前几天有朋友在评论区问到了关于富士X-Trans CMOS的问题，再加上富士总是给人一种精神上很彪悍的感觉，而它这种气场很大程度都是来自它这块有一丝丝不同的CMOS，不过，解读X-Trans的第一步，要先从解马赛克说起。
说到马赛克，很多同学可能会想起硬盘里的老师们，但今天显然不聊她们！解马赛克的英文为Demosaic，顾名思义，就是把CMOS上一个个的方形的像马赛克一样的像素点重新解构为图像，之所以要解，是因为我们的CMOS都是以这种形态呈现的：
这是大家很熟悉的拜耳阵列，一个方格对应一个像素，可以看到像素之间有不同的颜色，这意味着在它微透镜下方、二极管上方，覆盖了相应颜色的滤片，只有对应颜色才能通过，单个像素接收到的是明度和单色信息，如果只在RAW域看，照片就是一个个RGGB色点组成，这显然无法恢复原始信息的色彩。
而解马赛克就是一种通过插值计算的方式，让单色像素猜测出RGB全色调的方法，因此所有RGB彩色滤镜矩阵的传感器都需要解马赛克。适马Foveon X3因为同时布了R、G、B三块整层堆叠，所以它单个像素点就能实现RGB全色采样，不需要解马赛克，但这个方案的成本显然要高很多，而且硬件升级的技术壁垒也比较明显，软件算法的要求也相当高，所以虽然成像锐度惊人，但缺点也是一大堆，属于明显的偏科生，适合有特定需求的用户。
如上图，富士X-Trans与普通拜耳阵列不同的地方，在于它像素的色彩滤镜从2X2的阵列变了6X6（黑色框内），色彩滤镜乱序程度高，所以不少人都听说X-Trans摩尔纹更少，但事实上它只是有利于降低摩尔纹的彩色特性——传统拜耳阵列每两个相同颜色像素之间均会隔着1个其他颜色的像素，如果原始信号的维度恰恰就是1个像素的宽度，就很容易解出错误的颜色，使摩尔纹呈现彩色锯齿状。但仅仅是降低摩尔纹的色调而已，此前的文章小胖也讲过：形成摩尔纹的核心还是在像素规则排列方式和密度太低（采样率低），而不是色彩滤镜的布局方式，而且你以为色彩滤镜布局就这俩么？太天真了……
当年索尼F828加入了青色的RGBE：
还是索尼，加入了白色的RGBW及其变种：
还有远超三原色的多光谱滤镜方案：
所以并不是靠改变色彩滤镜的布局就能降低摩尔纹，X-Trans发布之初具备“低摩尔纹”特性真正靠的是摘掉低通滤镜。在低通滤镜还是拜耳阵列必备的时代，X-Trans确实可以说自己更有利于减少摩尔纹，但随着低强度甚至无低通的拜耳传感器开始普及，这方面大家就是在一条起跑线上了。
在这里再延伸一点彩色滤镜布局吧，比如还有RGB-IR，如下图：
以4X4矩阵为例，红蓝滤镜各自砍掉2个，填补为IR滤镜，而IR是650-1000nm的近红外波段，超出了人眼可见光（380-780nm）的范畴，加入IR波段的目的是为了极弱光情况下的降噪，因为IR像素的弱光噪声先天就比较小，用它来当做RGB图像的降噪引导，其实就很类似手机端彩色 黑白双摄降噪的原理了。除此之外IR还有利于提高人脸识别效率、方便活体检测、利于场景深度计算等等。
从这里可以继续延伸一点：熟悉相机成像结构的朋友应该知道，在传感器上方还有IR-CUT，也即红外截止滤镜，为什么要加入它？原因在于我们的传感器光电转换的光波段（350-1050nm）远超人眼可见范畴，如果不加以约束，最终就会导致严重偏色，所以才需要红外截止滤镜。传统RGB传感器多选择650~700nm等截止，RGB-IR传感器要更高一点，比如810nm截止，这时候其实依然存在偏色，但范畴变小，在ISP管线里做数字截止就能恢复颜色。
现在回到主题，在同一个6X6的矩阵里，传统拜耳是9R 9B 18G的组合，而X-Trans则是8R 8B 20G，多了2个绿色滤镜，少了红色和蓝色各少了1个，虽然自然界中绿原色的影响最大，但具体的布局比例并没有一个严格的定论，减少本来就相对较少的红蓝滤镜意味着色度信号会进一步下降（换取绿色滤镜的亮度信号），而且在解马赛克算法中，彩色滤镜的布局很重要，基于拜耳阵列的很多研究都没有办法直接转换到X-Trans上去，即便是神经网络学习也需要两套完全独立的训练方法，而针对拜耳阵列解马赛克算法的研究量显然不是X-Trans可比拟的，更何况X-Trans的色彩滤镜布局复杂，后期解码的难度更高，速度更慢。
解马赛克算法的原理可以分为两类——光谱匹配和空间匹配。其中光谱匹配里有色比恒定和色差恒定两种比较经典的基础算法。色比恒定为：绿色的亮度信号用简单的双线性插值来估算，而红蓝的色度信号通过不跨越边缘的领域色调平缓性来插值恢复，而色调则是色度/亮度，比如蓝色点的色调就是B/G。
色差恒定的方法则是：色调定义为色度信号减亮度信号，比如蓝色点就是B-G，用双线性插值恢复红蓝采样点的绿色分量，再使用该绿色分量去恢复其余点的蓝色与红色分量。
这两种技术的差别在于色比恒定需要乘除法，绿色分量为0时还要重新定义色调，色差恒定则只有加减法和移位，后者硬件开销大大减小，所以比较多见的是色差恒定算法，这两种算法本质上还是3X3领域内的双线性插值，所以在无边缘相交的平滑区域效果虽然还不错，但边缘区域就很容易算错，从而产生伪色。所以有了引入边缘检测的绿色分量插值的边缘自适应算法，先解数量较多，包含边缘信息更多的绿色图像，接下来红色与蓝色的解码插值分别基于各自与绿色通道的色差，这种先绿后红蓝的解马赛克思路也是由此开始被广泛沿用。
当然，现代解马赛克算法有很多，就不一一展开了（也不现实），但基本准则是宁少毋过、宁弱毋错，但即便是很成熟，沿用很广泛的算法，也有一些容易出现的问题，恰恰就能体现不同ISP之间的设计差距。
第一是放大噪声，在弱光或长曝等有明显噪声的情况下，有的算法会增加高频相关性，但人眼对高频亮度很敏感，所以解马赛克后反倒会增加图像噪声，但不同算法得到结果可能会很不一样。
第二是锯齿，也即拉链效应（当然，有些规律分部的纵横噪声是来自传感器本身，这个话题我们以后再表）。拜耳阵列每行每列每隔1个像素就有1个绿色滤镜像素，而在图像边缘，如果解马赛克算法不能较为精确地预估蓝红色分量和边缘方向，像素模糊、颜色溢出等误差就会以拉链开关的分布形式出现。也就是说拉链效应就是插值算法“犯错”了，有一个比较简单的算法：
1、先取原始图像中的任意像素p，计算与其8个领域范围内所有像素的的色差，找到与之色差最小的像素q，取两者之间的色差p-q。
2、接着在解马赛克后的该图中取对应的像素P，再计算它与原始图中p的色差p-P。
3、这时候由p-q减去p-P，得到的绝对值大于2.5，即认定像素p处存在拉链效应。
第三是伪色，顾名思义就是出现了原本没有的颜色，出现的原因也是不恰当邻域插值。基本的解决方案是中值滤波，作为非线性滤波，可以将伪色替换为领域各点的中值，而且不会产生图像模糊的问题，但如果是包含点、线细节较多的图像位置不适合使用，会丢失细节。
最后就是摩尔纹，增加像素密度是最好的解决方法，这个以前谈过，就不展开了。
简单总结一下吧，只要不是单点全色采集的传感器，都需要解马赛克算法，而算法的优劣很大程度靠的就是背后的研发力度，这方面恰恰是小众型设计的软肋，比如富士X-Trans的解马赛克算法速度就比传统拜耳阵列慢30%，所以像GFX50S这种真正的生产力工具也选择了拜耳阵列而不是X-Trans。而高像素密度时代已经基本到来，没有太多第三方支援的色彩滤镜阵列面临的问题只会更多，所以即便它们或许有这样或那样的优点，但量级的差距是暴力而残酷的，就这一点而言，富士自己应该比任何人都要更清楚吧……至于ISO虚标什么的，也脱离本文主旨，也不展开了，小胖想说的是：别盲目崇拜就OK。
至于解马赛克之后的ISP进程，我们另外开文再讲，欢迎有兴趣的朋友，或者有相关从业经验的朋友补充，谢谢。
