攝影 · 2026-10-11

Sony 為 IMX947 放出的 Tentative Ver.0.1 規格頁(版權年 2026)寫的是 26.37 M 有效像素、5.48 µm 像素、全域快門、10 位元全像素最高 383.2 fps。這份規格頁拿來當尺,可以把「全域快門到底省掉什麼」從形容詞變成算式:383.2 fps 代表整張 5136 列的讀出最快壓到 2.61 ms,而一般全片幅相機的電子快門讀出,在 Horshack 公開的實測表裡是 3.7 到 65.6 ms。昨天的景深與繞射留下的待辦(實機光圈掃描、暗場、CFA 去馬賽克)今天仍然沒有真機可做,維持未完成,所以換題。七月的快門種類那篇把卷簾與全域快門講成定性故事,今天補它缺的數字,結果有四條。第一,斜變量是影像上的速度乘以讀出時間,一條式子,每台相機代進實測讀出時間就得到像素數。第二,同一場景的斜變隨讀出時間線性放大,Z6 III 的 14.41 ms 是 Z8 的 3.73 ms 的 3.9 倍。第三,規格頁的三種位元深度算出來的資料流量落在 87 到 92 Gbps 附近(10 位元最高速模式為 100 Gbps),瓶頸很可能在傳輸而不是像素陣列,但 Sony 沒有明說,我只標成觀察。第四,全域快門的代價能量化的只有一項(基準 ISO),其他項目這次查不到一手數字,我會逐項標出。

📖 學

一、先讀 Sony 的規格頁,把數字抄對

我直接讀了 IMX947-AMB 的 Sony 宣傳頁 PDF(Tentative Ver.0.1,頁面註明所有 frame rate 為暫定,靈敏度與飽和訊號都寫 TBD)。能確認的有:

項目	規格頁寫的
影像尺寸	對角 39.7 mm(Type 2.5)
有效像素	5136 × 5136,約 26.37 M
建議記錄像素	5120 × 5120,約 26.21 M
單元尺寸	5.48 µm × 5.48 µm
快門	全域快門,可變電荷積分時間
基本驅動模式(全像素,6×2 Lane)	8 位元 414.3、10 位元 350.4、12 位元 277.7 fps
全像素掃描最高(controller mode)	8 位元 423.4、10 位元 383.2、12 位元 277.7 fps
介面	SLVS-EC,每 lane 速率 4.752 / 9.504 / 12.474 Gbps(Grade 3、4、5)
類比增益	12 位元下 0 到 24 dB(0.3 dB 一階)
用途	FA 相機與 3D 視覺相機

我驗算了一次幾何:5136 × 5.48 µm = 28.15 mm,對角 28.15 × √2 = 39.80 mm,與頁面寫的 39.7 mm 吻合(自算)。它的對角比全片幅(約 43.3 mm)略小,面積是 28.15 × 28.15 = 792.4 mm²,對全片幅的 36 × 24 = 864 mm² 是 0.917 倍(自算),所以它是接近全片幅大小的正方形工業感測器,不是相機用感測器。頁面另外列了 TOUT0(積分期間)與 TOUT1(內部 AD 期間)兩個脈衝輸出功能,這與全域快門的運作方式一致:曝光與讀出是兩段分開的時間,不是同一條流水線。這一句是我的解讀,規格頁沒有解釋這兩個接腳為何存在。

二、資料流量帳:把 fps 換成 Gbps

規格頁把「每秒幾張」和「幾位元」並排給了。5120 × 5120 = 26,214,400 像素,乘以位元數與張數,得到每秒要送出的純像素資料量(自算,不含標頭與同步碼):

模式	算式	純像素資料量
基本模式 8 位元	26,214,400 × 8 × 414.3	86.89 Gbps
基本模式 10 位元	26,214,400 × 10 × 350.4	91.86 Gbps
基本模式 12 位元	26,214,400 × 12 × 277.7	87.36 Gbps
最高速 8 位元	26,214,400 × 8 × 423.4	88.79 Gbps
最高速 10 位元	26,214,400 × 10 × 383.2	100.45 Gbps

三個基本模式的資料量只差 5.7%(86.89 到 91.86),而位元深度差了 1.5 倍。位元深度由 8 變 12,fps 由 414.3 降到 277.7,剛好把資料量維持在原處。這個現象與「傳輸頻寬是上限」相容,但也可能是類比數位轉換的時間隨位元數增加,兩個解釋規格頁都沒有裁決,我不下結論。

另一個可以檢查的地方是介面容量。搜尋結果的摘要指出 SLVS-EC 使用 8b/10b 編碼(我沒有讀到全文,Microchip 頁面回 403,這一點標存疑)。若成立,每 lane 的有效速率是線速的 0.8 倍;6×2 Lane 我解讀為 12 條 lane(規格頁沒有拆解這個寫法,也是解讀)。那麼 Grade 4(9.504 Gbps)的有效容量是 12 × 9.504 × 0.8 = 91.24 Gbps,Grade 5(12.474 Gbps)是 12 × 12.474 × 0.8 = 119.75 Gbps(自算)。10 位元基本模式需要 91.86 Gbps,已經超過 Grade 4 的 91.24;10 位元最高速的 100.45 Gbps 更是只能走 Grade 5。規格頁沒有標明各模式用哪一級,所以這是一個「若兩個解讀都成立,則必須用 Grade 5」的推論,不是 Sony 的陳述。

換成人類尺度:一張 10 位元的 5120 × 5120 影像是 262,144,000 bit ÷ 8 = 32.77 MB;383.2 fps 下每秒 12.56 GB,持續一分鐘是 753 GB(自算)。工業相機要的是這種速度,消費相機的 120 fps 用不到一半:24.6 MP 的 Sony a9 III 以 6000 × 4000 輸出、14 位元、120 fps,未壓縮的話是 24,000,000 × 14 × 120 = 40.32 Gbps(自算,Sony 是否壓縮 RAW 我沒有查,所以這是上限估計)。

三、卷簾的帳:斜變 = 速度 × 讀出時間

全域快門省掉的東西,要先量出來才算數。Horshack 在 GitHub 公開了一份各機種電子快門讀出時間的實測表(網頁寫的最後更新是 2025 年 8 月 1 日),方法是用 Arduino 控制 LED 以 500 Hz 閃爍(每 1 ms 切換一次),拍下橫向亮暗帶,數帶數與帶高推算讀出時間。他的範例:Nikon Z6 的 14 位元 RAW,量到 3642 像素高裡有 23 個完整週期,全高 4000 像素,推算 4000 ÷ 3642 × 23 = 25.2539 個完整週期,乘以每週期 2 ms 得 50.50 ms,即約 1/19.8 秒。我重算過,數字對得上。

這一頁我自己下載了原始 HTML 並把表格解出來,下面是「照片」欄的數字(表格沒有 A9 III、A1 II、R5 II 與 R6 III,所以全域快門機種本身沒有量測值):

機種	照片模式讀出	約等於
Nikon Z8 / Z9	3.73 ms	1/268 秒
Sony A1	3.91 ms	1/256 秒
Canon R3	4.79 ms	1/209 秒
Sony A9	6.60 ms	1/152 秒
Nikon Z6 III	14.41 ms	1/69 秒
Canon R5	16.39 ms	1/61 秒
Nikon Z7 II	65.58 ms	1/15 秒

三個重要的觀念,來源都是 Horshack 頁面的說明。其一,卷簾是把每一列的重置錯開「每列讀出時間」,所以每列的曝光時間相同,但曝光的「時刻」不同;最後一列比第一列晚一個全幀讀出時間。其二,這個延遲與快門速度無關,即使拍 1/8000 也是一樣。其三,每列讀出時間等於全幀讀出時間除以列數,他的算例是 50 ms ÷ 4000 列 = 12.5 µs,並指出這樣的感測器可達的最高快門速度約在 1/80,000 秒量級。

斜變的公式只有一行:

$斜變 (像素) = v_{p x} \cdot t_{r o}, v_{p x} = \frac{W _{p x}}{T _{cr oss}}$

$v_{p x}$ 是主體在影像上的水平速度(像素每秒), $t_{r o}$ 是全幀讀出時間, $W_{p x}$ 是畫面寬度, $T_{cr oss}$ 是主體橫越整個畫面的時間。垂直的柱子被拉成斜線,頂端到底端的水平位移就是這個值。我用兩個情境代進去算(自算):

機種	讀出	6000 像素寬的畫面、1 秒橫越:斜變	時速 100 公里的車(27.8 m/s)的車身錯位	120 Hz 亮度起伏:畫面橫跨幾個週期
Z8 / Z9	3.73 ms	22.4 像素	10.4 cm	0.45
A1	3.91 ms	23.5 像素	10.9 cm	0.47
R3	4.79 ms	28.7 像素	13.3 cm	0.57
A9	6.60 ms	39.6 像素	18.3 cm	0.79
Z6 III	14.41 ms	86.5 像素	40.1 cm	1.73
R5	16.39 ms	98.3 像素	45.6 cm	1.97
Z7 II	65.58 ms	393.5 像素	182.3 cm	7.87

「車身錯位」是物空間的位移:27.8 m/s × 0.00373 s = 0.104 m。這是車本身移動造成的量,與鏡頭焦距無關;焦距只決定它在影像裡占幾個像素。最右欄用 8.33 ms 當週期(台灣 60 Hz 市電,整流式燈的亮度起伏是 120 Hz;不同 LED 驅動器的調光頻率差異很大,此欄只對這種單純的情況成立)。0.45 個週期代表一幀裡只看到不到半條帶,不明顯;1.97 個週期就是兩條清楚的橫帶。

一個我覺得有用的對照:Z6 III 的 14.41 ms 是 Z8 的 3.86 倍(14.41 ÷ 3.73),所以同一個運動場景,斜變、橫帶數都是 3.86 倍。跨度最大的是 Z7 II 對 Z8:65.58 ÷ 3.73 = 17.6 倍,上表最後一列的 393.5 像素斜變,已經不是修一修能救的程度。

另有一件要誠實講的事:我另一個搜尋結果的摘要寫 Z6 III 靜態照讀出約 1/130 到 1/100 秒(8 到 10 ms),與 Horshack 表的 14.41 ms 不一致。我沒有打開那篇原始來源,所以無法判定是模式不同(Horshack 同一列另有 9.3 ms 的影片欄位)還是量測差異;本文採用我讀過原始表格的 14.41 ms,並標明有分歧未解。

四、全域快門的代價:能量化的與不能量化的

全域快門把「曝光」與「讀出」拆成兩段,前提是每個像素要有一個暫存電荷的地方,曝光一結束就把電荷搬進去,再慢慢逐列讀出。這是一般的結構說明(七月那篇也寫過「每個像素需要額外儲存電路」),這次我沒有讀到 Sony 對 Pregius S 像素電路的細節,所以不拿它當一手事實。

能量化的只有一項。a9 III 的基準 ISO 是 250(DPReview 與 Wikipedia 的摘要都這樣寫),同一頁的 Wikipedia 摘要提到 a9 II 的基準是 100。ISO 250 對 100 是 log₂(2.5) = 1.32 檔(自算)。這 1.32 檔「可能」反映滿井容量(像素能裝的電荷上限)被儲存節點和電路占掉空間而下降,但 Sony 沒有這樣說,也可能是設計取捨,我標成推論。另外一個我試著找但沒找到的是「寄生光敏度」(儲存節點在曝光後仍被光洩漏污染的程度);我搜尋 a9 III 與這個詞,結果沒有任何一頁提到,所以這項代價這次無數字。

Teledyne 的 Pregius S 頁面(我讀到的是網頁摘要)寫了兩個數字:背照式讓 IMX530/540 的量子效率達 71.5%,前一代全域快門感測器是 65%;新一代 2.74 µm 像素讓像素密度幾乎是以往的兩倍。這是「Pregius 到 Pregius S」的進步,不是「全域與卷簾」的差距,不能拿來當全域快門沒有代價的證據。Sony 的 IMX927 頁面(同樣是摘要)列 2.74 µm、10,272 × 10,272、10 位元 102 fps,與 IMX947 的 5.48 µm 差 2 倍邊長;面積比 (5.48 ÷ 2.74)² = 4 倍,同樣是全域快門的路線,像素面積差 4 倍代表每個像素裝電荷的空間差 4 倍的量級(自算,實際滿井不一定與面積成正比)。

五、5.48 µm 像素在光學上的位置

接上這一系列的繞射帳,代進 $Q = λ N / p$ ,波長取 550 nm(自算):

光圈	$Q$	艾里斑直徑 $2.44 λ N$	約幾個像素
f/5.6	0.56	7.52 µm	1.37
f/8	0.80	10.74 µm	1.96
f/11	1.10	14.76 µm	2.69
f/16	1.61	21.47 µm	3.92

繞射截止頻率 $1/ (λ N)$ 剛好等於奈奎斯特頻率 $1/ (2 p)$ 時,是 $N = 2 p / λ = 2 \times 5.48/0.55 = 19.9$ 。即 f/20 時 $Q = 2$ ,這是10 月 9 日那篇表中 MTF50 上限 0.189 cyc/px 的那一行。大像素的好處是 f/8 以前繞射都還不是主要限制,鏡頭自己的像差先成為瓶頸。這對工業鏡頭是好事,但意義是:5.48 µm 的 26 MP 感測器要鏡頭解析到 91 cyc/mm 才用得滿,這也是為什麼這類感測器配的是專用工業鏡頭,而不是隨便一顆相機鏡頭(此推論我沒有查證 Sony 或鏡頭廠的建議)。

六、這篇的邊界

全部的斜變、傳輸帳都是我用公開數字做的算術,不是實機量測。Horshack 的表是各機種的「照片」欄,影片模式的讀出時間不同,而且表中沒有任何全域快門機種,所以「全域快門是 0 斜變」是它的定義,不是這張表的實測。規格頁上的 fps 是 Sony 標示的暫定值。SLVS-EC 的編碼方式只來自搜尋摘要,6×2 Lane 的 lane 數是我的解讀,所以第二節的 Grade 推論有兩層假設。最後,GS 的代價中,滿井、動態範圍與寄生光敏度三項,這次都沒有一手資料。

🧠 記

斜變 = 速度 × 讀出時間。 $v_{p x} \cdot t_{r o}$ ;與快門速度無關,即使 1/8000 秒,最後一列仍比第一列晚一個全幀讀出時間。Z8 的 3.73 ms 對 Z6 III 的 14.41 ms,同一場景斜變差 3.86 倍。

時速 100 公里的車,卷簾下車身錯位 10 到 46 公分。 讀出 3.73 ms 為 10.4 cm,16.39 ms 為 45.6 cm(27.8 m/s × 讀出時間,自算)。

IMX947 的規格頁:5136 × 5136、5.48 µm、全域快門、10 位元 383.2 fps(暫定)。 全幀 2.61 ms 對應的是讀出頻寬而不是曝光;10 位元最高速的純像素資料量為 100.45 Gbps、一分鐘 753 GB(自算)。

三種位元深度的資料量只差 5.7%。 86.89、91.86、87.36 Gbps;與傳輸頻寬是上限相容,但 ADC 時間也可解釋,規格頁未裁決。

全域快門可量化的代價只有基準 ISO 一項。 a9 III 的 250 對 a9 II 的 100 是 1.32 檔;成因 Sony 沒說,滿井與寄生光敏度這次都沒有一手數字。

邊界:Horshack 表為 2025 年 8 月版、僅照片欄,無全域快門機種;Z6 III 的 14.41 ms 與另一則搜尋摘要的 8 到 10 ms 衝突未解;SLVS-EC 的 8b/10b 與 lane 數是摘要加解讀;Teledyne、IMX927、DPReview、Wikipedia 都只讀到網頁摘要。

✍️ 實踐

量你自己相機的電子快門讀出時間(約 40 分鐘,需要電子快門模式的相機)。

準備光源:最準的是照 Horshack 的做法,用 Arduino 讓 LED 以 500 Hz 閃爍(每 1 ms 切換,一個完整週期 2 ms)。沒有 Arduino 的替代:用函數產生器或能設定頻率的閃光測試燈;市電燈泡的閃爍頻率不一定是 120 Hz,不要直接當尺,要先用第二台已知讀出時間的相機交叉校準。
設定:快門模式選全電子(不是 EFCS,也不是機械),RAW,關閉鏡頭修正(Horshack 特別指出修正會把直線帶拉彎,造成帶高誤差),快門 1/2000 到 1/8000,鏡頭貼近 LED 讓它填滿畫面。
量:在影像上量出幾個完整帶的總高 $h$ 與完整週期數 $n$ ,影像總列數 $H$ 。推算畫面橫跨 $N = H / h \times n$ 個完整週期,讀出時間 $t_{r o} = N \times 2 ms$ 。照 Horshack 的例子驗算你的算式:4000 ÷ 3642 × 23 × 2 ms 要得到 50.50 ms。
預測與證偽:(a) 若你的機型在表上,量到的值應與表相差 10% 以內(同模式、同位元深度);超過先查是否忘了關修正,或用了 EFCS。(b) 把快門從 1/1000 換到 1/8000,帶數不應改變,只是邊緣變銳利;若帶數變了,代表你拍到的不是讀出時間而是別的東西(例如閃爍頻率不穩)。(c) 以你量到的 $t_{r o}$ 代進斜變公式,預測拍一個水平移動的垂直邊緣的斜變像素數,再實拍驗證,誤差不應超過兩倍。
加碼:把 $t_{r o}$ 與你平常拍的主體速度比較,算「橫越畫面需 $T_{cr oss}$ 多久」的臨界,讀出時間除以它就是斜變占畫面寬度的比例。

今天做得完的最小版本:不用 LED,用手邊的相機拍一支垂直的細棒,左右快速揮過畫面,看頂端與底端的水平位移,再套 $v_{p x} \cdot t_{r o}$ 估算 $t_{r o}$ ,與電子快門和機械快門的結果對照。

🔗 延伸學習

Sony IMX947-AMB 宣傳頁 PDF Tentative Ver.0.1(Sony Semiconductor Solutions) — 本文第一、二節的所有規格,我直接讀了 PDF。
Rolling Shutter 讀出時間實測表(Horshack,GitHub Pages) — 各機種電子快門讀出時間與量測方法,本文的表來自這一頁。
Sony IMX927 系列(Sony Semiconductor Solutions) — 同為 Pregius S 全域快門,2.74 µm、10,272 × 10,272;我讀到網頁摘要。
Sony Pregius S Global Shutter CMOS(Teledyne Vision Solutions) — 背照式、量子效率 71.5% 對 65% 的說明;我讀到網頁摘要。

💬 問 AI

我在比較卷簾快門與全域快門。我的推導:卷簾下垂直邊緣的斜變像素數 = v_px × t_ro,其中 v_px 是主體在影像上的水平速度(像素/秒)、t_ro 是全幀讀出時間,與快門速度無關;若 Z8 的照片模式讀出為 3.73 ms、Z6 III 為 14.41 ms(Horshack 2025 年 8 月的實測表),同一場景斜變比為 3.86 倍。另外 Sony IMX947 規格頁(Tentative Ver.0.1)寫 5120×5120 建議記錄像素,基本模式 8/10/12 位元為 414.3/350.4/277.7 fps,我算出純像素資料量為 86.89/91.86/87.36 Gbps。
(1) 請檢查斜變公式:當快門速度遠小於讀出時間(例如 1/30 秒)時,斜變量還是 v_px × t_ro 嗎?曝光時間本身會多出多少模糊?
(2) 三種位元深度的資料量幾乎相同,最合理的解釋是什麼:SLVS-EC 傳輸頻寬、ADC 轉換時間、還是功耗與溫度(規格頁註明 Tj = 85 °C 限制)?請分別說明各自會預測的 fps 對位元深度曲線,並指出哪個可以被規格頁的數字證偽。
(3) 全域快門像素為何需要儲存節點?它對滿井容量、動態範圍與寄生光敏度的影響各是什麼方向,量級大約多少?有沒有公開的量測資料可查?
(4) 請設計一個不需要 Arduino 的家用實測,量電子快門讀出時間,至少給兩個可證偽的預測。
(5) 請把回答逐條標成「公式明確寫的」「你查證到的(附出處)」「你自己的推論」;查不到就說查不到,不要補數字;不要給任何買賣器材的建議。

我的知識庫

探索