从富士GFX说起：关于中画幅的误解与释疑
作为一个同时拥有1/2.3、1/1.7、1英寸、M43、APS-C、全画幅和中画幅数码器材的键盘摄影师，在很多场合都听说过关于中画幅的一些讨论，有一些是崇拜，有一些是不齿，当然更多的还是迷茫，毫无疑问价格与画幅是单调递增的关系，那么中画幅的贵究竟贵在何处，它是不是真能碾压其他更小画幅成像系统，就趁今天还有点儿空闲，就来与大家一起讨论讨论吧。
首先，与M43、APS-C、全画幅能做到机身体型相当接近，拍摄目的也几乎一致不同，中画幅无论体型还是工作用途都有着显著的区别，所以“全画幅可替代APS-C”这话几乎没问题，但“中画幅可替代全画幅”就完全是错误的。
从历史沿革来看，登场顺序基本是大画幅、中画幅、全画幅再到更小画幅，中画幅是大画幅的妥协，全画幅是中画幅的妥协……而妥协的双方是什么？其实就是用输出尺寸（数码时代就是分辨率）换便利性。也就是说，全画幅以及更小画幅的特点是轻巧和速度，而中画幅往上的特点则是绝对的成像质量。
那么具体来说，什么是成像质量，又或者说如何定义“画质好”，从统计学和信号学的角度来说，对成像系统而言：采样率、信噪比、动态范围是三个比较重要的指标。采样率其实就是像素总数，对于同一空间而言，在相同等效焦距、相同放大倍率、相同光照条件的情况下，以富士GFX50S为例，它有5060万像素，而富士X-T3就只有2600万像素，这意味着GFX50S的空间采样率足足比X-T3高出了接近1倍，在粗暴假设它俩镜头像差完全一致的情况下，中画幅的解析力会明显高出1倍，而且当它们同时输出到829万像素4K显示器上时，GFX50S有2.6档信噪比增益，而X-T3只有1.6档，所以此时中画幅的信噪比又要再高出1档。
更有趣的事实还有：2600万像素的APS-C，像素密度与1亿像素的48x40、1.5亿像素的60x48是完全相同的，像元边长都是3.76微米，而GFX50S的像元则有5.3微米，所以中画幅可以在单位像素面积更大的情况下，凭借传感器总面积的绝对优势获得更高的输出分辨率。而像元尺寸大小与电荷阱阱容、灵敏度阈值都有着相当重要的关系：5.3微米像元满阱可以做到21000电子数，而3.76微米像元大多就只在15000电子数以内，即便前者读出噪声高出1倍，但像素信噪比就依然可以领先近2dB，再加上高像素总数空间采样率带来的缩图增益，信噪比差距会进一步加大。而灵敏度阈值就更是与像元尺寸直接挂钩了，它代表了产生等同于传感器噪声电子数所需的光子数，显然，这个阈值越低，说明传感器能在越黑暗的环境下输出有意义的图像，在同等技术的前提下，像元越大阈值越低（所以很多森林防火监控系统会采用大传感器低像素密度的型号）。
不过，与很多高像素总数机型一样，GFX50S传感器没有覆盖低通滤镜，这意味着它的锐度是有保证的，但同时因为像素密度相对较小，面对高频信号时就容易出现摩尔纹和伪色：
这里就顺便解释了一个问题：同为5000万像素左右的5DSR是否能与GFX50S一战？单看缩图倍率两者是一样的，但在工艺相同的情况下：要么是像元尺寸的差距使得中画幅信噪比依然高出一个台阶；要么就是像元尺寸接近，但中画幅更高的像素总数让它的采样率激增，从而实现更高的像方分辨率和重获缩图倍率优势。
动态范围方面，根据定义，满阱容量越大、读取/复位噪声越小，峰值动态范围就越高，也可变相理解为：最大不溢出满阱电子数/信噪比等于1时的电子数。因此不难发现如果抛开分辨率，单纯看动态范围，那像元尺寸就成了一个关键值，像元越大就越容易实现高动态范围，如果把风光摄影的另一项重点：分辨率也算进来一起看的话，恰恰也能体现中画幅的相对优势，因为即便是全画幅风光最强级别的尼康D850，像元尺寸也只有4.3微米左右，GFX50S总像素多出500万的情况下像元还更大，就更有利于做高动态范围和高信噪比，更何况中画幅往往都是16bit模数转换，比全画幅主力的14bit精度更高。
但在动态范围方面全画幅不是没有机会，因为4433中画幅与全画幅实质上只有0.3档的通光量差，用高阱容二极管设计就能把这个差距给补回来，D850的双增益设计使得它可以暴力增大光电二极管阱容，实现原生感光度的进一步下探，所以它在ISO 64时的动态范围并不输ISO 100的GFX50S。但毕竟这是弯道超车，论上限还是中画幅更容易做高（因为理论上中画幅也能做双增益）。
信噪比就简单了，全传感器总电子数/总噪声电子数（或像素亮度均值/像素亮度方差），在工艺相当的情况下，更大的画幅更有利，而极值也可以通过降低原生ISO来提高。上一张DxO关于D850和645Z的SNR测试对比就一目了然：
事实上GFX50S的高感光度信噪比从视觉上也能看出明显是有优势的：
不过说到ISO就还得说标定标准，同为F4、1/20秒、ISO 6400，GFX50S的输出亮度不如佳能全画幅，这说明它的同ISO数值电压放大增益倍率相对较低，这一点与自家的X-T3是一致的：
可以看到左侧的GFX50S明显更暗，但抛开标定的层面，单说机身的成像质量上限，中画幅先天就高出更小画幅一截。但完整的成像系统还包含了镜头，因为像场较大的关系，中画幅镜头有着比较鲜明的特点，首先是它的速度明显比全画幅慢，超过F2的大光圈镜头很少，而当代全画幅镜头早已有F0.95的设计，胶片时代1965年尼康就有F1.2全画幅标准镜头出现，那么中画幅为什么鲜有我们印象中的“大光圈”？先从设计来找原因，主要因为像场大，像高高，而包括慧差、纵向横向Petzval曲率、纵向横向像散场曲、畸变、横向色差都直接与像高成等比，部分甚至是幂函数关系，如果要做大光圈就意味着需要强力的大口径特殊镜片或独特设计来补偿像差，会更进一步的提高设计成本，而单看富士GF镜头也不难发现它本身也是在尽量控制体型，以GF63mm F2.8为例，它的前组是标准镜头常用的双高斯设计，而且口径相对较小，后组扩束（也算增倍）后以较大的出射角覆盖像场边缘，但就算如此，它405克的体重也比全画幅的50mm F1.4镜头要重了不少（佳能为290克），直径粗了10mm，长度长了近20mm。
更何况就像一开始强调的那样，中画幅本身是以画质取胜，沉下心来上架子以小光圈拍摄以求像场均匀才是常态（没看到都还是反差对焦么？），强行堆料上大光圈并不符合它的应用目的（但不是没办法解决，这个后面再说）。
这里顺便聊一个镜头分辨率的话题，从输出结果来看，分辨率主要有lp/mm（每毫米底片能识别多少线对）、cy/px（每像素周期，每个像素能区分多少线对，理论峰值是0.5，也就是1个像素代表一条黑线，邻接像素则是白色间隔）和LW/PH（一个给定画幅能塞入多少条线），不难发现LW/PH是整块传感器的总数，lp/mm和cy/px是单位密度。有不少人都认为M43的镜头分辨率更高，的确，单论pl/mm或cy/px的话因为画幅越小像素密度越大，像索尼IMX318这种像元仅1微米的1/2.6英寸传感器甚至可以做到500lp/mm的分辨率，而主要的中画幅镜头“只能”做到60~80pl/mm，这么比起来差别是很大。但如果看整块传感器对空间采样，IMX318可以做到横向6811LW/PH，纵向5254LW/PH，而假设GFX50S使用80pl/mm分辨率镜头，那么它就是横向7008LW/PH，纵向5264LW/PH，镜头分辨率总值依然更高，而且像施耐德Digitar系列可以在中画幅甚至大画幅上实现200pl/mm级单位分辨率。
简单来看就是这样一张图：
都是48条竖线，很明显，左侧小画幅的单位密度更大，如果在大画幅中裁切出等于小画幅尺寸的画面，线条数目也明显更少。所以有的朋友认为以M43镜头为了满足小画幅高像素密度，所以镜头分辨率也更高，但这里有非常重要的问题是忽略了放大倍率的差别：我们在对比系统分辨率时自然应该按相同的等效焦距和放大倍率来进行（之前的中画幅数码长焦就是不符合逻辑的好奇心测试），两个不同画幅但相同像素总数的系统拍摄这48条线，在等效焦距和放大倍率一致的情况下，于同一块显示器上观看几乎没有区别，而且大画幅也更有利于填进去更多的线条（像素），在总输出分辨率更高的情况下衍射的影响更小。
但最关键的地方在于，上述计算并没有代入MTF值（也就是这些黑白正弦标线在镜头光学传递之后对比度还剩多少），要知道对于不同数值的lp/mm，MTF值是完全不同的，以多少为标准其实ISO组织有过规定，但现实中的datasheet大多也没有严格遵循它来进行标定（比如有的会按MTF30，也就是30%对比度来算，而有的则按MTF20来算），所以直接对比没有什么意义。且轴上与轴外会因为像差的影响存在明显的数值差异，也几乎没有厂商会拿出这样的数据来分享给用户。
事实上一个无像差透镜系统的截至频率是1/λ（f/#），λ是光波长，f/#就是系统的相对孔径，变量很简单，限制光学系统达到理论极限分辨率的主要是像差（主要特征就是随孔径和像场增加而增加），而且成像系统的最终输出分辨率非常依赖于采样率，也就是像素总数，用于相机的成像系统远远没有达到分辨率极限水平。真正在光学分辨率上走得靠前的是光刻机，想想为什么7nm往后的制程要上EUV？回到本段最前面的公式不难发现，与DUV相比，EUV的光源波长从193nm降低到了13.4nm，从而提高了极限分辨率上限，更有利于先进制程的可持续性。
而且对于高分辨率成像系统来说，空间频率测试也不单纯使用对数频率线对或喇叭图，而是主要以一个有倾斜角度的黑色刃边为测试靶（仔细看上图中就有不少），因为即便是这种简单的方波，也是由无限个不同频率的正弦与余弦分布图形做组成，利用测试软件可以很快速的算出不同MTF值的等效cy/px和LW/PH，精度还很高。
其实现有大多数全画幅镜头的像场都超过了36x24，因此转接全画幅镜头是4433中画幅比较有意思的玩法之一，比如移轴镜头都具备显著增大的像场，几乎可以简单粗暴地理解它们就是4433中画幅镜头（不过是裁切了全画幅的部分在像场内做移轴），所以这类镜头的光圈值也不高，但像佳能TS-E 17mm F4转接GFX50S后几乎没有遮挡，而且像场还有一定的富余可以继续偏移和倾斜，等效13mm F3的规格已经可以吊打原厂了。最重要的是如果你想要体验极致虚化效果，还可以转接85mm F1.2等镜头，在边缘会有一点遮挡，但换个思路这也就是所谓的氛围感，转接后等效规格就是惊人的65mm F0.92，单看虚化效果已经可以吊打原厂甚至99%的全画幅镜头了。
顺带对比一下不同画幅的景深吧：
上图为M43 25mm F2.8
上图为M43 25mm F1.2
上图为全画幅50mm F2.8
上图为GFX50S 63mm F2.8
上图为全画幅50mm F1.2，不难发现景深是逐步降低的，特别是最后这张，虚化的背后就是全画幅在速度端的传统优势体现。
因此，中画幅的画质优势本质上就是能以更大的像元尺寸来实现更高的像素总数，从而在动态范围/信噪比/灵敏度/输出分辨率等各个方面都能实现全面增益，但相机本身作为工具，不同的拍摄目的和不同的拍摄体验都会带来本质上的差距，中画幅无法替代全画幅成为奥运会赛场的拍摄主力，也不可能替代动物园里为老法师拍飞鸟赚长焦的M43，更不可能成为大家拍完就发朋友圈的主力机型，它是一套复杂但明确分工的高品质成像系统环节之一，提供上限更高的原始图像才是它的本质工作，但它还需要拥有出色后期技术的人，在性能与效果出色的PC上进行处理后，再以较大尺寸输出才能体现其真正的价值。而眼下的全画幅正在拼命朝高速化发展（但不是说较大的画幅不能做高速，如果是12bit模数转换，66x27.5规格的6000万像素传感器也能做10fps输出，换句话说就是：给钱就行），两者的定位差距也会越来越大，我的日常GFX50S应用就是待在棚内，偶尔拍一下风光，所以说正视差别的同时，最重要是在正确的场合用正确的系统，才能得到正确的结果。
PS：GFX50S的评测网上有很多，我就不再赘述了，对它有兴趣的朋友可以在留言区一起讨论，多谢支持。