4=1660 万个子像素，画质确实不如 RGB 直列式的 4K 面板。LG的每两个像素由5个子像素构成，一共有2880X4X2160=24883200个子像素（约为2488万），其分辨率是也全高清面板的四倍。画质和传统4K面板比较优劣还真不好说。
正是因为这些原因，某些厂商就认为采用 RGBW 4K 面板的 4K 都是假 4K。
对于假 4K 的说法，面板厂其实并不认可，LG Display 认为，RGBW 4K面板清晰度符合水平和垂直均达到 2160 电视线的要求，同时也符合国际认证机构 Intertek 的 4K 认证标准，因此 RGBW 方式 4K 面板是差异化的 4K 显示技术。与此同时，Samsung Display 不仅不觉得自身面板是假4K，反而列出五大优势：1、更好的透光率，更高的开口率；2、减少能源损耗；3、由于子像素的减少，降低驱动 IC 和 T-Con（时序控制器）的成本；4、减少背光模块的使用；5、降低电视系统成本。
我个人希望能买到 UHD类型的面板。
至于土豪级别的4K投影领域，希望某厂家的高帧频4K 投影机3片DLP式估计是3X4096X2160个子像素。
显示技术 3片DLP® ，请欣赏这吓人的指标：
分辨率与帧率　4096 x 2160 4K @60P
亮度 35,000中心流明- 6.0 kW灯
29,000中心流明 - 4.5 kW灯
19,500中心流明 - 3.0 kW灯
13,000中心流明 - 2.0 kW灯
对比度最高达2000:1
灯泡寿命 6.0 kW - 750 小时
4.5 kW - 900小时
3.0 kW - 2500小时
2.0 kW – 3500小时
长度 51.1 (1298 mm)
宽度 25.5 (648 mm)
高度 19.0 (483 mm)
重量 251 lbs (114 kg) (不带镜头)
VR,AR头盔或眼镜领域，希望市场早日出现真4K显示，我一直在等。
无独有偶，类似显示终端的像素问题也出现在拍摄用机的传感器领域。
先看一种经典的3片式传感器结构，今年它居然也用在了4K电视摄像机上，为避免广告嫌疑，我不说厂家：
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三片式4K拍摄机分光和传感器原理示意图
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这种3片传感器类型的拍摄机通常每一片传感器的像素都是标称值，如果是4K机器，那每一片就是4K，所有子像素总和就是3*4K*2K,那也就是2500万左右。但不排除厂家有标清和全高清时代的做法，每片传感器的像素缩水，然后用一些叫像素偏移之类的方法，使最终输出的视频插值到4K*2K，但实际效果不如原生的3*4K*2K的方式。
我们再看看4K拍摄机目前最普遍的单片传感器方案，是什么情况。
现在用单片传感器实现彩色影像拍摄的方案主要有这么几种：
1）拜耳阵列。
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拜耳阵列模拟人眼对色彩的敏感程度，采用1红2绿1蓝的排列方式将灰度信息转换成彩色信息。采用这种技术的传感器实际每个像素仅有一种颜色信息，需要利用反马赛克算法进行插值计算，最终获得一张图像。
拜耳阵列的问题之一是，在拍摄具有重复细节（如纺织品）的画面时，容易产生彩色干扰（摩尔纹）。该问题是由于其规则的分布方式而造成的。解决该问题的方法是在传感器前面安装一块会将画面细节模糊化的光学低通滤镜。低通滤镜可以减弱摩尔纹，但同时也降低了相机分辨率。
2）X-Trans传感器（拜耳阵列变种）
富士开发的X-Trans CMOS传感器，从传统的银盐胶片上获得了灵感，银盐胶片上一般不会出现摩尔纹，这是因为银粒子的排列不规则。由此得到启发，将传感器的色彩滤镜阵列进行了修改，从原来的2×2阵列修改为6×6的阵列，无序性大大增加，从而可以在大幅度降低摩尔纹和杂色产生的前提下提高图像的锐度。
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3）Foveon X3传感器
Foveon X3是全球第一款可以在一个像素上捕捉全部色彩的图像传感器，采用三层感光元件，在一个像素上通过不同的深度来感应色彩，最表面一层感应蓝色、第二层可以感应绿色，第三层感应红色。它是根据硅对不同波长光线的吸收效应来达到一个像素感应全部色彩信息，于是可以确保RGB色光都被接近100%地利用。分层感光会有几个主要的优势，例如，影像更鲜锐、色彩细节增加，不需要低通滤镜同时可以避免不必要的摩尔纹效应等。Foveon X3的技术对于传统半导体感光技术来说有很大的突破，也有颠覆传统技术的效果，相信Foveon X3会有很好的前景。
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那么问题来了，我们的单片拍摄用机又是用的那种类型的传感器呢？
答：绝大部分是拜耳阵列型,例如佳能的EOS C500,C300,C300MARKII等等，极少数是类似X-TRANS的拜耳型变种，例如目前我认为全球最顶级的摄影机 SONY F65。我们看看他们怎么说。
以下摘自佳能EOS C500彩页（传感器和C300等相同）
【科普】你的4K是哪种4K?

那它的像素是多少呢？彩页里说
EOS C500所使用的CMOS影像感应器以Super 35mm三齿孔电影胶片为标准，其实际成像面积为24.4×13.5毫米，共有约885万4096（水平）×2160（垂直）个感光单元，每个感光单元都具有约6.4×6.4微米的有效面积，且每个成像点都有一个微镜片将光线高效率地传输到每个光电二极管。感光单元采用的专利技术在降低影像感应器噪声的同时能增加光电二极管的光子容量，因此EOS C500的影像感应器获得了卓越的动态范围。
我们参照它的拜耳阵列可以知道
绿色像素共有2048（水平）x2160（垂直）个；红色像素共有2048（水平）x1080（垂直）个；蓝色像素共有2048（水平）x1080（垂直）个，加起来就是885万像素
还原的4K影像，每个像素都依靠插值算法得到，其中绿色的解析度最高，对4K而言，这款机器要达到4:2:2的色度取样，插值算法要多么牛逼啊，如果这个传感器输出2K，倒是可以达到4：4：4的色度取样。
那么sony F65呢，百度百科参考了 http://www.sony.jp/cinealta/products/F65RS/feature_1.html，说：
F65使用的是索尼自行设计制造的Exmor Super 35mm 8K CMOS[1]　，总像素约2000万，有效像素约1900万。由于CMOS的Q67特殊像素排列，F65也是业界唯一一部不通过插值就能输出完整的原始4K-RGB图像的数字摄影机。
一般使用拜尔马赛克排列的4K(4096×2160)成像器上，绿色像素仅占二分之一，输出4K图像时，剩余的二分之一绿色像素需要靠插值补全。F65的Q67排列，让每个像素旋转了45度，并且无缝隙地紧密排列，结合2000万的高像素，使得F65输出的4K图像中的每个像素都对应有一个绿色像素，是不靠插值而得到的完整4K-RGB图像。
【科普】你的4K是哪种4K?

所以不用我说您也可以看出，F65的传感器输出的4K，也只相当于4:2:2的色度取样。
话说全高清拍摄机时代，到还是真有几款3片机，每片的有效像素都是全高清级别，207万左右，总像素是621万左右，也有些家用单片摄像机，有效像素是621万左右，只要光线足，画面的清晰度还真不是插值上去的。
4K拍摄机小结：在标清时代，我说要做出标清广播级的成品，至少需要屌丝级别的1440X1080的HDV摄像机，到了现在全高清普及的年代，我仍然要说，想要得到真正广播级全高清成品，我们至少需要用屌丝级别的4K单片拍摄机，因为影像世界，插值无处不在。既然3片传感器的拍摄机已经是稀有品种，那么各种号称4K的单片拍摄机，来得正是时候。

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