快速反差对焦的秘密
夏昆冈 于 2013.02.24 19:06:31 | 源自:www.soomal.com | 版权:原创 | 平均/总评分:09.68/484

同样是反差对焦,为什么速度差异那么大?这其中有不少关键技术,之前我们也写过这方面的科普文章,这篇争取更详尽的描述一下。决定反差对焦速度的有三个关键点:刷新率、算法以及镜头的设计。

反差对焦的基本原理

反差对焦的基本原理很简单。

我们之前写过数字图像入门,强调了一个最基本的概念,就是图像其实就是一个数字矩阵,像素的亮度值、色彩值都是可以用整数来表达的。而相机通过对焦框获得场景中的一小块图像,其实也就是获得了一个小规模的数字矩阵,通过对比这矩阵中的最大值和最小值的值差,就能确定反差程度。仅有一帧图像是不够的,需要一组序列图像才行,通过对比一组图像的反差,确定反差最大的那帧,即为合焦帧,就是对上了焦的那帧。这是反差对焦的基本原理,是一个很简单的数字对比过程,并没有什么奥秘可言。

要让筛选变快,需要两个条件,一个是降低序列图像的规模,减少对比次数;一个是更加快速密集的数据源,让数据提供变得更快。

对焦过程

为了说明对焦点位置和影像清晰度的关系,我们又补充了一张图。使用F1-F8来表示8个不同的焦点位置与被摄物体影像清晰度的关系。

我们可以将反差式对焦大致过程简单描述:

  • 驱动镜头,沿着指向被摄物的轴线改变对焦点,并在每个对焦点上获取影像,类似于逐点扫描
    先将每一个焦点上获得的影像数字化,即一个整数矩阵
    求出图像的反差值,其实就是简单的数值比较运算,求最大值和最小值的值差。
    将每一个焦点上得到的反差值进行比较,得到最大值
    驱动镜头,将焦点放置于反差值最大的焦点上,即得到正确的焦点,即对焦完成

感光器的采样帧率

感光器的采样帧率,也被称为实时刷新率,这个参数一直不愿意被提及,除了松下,因为大部分感光器的这个参数有些羞于见人,这也是很多相机反差对焦性能不佳的关键原因。

目前最高性能的采感光器用帧率可达240FPS,这个240FPS不是指的它可以完成每秒240帧静态图像的拍摄,也不是指其可以实现240FPS的视频拍摄,所谓采样帧率,就是指的在取景模式下,感光器的每秒采样帧数,参数越高,感光器传递给图形处理器的数据也就越密集。相比老的感光器30FPS的水准,新感光器获取10帧的时间由1/3秒缩短到了只要1/24秒。

镜头的采样帧率

镜头也有采样帧率的概念,也是用FPS这个帧率单位表达。反差式对焦的过程中,会驱动镜头搜寻焦点,而每秒的驱动次数,也就是采样帧率,也可以理解为镜头的驱动频率,即镜头可以每秒钟被马达驱动N次,即焦点可以更改N次。

镜头要实现高采样帧率,也需要新的设计。在之前的单反自动镜头设计中,多采用直流马达、音圈马达、超声波马达,这些马达的换能方式不尽相同,但工作状态却很相似的。随着反差对焦技术的兴起,一种以前不太被重视的马达类型也得到更大范围的应用,这种马达就是步进马达。

步进马达是利用脉冲信号来完成指令控制,每一次脉冲都能精确的控制转动角度,而且不存在积累性误差,因此驱动镜片的距离也是可以得到精确控制的,这是步进马达与其他马达最大的不同。而这种特性,非常适合与反差对焦方式配合,反差对焦需要沿着轴线搜寻焦点,而每一个搜寻点需要有精确的位置,以便返回,因此步进马达是最佳的搭档。

在当年,步进马达不受重视的重要原因就是步进马达的驱动频率较低,导致了其整体的驱动效率不够,但随着机电水平的进步,这些问题已经获得解决。

只是提高步进马达的驱动频率还不够,因为小型化设计中,马达自身的体积受限,马达驱动力也会因此受限,要确保每次驱动都及时到位,需要对镜头进行优化,要让马达尽可能的少驱动镜片,尽可能的只驱动小型轻量镜片,这样每次驱动才能实现快速反应。这种设计被运用到某些新镜头设计当中,顶级的M.zuiko 75毫米定焦镜头,仅仅需要驱动一枚很小的镜片即可完成对焦,这样的设计,效率能得到最大化的保证。

当新型的马达和新型的镜头设计能灵活的配合运用时,镜头的采样帧率才能达到理想的水平,只有镜头帧率大于等于感光器帧率时,感光器的采样帧率才会有实际意义,感光器的每一帧才能算得上是新的采样。

算法的影响

有了密集的高频率数据源,在算法不变的情况下,对焦速度显然会明显的提高。反差式对焦的过程会对焦点进行一次甚至多次前后扫描,如果扫描点是沿着轴线均匀分布,那么对焦效率是最低的。

还是用前面的图作为演示,该例中,使用了8帧得到了焦点。如果在F1时,发现反差值较低,直接跳过F2到F3,会侦测到反差值得到了迅速提高,此时再缩小“跳跃距离”进入到F4、F5,这样一来就节省了一帧,速度自然就加快了。当进入到F6、F7时,会发现反差值在下降,此时可以判断为已经越过正确的焦点,从而停止进入F8的动作,这样整个过程节省了2帧,速度可以提升25%。这就是算法对速度的影响。

实际情况远比这复杂,最典型的莫过于弱光环境下的对焦,弱光环境中获得图像反差度较低,而且感光器也容易出现更多杂讯,这些都会干扰判断,如果从一组图像中筛选出焦点,会变得更加困难,目前大部分反差对焦的机型弱光下对焦性能明显下降,甚至不可用,只有少数能做到影响不大。

快速对焦是系统的综合体现

现在很多机型都在都在用“快速”“迅速”等词汇形容自己的对焦速度,就连对焦最慢的XXX也在自诩“高速”,但实际情况却远不是那么回事。快速对焦靠技术不靠嘴炮。

要实现快速对焦,高采样帧率的感光器,高采样帧率的镜头,优质的算法缺一不可,它们是对焦过程的参与者,新机身配上老镜头,不会快,老机身配新镜头改善也会很有限,指望着靠算法就产生翻天覆地的变化本身也是错误的,能有改善就算不错。快速对焦是系统的综合体现,性能由最短板决定。

如果我们能够基本了解快速反差对焦的关键点,消费中也就没有那么容易迷茫了。

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