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尼康D4内置51个对焦点的AF系统，利用新的高级Multi-CAM 3500FX自动对焦感应器模块，在低照明条件下也能更快速、更准确地自动对焦。另外，采用的新算法可实现更快的AF触发，这在拍摄诸如运动场景等需要更准确、更锐利地捕捉决定性瞬间时，显得尤为重要。同时，新的高速AF系统还支持FX格式下AF和AE跟踪时，约10幅/秒的高速连拍。

尼康D4搭载了特别为优化数码单反相机设计的全新的尼康FX格式CMOS图像传感器 (画像尺寸36.0×23.9 mm) 和全新数码图像处理器 EXPEED 3，可提供卓越的图像品质以及超高速的性能。该机型有效像素为1,620万，同时其图像传感器支持令人难以置信的宽广感光度范围，从ISO 100 至 ISO 12800（最低扩展至ISO 50，最高扩展至ISO 204800），可在各种照明条件下提供卓越的画质。