到底多少像素和感光度是135全副相机的物理极限？（讨论贴）

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飞星穿月

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2012-03-08 14:28

既然是讨论贴，总是要做点功课的，我在网上找到了这篇文章。链接是http://www_northlight-images_co_uk/article_pages/guest/physical_limits.html
有兴趣大家可以看看，英语好的，有点时间的做点翻译也很好。
这是Northlight Images一个商业摄影公司邀请David B. Goldstein（是个职业摄影师）在2009年写的文章，这里从基本光学物理角度（光的波粒二项性）探讨了，135全幅相机的像素和感光度的极限，以及其他的一些问题。当然所谓极限是保证画质的前提之下。
我大概看完了，这里介绍一下基本结论。
1.目前的135全副器材的像素和高感接近或已经到达物理极限。举个例子，假如你用那时像素最高的机器，09年的时候，应该A900,和D3X（全副）。用Iso 3200 和光圈F22 来拍摄照片，那么所得的照片一定是不太清楚的（unsharp 100%）。这和拍摄的技术无关（比如相机抖动等），主要是因为已经接近物理极限。
2. 对于感光度，当ISO从 100 或 200变换到 ISO 3200时候，现有技术下传感器的动态范围损失3 到 4.5 档（stops）（计算可以自己看看全文）。换句话说，低感的动态范围更大，可以获得更加好的拍摄效果。当ISO 超过3200的时候，动态范围至少已经比原来下降了4.5档，对一些画质要求比较高的地方，照片已经很难采用的。这里说明，高感拍摄是牺牲动态范围为代价的。
3. 镜头的衍射光圈，根据计算测试，2009年的高像素全副机（21M～24M）的极限衍射光圈，是在F10。考虑到现在多数优秀的镜头在5.6或更大光圈下都表现很好，那么根据计算，镜头极限衍射光圈如果为5.6～4 的话，那么135 全画幅的像素范围将达到是25-40 megapixels。作者认为从使用角度来说，这是135全幅相机的极限像素。因为如果极限衍射光圈为5.6～4 的话，那用F8～11拍摄时画质的损失在可以容忍的范围内。这样，控制景深的光圈值可以在较大的范围内变化，不太影响画质。当像素继续提高的时候，光圈的变化已经不是控制景深的一个参数同时也是影响画质的一个参数。
其他的一些结论还有
1. 大的传感器意味着好的画质，一般来说是正确是，但是同时也引入了重量和体积等不利因素。
2. 关于景深，胶片时代用大画幅的人使用f/64获得和135 F8类似的景深，但是要好的多的分辨率。但是采用高分辨率的传感器以后，大画幅这方面的优势就不存在了，主要是由于极限衍射光圈的存在，使用大画幅的人，也不太可能像过去那用使用很小的光圈，却不损失分辨率。
3.在感光元件尺寸相同的情况下，数码的表现远好于胶片。上面提到的那些问题在胶片时代都几乎不被提起。这是数码表现更好，更加接近光学极限的一个侧面正名。但是同样也带来一些问题，就是以前在胶片时代使用的规则可能也因此改变。比如说，安全快门这个感念，在胶片时代是焦距的倒数。如50 MM焦距拍摄，安全快门是1/50S，但是数码时代分辩率可能是胶片的三倍多高，因此实际上要求快门的速度也是3倍。就是说，50MM焦距拍摄，在高像素数码拍摄的时候，需要1/200S或更高的快门速度。或者快门速度不变的情况采用光学防抖的方案来获得更好的画质。（注：文章是写在2009年的。但是，现在很多广角镜头也开始加上IS了，如Nikon的16-35 Vr和佳能新出的28/2.8 IS等。后者是今年才发布的，说明作者的判断是正确的）
另外，景深本身的含义是清晰的范围，在高分辩率的数码相机里，景深要比胶片时代小3～5倍。而且用来增大景深的小光圈使用受到衍射作用的限制。那么要获得大景深照片可能要牺牲画质用小光圈，或者只好通过景深合成来完成，这样就要用到三脚架和其他辅助设备，对拍摄带来不方便。（注：这点也是有预见性的，现在很多风光拍摄确实都大量使用了胶片时代不多用的景深合成技术）
大概的内容就是这样了，具体的光学部分的分析看的不是太明白，欢迎懂的人做解释或者是批驳。在D800和5D3 发布的时候，在新一轮镜头更新的时候，更多的了解一些技术，对大家选购自己喜欢的相机都有好处。简单的科学原理的分析，好过在论坛上看图说话来讨论所谓的画质。

相关标签： 28/2.8 光圈景深胶片

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飞星穿月

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2012-03-13 02:09

liheqiao 发表于 2012-3-10 21:00
以NEX7的密度算，FF可以达到5400万象素，而且成像不差，高感仍然不算差

关于衍射光圈对画质来说是影响的一个因素,并非全部.所以用看图来判断画质意义不大,因为影响画质的因素太多,后期的贡献会很大.衍射光圈引起的锐度的下降部分也是可以通过后期解决的,只是,有个限度而已. 不过现在由于像素的提高,这各问题比以前明显而已.

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梦悠游

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2012-03-12 08:47

liheqiao 发表于 2012-3-10 21:00
以NEX7的密度算，FF可以达到5400万象素，而且成像不差，高感仍然不算差

是否不应忽略不同架构镜头之间解析力差距的因素？

我和人聊天时曾听过莱卡（旁轴）镜头的解析力加※※均值是佳能尼康等（单反）镜头的4倍

极限衍射光圈是否与镜头解析力相关？我想等高人解答

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liheqiao

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2012-03-10 21:00

以NEX7的密度算，FF可以达到5400万象素，而且成像不差，高感仍然不算差

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pppic

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2012-03-10 18:34

时间价值发表于 2012-3-9 22:46
3600W的肯定不是4-5.6，你看看D800的样片，好几张都是f8拍的。再说设计一个衍射极限是4-5.6的机器，还让人用吗？

看了d800E的原大样片，的确是好。一帮子这迷那粉，对比一下， 5d3的样片和d800e的样片

就知道如何选择了。

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newzeon0093

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2012-03-10 18:31

飞星穿月发表于 2012-3-10 13:38
极限衍射光圈是根据公式计算的，大家都是一个公式，应该不会错，2400万是F10 ，D800是在4.5 ～5.6 之间。虽然极限衍射光圈，影响画质，但是不代表就不能出好片。只是在这个光圈或更小的情况下，像素增加带来的分辨率提升减少或是消失了。但3600万就是3600万，分辩率就是比2400万更加高。最多是反差和锐度方面有损失，但是这些后期和机内的处理会部分解决的，所以你可以看到画质还可以接受的照片，但是到F11以下，可能就有很大问题了，公司都未必会推荐使用了。

公式是像素边长/（1.22×可见光光的波长）
波长最长的红光也有F5.1,最短的紫光有F10.5

F11更高的光圈（假设2400W的如你所说是F10），理论分辨率应该是一样的（不考虑两家镜头的差异）。但是由于D800像素数更多，在锐化处理上仍然有优势，更有利于出图

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newzeon0093

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2012-03-10 18:19

fulcrum0599 发表于 2012-3-9 14:51
最近这个话题还真热闹~

为什么胶片时代用小光圈不会影响分辨率呢，胶片颗粒不是更小吗

当然有影响小光圈清晰度会降低的～衍射是光学规律和成像材质无关

只是之前cmos分辨率太低罢了～就好像瞎子看不到眼镜脏了～

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newzeon0093

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2012-03-10 18:09

飞星穿月发表于 2012-3-9 14:35
谈论分辨率就一定是考虑了镜头和感光元件的共同作用，22M左右的135全副，极限衍射光圈是F10， 3600万的全幅极限衍射光圈是在4～5.6.这个是非E版的数值。所以在这个像条件下，用F10以上的光圈，一定影响画质。

即使如此在同样的镜头条件下也是36M的分辨率更高直到都达到极限衍射光圈后面和镜头有观

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飞星穿月

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2012-03-10 13:38

时间价值发表于 2012-3-9 22:46
3600W的肯定不是4-5.6，你看看D800的样片，好几张都是f8拍的。再说设计一个衍射极限是4-5.6的机器，还让人用吗？

极限衍射光圈是根据公式计算的，大家都是一个公式，应该不会错，2400万是F10 ，D800是在4.5 ～5.6 之间。虽然极限衍射光圈，影响画质，但是不代表就不能出好片。只是在这个光圈或更小的情况下，像素增加带来的分辨率提升减少或是消失了。但3600万就是3600万，分辩率就是比2400万更加高。最多是反差和锐度方面有损失，但是这些后期和机内的处理会部分解决的，所以你可以看到画质还可以接受的照片，但是到F11以下，可能就有很大问题了，公司都未必会推荐使用了。

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飞星穿月

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2012-03-10 13:30

fulcrum0599 发表于 2012-3-9 14:51
最近这个话题还真热闹~

为什么胶片时代用小光圈不会影响分辨率呢，胶片颗粒不是更小吗

看的不仔细，最后一段作者就说了，胶片没有这些问题是因为胶片的分辨率比较低。

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Greyhead

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2012-03-10 02:07

fulcrum0599 发表于 2012-3-9 14:51
最近这个话题还真热闹~

为什么胶片时代用小光圈不会影响分辨率呢，胶片颗粒不是更小吗

同一镜头，相对口径越小分辨率越低，一贯如此。 本帖最后由 Greyhead 于 2012-3-10 02:26 编辑

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hkt

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2012-03-09 23:10

排除核战争,地球资源枯竭或是宇宙行星撞地球等不良因素外,只要地球和人类都在,相机的像素和感光度应该没有极限,

第一个极限先看看2029年或是2036年那次吧

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2012-03-09 22:46

飞星穿月发表于 2012-3-9 14:35
谈论分辨率就一定是考虑了镜头和感光元件的共同作用，22M左右的135全副，极限衍射光圈是F10， 3600万的全幅极限衍射光圈是在4～5.6.这个是非E版的数值。所以在这个像条件下，用F10以上的光圈，一定影响画质。

3600W的肯定不是4-5.6，你看看D800的样片，好几张都是f8拍的。再说设计一个衍射极限是4-5.6的机器，还让人用吗？

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梦悠游

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2012-03-09 16:26

飞星穿月发表于 2012-3-9 13:17
这样看来D800有可能是，一台棚拍的机器，真正通用型的NikonD700 的继承机器，可能是24M上下的机器，合适更广泛的用途。同样，佳能也会出高像素，但是估计会明说是Studio用的机器，或者，传感器方面有革新。

我也猜测，未来10年内真的需要传感器的革新了，镜头么，继续提。

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fulcrum0599

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2012-03-09 14:51

最近这个话题还真热闹~

为什么胶片时代用小光圈不会影响分辨率呢，胶片颗粒不是更小吗

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飞星穿月

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2012-03-09 14:35

newzeon0093 发表于 2012-3-9 14:09
小光圈情况下发生衍射镜头的光学属性

极限衍射光圈只能说明cmos分辨率超过了镜头的光学分辨率所以在小光圈情况下镜头成为了瓶颈
而画质下降也只是相对于最高分辨率的画质下降
用相同的镜头情况下，F5.6 D800E >>D800 而F10下 D800E已经超过极限衍射光圈，而D800没有超过。但是D800E的分辨率>D800的分辨率。直到D800也刀刀极限衍射光圈，两个分辨率基本相同。

所以使用的时候大多数时候不必担心什么极限衍射光圈，景深构图才是更主要的。除非是要对某个特定景物要求很高的分辨率，大于对景深的要求的情况下，才需要注意所用设备的极限衍射光圈。

谈论分辨率就一定是考虑了镜头和感光元件的共同作用，22M左右的135全副，极限衍射光圈是F10， 3600万的全幅极限衍射光圈是在4～5.6.这个是非E版的数值。所以在这个像条件下，用F10以上的光圈，一定影响画质。

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newzeon0093

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2012-03-09 14:09

飞星穿月发表于 2012-3-8 15:24
NikonD800同时发布了E版本，说明，Nikon已经很清楚了，这个像素的情况下，小光圈衍射已经很厉害了，去掉低通是原理上的改进，在没有低通的前提下，极限衍射光圈是不是会更加小些，比如说，在有低通的是5.6 那么去掉低通，会不会是F8或是F11（这个我不确定，也不知道是不是还可以用同一种方法计算）. 但是去掉低通是引入摩尔纹为代价的。Nikon还是聪明的，在大胆用高像素的同时，也做了必要的功课。但是无论如何，想在D800上用F11以上的光圈拍摄，已经肯定是牺牲画质了，对微距和风光摄影不是好消息，当然如果不怕麻烦的话，景深合成的软件可以解决一部分问题。
佳能相对保守，采用22万像素，这样5D3的极限衍射光圈和5DII一样是F10，不需要摘低通，F13～F16还基本可用，拍摄的时候较为方便。但是出片就没有D800那么大了。

小光圈情况下发生衍射镜头的光学属性

极限衍射光圈只能说明cmos分辨率超过了镜头的光学分辨率所以在小光圈情况下镜头成为了瓶颈
而画质下降也只是相对于最高分辨率的画质下降
用相同的镜头情况下，F5.6 D800E >>D800 而F10下 D800E已经超过极限衍射光圈，而D800没有超过。但是D800E的分辨率>D800的分辨率。直到D800也刀刀极限衍射光圈，两个分辨率基本相同。

所以使用的时候大多数时候不必担心什么极限衍射光圈，景深构图才是更主要的。除非是要对某个特定景物要求很高的分辨率，大于对景深的要求的情况下，才需要注意所用设备的极限衍射光圈。

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飞星穿月

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2012-03-09 13:50

线缝的男人发表于 2012-3-9 13:33
动态范围损失确实存在,但是能达到5 6档我感觉有点夸大了吧 ,6400 12800 是现在新机器主攻的方向，尽量做的干净，只能说尽量，不过需要 6400iso拍照的时候，基本就没有太对画质那么挑剔了

像素高了暗部燥点确实存在，就拿大家常说的7d 低感问题来说，其实这个问题的严重性并没有那么大，能在接受范围之内

Spot网友的评论，很有道理，他指出了，作者用了，SNR=4.5这样的偏高的标准，而DXO这样的网站是用SNR=1，所以结论上有偏差是可以理解的，高感用到多少，最终还是因人而异，看看使用者本人，对同机高、低感画质损失的容忍程度。

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malaiyun

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2012-03-09 13:49

寒号鸟2013 发表于 2012-3-8 14:49
如果按照这个说法“那么根据计算，镜头极限衍射光圈如果为5.6～4 的话，那么135 全画幅的像素范围将达到是25-40 megapixels”，那么这次D800的像素是泥坑特意选择过，用来坑别家得？

N挖了个坑，自己跳下去了。

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线缝的男人

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2012-03-09 13:33

飞星穿月发表于 2012-3-8 15:14
关于ISO，由于CMOS的成像原理，同100相比，到6400或更高，动态范围已经损失达到5到6档，照片的画质和低感时差别很大了，在高光和中等亮度的区也许还过得去，但是暗处的细节基本已经很差了。
另外，随着像素的提高，即便是在低ISO下，暗部的噪音信号也很明显了，这是在上面那篇文章里也提到的观点。

动态范围损失确实存在,但是能达到5 6档我感觉有点夸大了吧 ,6400 12800 是现在新机器主攻的方向，尽量做的干净，只能说尽量，不过需要 6400iso拍照的时候，基本就没有太对画质那么挑剔了

像素高了暗部燥点确实存在，就拿大家常说的7d 低感问题来说，其实这个问题的严重性并没有那么大，能在接受范围之内

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飞星穿月

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2012-03-09 13:21

spot 发表于 2012-3-9 11:10
大致看了一下这篇文章，其中关于高感的部分，结论基本是错误的。

1、他用来计算所谓高感极限的自然界最小光子数量，相当于ISO3200下，F16，1/3200秒的曝光值，这只能说明，在相机ISO发展到几十万以前，用不着担心自然界没有足够光线了

2、他认为高感提高5档，从ISO100提高到ISO3200，动态范围要下降3.5-4档，很明显不符合实际测试结果，高感性能越好的相机，虽然低感时动态范围不一定很高，但是提高ISO时动态范围的损失越小，也就是说，在更高ISO下也能保持不错的动态范围。比如DXO网站上的数据，D3S从ISO200提高到ISO3200动态范围才下降1.5档，5D2从ISO100提高到ISO3200也才下降2档。D3S在ISO25600时还有接近8档的动态范围。

3、他提出计算动态范围时，暗部判断标准应该采用SNR=4.5，也就是13dB作为标准，这个相当于线性减掉可用动态范围大约4档。这只是一种判断标准，虽然跟DXO取SNR=1（0dB）不一样，但也有道理，更照顾了人眼观看的实际效果。即使按他这个标准，D3S在ISO200的动态范围是8档，到ISO25600也还有4档，仍然是有实用意义的。

PS：我在这里贴了一张图，显示了SNR从0到8对应的效果，可供参考。个人认为，SNR=4.5算比较高的要求了。
[url=https://forum.xitek.com/forum.php? ...

谢谢你的Comments，非常有价值，标准是判断的依据，如果在不同标准下讨论问题，可能是牛头不对马嘴。谢谢你特别指出作者用的标准过高这个事实，可能和他是职业摄影师的有一定关系的。

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飞星穿月

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2012-03-09 13:17

时间价值发表于 2012-3-9 12:56
沙发那个XD虽然语气的立场上很偏激，但是结论应该是比较正确的，也就是这次3600W的D800，选择这么个数字，还是有考虑的。
所以我开始也不信会有面向大众市场的5DX——4500W的机器。Nikon已经在D800发布后说了，F8是D800比较好的光圈，F11以上最好不要用，不然衍射问题会造成画质下降。如果出个4500W，那基本就别拍微距了，风景也都是大光圈风景了，于是高像素的优势在拍风景上也也就出不来了。如果厂商商品细分做的好，也没准出个4500W的专拍商业人像，但是对于大众市场，这个估计不会出。

这样看来D800有可能是，一台棚拍的机器，真正通用型的NikonD700 的继承机器，可能是24M上下的机器，合适更广泛的用途。同样，佳能也会出高像素，但是估计会明说是Studio用的机器，或者，传感器方面有革新。

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时间价值

资深泡菜

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2012-03-09 12:56

沙发那个XD虽然语气的立场上很偏激，但是结论应该是比较正确的，也就是这次3600W的D800，选择这么个数字，还是有考虑的。
所以我开始也不信会有面向大众市场的5DX——4500W的机器。Nikon已经在D800发布后说了，F8是D800比较好的光圈，F11以上最好不要用，不然衍射问题会造成画质下降。如果出个4500W，那基本就别拍微距了，风景也都是大光圈风景了，于是高像素的优势在拍风景上也也就出不来了。如果厂商商品细分做的好，也没准出个4500W的专拍商业人像，但是对于大众市场，这个估计不会出。

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spot

陈年泡菜

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帖子: 4121

2012-03-09 11:10

大致看了一下这篇文章，其中关于高感的部分，结论基本是错误的。

1、他用来计算所谓高感极限的自然界最小光子数量，相当于ISO3200下，F16，1/3200秒的曝光值，这只能说明，在相机ISO发展到几十万以前，用不着担心自然界没有足够光线了

2、他认为高感提高5档，从ISO100提高到ISO3200，动态范围要下降3.5-4档，很明显不符合实际测试结果，高感性能越好的相机，虽然低感时动态范围不一定很高，但是提高ISO时动态范围的损失越小，也就是说，在更高ISO下也能保持不错的动态范围。比如DXO网站上的数据，D3S从ISO200提高到ISO3200动态范围才下降1.5档，5D2从ISO100提高到ISO3200也才下降2档。D3S在ISO25600时还有接近8档的动态范围。

3、他提出计算动态范围时，暗部判断标准应该采用SNR=4.5，也就是13dB作为标准，这个相当于线性减掉可用动态范围大约4档。这只是一种判断标准，虽然跟DXO取SNR=1（0dB）不一样，但也有道理，更照顾了人眼观看的实际效果。即使按他这个标准，D3S在ISO200的动态范围是8档，到ISO25600也还有4档，仍然是有实用意义的。

PS：我在这里贴了一张图，显示了SNR从0到8对应的效果，可供参考。个人认为，SNR=4.5算比较高的要求了。
SNR=0-8效果演示

本帖最后由 spot 于 2012-3-9 11:39 编辑

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第 11 帖

梦悠游

陈年泡菜

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帖子: 4832

2012-03-09 09:00

大概猜测，佳能（包括各厂商）知道极限衍射光圈对全幅规格单反的影响，所以佳能对像素的增加骤然减速。由于一部相机内不止成像部件，所以加点像素，提升一下成像，强化机身其他性能后推出一个机身也算是升级了。当然，也是考虑市场需求、以及什么1920*3之类的因素而综合得出的规格。以后，去掉低通滤镜、类似富士那样改变RGB点排列，成像会进一步提升下去。但是，这个成像器件的提升对画质提升的过程会是缓慢的，因为全幅单反镜头的提升比较难（而且分辨率提升较难平衡焦外成像）。这牙膏慢慢挤，猜测可以再挤10年，过后就难说。1DX的发布就是步调调整的信号，应该是整体发展规划中的一小段（当初研发出1亿像素cmos时就应该了解到，在镜头性能以及其他因素（如有无低通滤镜）影响下的极限衍射光圈问题）。D800/D800E用的3600万像素cmos，猜测是sony的发展思路故意为之，探路用的。作为cmos生产厂家，sony没理由不知道极限衍射光圈的问题。D800E在没有改善RGB像素点排列的情况下去掉低通，有一定风险。

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第 10 帖

izl

泡菜

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帖子: 434

2012-03-08 15:47

寒号鸟2013 发表于 2012-3-8 14:49
如果按照这个说法“那么根据计算，镜头极限衍射光圈如果为5.6～4 的话，那么135 全画幅的像素范围将达到是25-40 megapixels”，那么这次D800的像素是泥坑特意选择过，用来坑别家得？

是sony 选择过的

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第 9 帖

梦悠游

陈年泡菜

泡网分: 43.243

主题: 212

帖子: 4832

2012-03-08 15:28

飞星穿月发表于 2012-3-8 15:24
NikonD800同时发布了E版本，说明，Nikon已经很清楚了，这个像素的情况下，小光圈衍射已经很厉害了，去掉低通是原理上的改进，在没有低通的前提下，极限衍射光圈是不是会更加小些，比如说，在有低通的是5.6 那么去掉低通，会不会是F8或是F11（这个我不确定，也不知道是不是还可以用同一种方法计算）. 但是去掉低通是引入摩尔纹为代价的。Nikon还是聪明的，在大胆用高像素的同时，也做了必要的功课。但是无论如何，想在D800上用F11以上的光圈拍摄，已经肯定是牺牲画质了，对微距和风光摄影不是好消息，当然如果不怕麻烦的话，景深合成的软件可以解决一部分问题。
佳能相对保守，采用22万像素，这样5D3的极限衍射光圈和5DII一样是F10，不需要摘低通，F13～F16还基本可用，拍摄的时候较为方便。但是出片就没有D800那么大了。

D800主※※像，D800E主打风景，现在算是明白了

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第 8 帖

CH33445566

泡菜

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主题: 2

帖子: 94

2012-03-08 15:26

好文章，可惜还有一个镜头分辨率极限问题，可能因为涉及厂商，太敏感，总是没有专文谈到。

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第 7 帖

飞星穿月

泡菜

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主题: 47

帖子: 1530

2012-03-08 15:24

寒号鸟2013 发表于 2012-3-8 14:49
如果按照这个说法“那么根据计算，镜头极限衍射光圈如果为5.6～4 的话，那么135 全画幅的像素范围将达到是25-40 megapixels”，那么这次D800的像素是泥坑特意选择过，用来坑别家得？

NikonD800同时发布了E版本，说明，Nikon已经很清楚了，这个像素的情况下，小光圈衍射已经很厉害了，去掉低通是原理上的改进，在没有低通的前提下，极限衍射光圈是不是会更加小些，比如说，在有低通的是5.6 那么去掉低通，会不会是F8或是F11（这个我不确定，也不知道是不是还可以用同一种方法计算）. 但是去掉低通是引入摩尔纹为代价的。Nikon还是聪明的，在大胆用高像素的同时，也做了必要的功课。但是无论如何，想在D800上用F11以上的光圈拍摄，已经肯定是牺牲画质了，对微距和风光摄影不是好消息，当然如果不怕麻烦的话，景深合成的软件可以解决一部分问题。
佳能相对保守，采用22万像素，这样5D3的极限衍射光圈和5DII一样是F10，不需要摘低通，F13～F16还基本可用，拍摄的时候较为方便。但是出片就没有D800那么大了。

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第 6 帖

orpheus163

泡菜

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帖子: 1906

2012-03-08 15:23

啥时候能捕捉单个光子啥时候算到头

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