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核心性能上，佳能1D X Mark II采用了新开发的约2020万有效像素全画幅CMOS图像感应器，同时该机也是EOS首款应用“全像素双核CMOS AF技术”的全画幅机型。1D X Mark II配备了双DIGIC 6+影像处理器，在EOS产品中首次实现了机内数码镜头优化，令画质进一步提升。在持续进行追踪自动对焦和自动曝光时，1D X Mark II最高可实现约14张/秒高速连拍；而在实时取景模式下，1D X Mark II可达到最高约16张/秒的连拍速度（自动对焦及自动曝光第一张锁定）。新CMOS图像感应器的信噪比因此得以进一步改善，其标准感光度最高可达到ISO 51200，扩展感光度最高可达ISO 409600。