細說佳能 Dual Pixel CMOS AF 技術
撞針 于 2013.08.05 16:17:50 | 源自:撞針的PIN008號空間 | 版權:轉載 | 平均/總評分:09.52/200

7月2日,Canon在英國正式發布了新款數位單眼相機EOS 70D。作為EOS 60D的“后續”機型,70D擁有19點全十字對焦系統、DIGIC 5+處理器+ 2020萬畫素、7張/秒連拍、LCD觸控、Wi-Fi控制……這些升級已經達到了撞針預期值的上限,而Dual Pixel CMOS AF(全畫素雙核CMOS AF)絕對是意外驚喜。6月28日,“Dual Pixel CMOS AF” 這個英文詞組第一次出現在泄露的產品宣傳頁上,位于一個不太起眼的地方,撞針當時并未意識到它的重要性。待產品正式發布后才察覺到它不是商業噱頭,是很有潛力的技術應用。

  • 1、相位對焦和反差對焦

    數位相機的自動對焦技術主要是相位對焦和反差對焦兩種。相位對焦工作原理是檢測鏡頭成像會聚光線中的某兩束光線的交匯情況,指導光束會聚到像平面上。作為三維對焦方式,相位對焦能檢測出物體脫焦的方向和距離,可以控制鏡頭一步對焦到位,理論上更快,也更容易實現對運動物體的伺服對焦。

  • 反差對焦是二維方式,是電子取景特有的對焦方式,系統根據鏡頭對焦時成像傳感器感知的畫面變化,尋找成像最清晰(反差最大)的合焦位置。反差對焦不需要專用對焦組件,結構簡單,成本低廉;以最終成像為檢測對象,更為準確。但是反差對焦需要不斷比較數字成像,錯過合焦點才知道回去好好珍惜,鏡頭無法一步到位,所以“理論上”較慢;無法判斷物體運動方向和速度,連續追蹤對焦困難。

  • 傳統相位對焦系統大多采用透鏡分離相位檢測法,相機用副反光板將成像光束反射到獨立的對焦組件,對焦組件的分離透鏡將來自鏡頭兩個部分的兩束光線分別會聚在兩個CCD線陣上,CCD線陣就是測量成像光束會聚位置的尺子。透鏡分離相位檢測系統使用獨立的透鏡和CCD線列,訊號敏感度高,數據處理簡單,高效可靠,弱光和長焦性能優秀,但體積龐大,結構復雜、成本高。此外受到副反光板結構尺寸限制,對焦區域有限。透鏡分離相位檢測系統主要適用于反光鏡光學取景,Sony也將其應用到了電子取景的SLT半透鏡數位相機上,但在其電子取景時半透鏡會分走一部分光線,成像效率輕微的損失。總的來說,透鏡分離相位檢測系統不適于電子取景。

  • 2、成像傳感器相位對焦系統

    在電子取景時進行高效相位對焦是很多廠商的夢想,Canon尤為急切。當Panasonic和Olympus的M4/3系列微單僅憑反差對焦就趕超入門級單眼相位對焦的時候,EOS數位單眼反差對焦性能只能用“窘迫”二字來形容,嚴重制約了實時取景和視訊拍攝功能的應用。這里有很多原因:畫幅尺寸對反差對焦有著多方面影響,此處不詳述;Canon單眼鏡頭是為相位對焦設計的;成像傳感器和處理系統本身的設計以及對焦算法因素;……這種情況延續到了Canon的首款微單EOS M,嚴重制約了Canon微單的操作性能。Canon應對策略有兩條,一是研發適應反差對焦方式的STM鏡頭,二是研發成像傳感器相位對焦。

    成像傳感器相位對焦系統將透鏡分離相位檢測系統微縮到了成像傳感器的畫素結構中,用畫素表面的微透鏡代替獨立對焦組件的透鏡,用畫素半邊感光的方式起到鏡頭光束分離的作用,用多個畫素的組合代替CCD線陣。

  • 在EOS 70D以前,成像傳感器相位對焦系統的對焦畫素數量都是有限的,例如Canon 2012年首先在EOS 650D和EOS M上裝備的Hybrid CMOS AF,2013年在EOS 100D上引入的Hybrid CMOS AF II。此前Fujiflim、Nikon、Sony都研發過類似的有限畫素相位對焦系統。

    有限畫素相位對焦系統的性能都不出眾。由于參與相位對焦的畫素只接受微透鏡一半的光線,一般不參與成像,對焦畫素數量太多會影響最終成像。有限畫素組成的對焦線陣面積有限,對焦系統獲得光訊號的總量非常有限,弱光下對焦會有困難。對焦畫素的微透鏡和感光材料尺寸、精度顯然無法與獨立對焦系統相比,信噪比低,影響精度和可靠性;由于光路和成像問題,畫面邊緣部分對焦有難度。

    總之,有限畫素相位對焦系統很難獨擋一面,一般是相位對焦提示對焦方向和大致的距離,再讓反差對焦完成最終的精確對焦,所以Canon直接稱其為(相差與反差)混合對焦系統。限畫素相位對焦系統相對提升了電子取景的對焦速度和運動物體追蹤能力,但無法達到透鏡分離相位檢測對焦系統的性能,也沒有超越某些純反差對焦機型,甚至存在弱光下反而要依賴反差對焦。

    3、Dual Pixel CMOS AF的革新

    DP對焦是成像傳感器相位對焦系統的完成形態,徹底解決了有限畫素相位對焦系統的問題。

    DP對焦的核心是每個畫素集成兩個個相互獨立的光電二極管,分別接受來自鏡頭兩側的光訊號,完成相差檢測,再將兩側訊號匯總成一個圖像點輸出。每個對焦畫素都能獲完整的光線訊號,都能參與成像,數量不再受限制,所有的畫素都可以既對焦又成像,70D的2020萬有效畫素的CMOS集成了4030萬光電二極管,所以DP對焦的中文官稱是“全畫素”雙核CMOS AF。

  • DP對焦系統的對焦畫素眾多,接收的光訊號與普通畫素無異,信噪比高,鄰近畫素互相配合,對焦效率高,可以獨立完成整個對焦過程;對焦時與透鏡分離系統類似,鏡頭指令一步到位,速度較傳統反差對焦快5倍(宣傳資料),性能比Hybrid CMOS AF II提升30%到一倍;弱光對焦大幅提升,70D標稱最低對焦條件為0EV(其透鏡分離系統為-0.5EV);只分辨微透鏡會聚光束左右兩部分,沒有特定的鏡頭光圈孔徑限制,在f/11光圈下也能工作;邊緣對焦畫素受光量增加,對焦區域達到了畫面的80%×80%,遠高于透鏡分離系統和有限畫素系統。

    DP自動對焦基本消滅了有限畫素系統的短板,使得成像傳感器相位對焦趨于成熟,對于電子取景和視訊拍攝來說絕對是福音,雖然基本原理上并無新意,但說它是自動對焦的革新并不為過。

    4、Dual Pixel CMOS AF技術解析

    Canon對于DP對焦技術的解釋比較簡單化,基本套用了透鏡分離系統的示意圖。實際上DP自動對焦系統的單個畫素無法完成相位檢測,系統需要觀察同一排畫素中,RGB濾鏡下哪些鄰近畫素左邊的光電二極管接收到的連續成像訊號,與哪些畫素右邊的存在關聯,通過IC晶片預處理后,由DIGIC 5+處理器解算對焦資訊。這里比較復雜,還沒想好如何圖解。可以參閱Dual Pixel CMOS AF介紹短片。理論上,在電子取景下,相機隨時可以知道對焦區域內任何一個物體的對焦距離。整個系統就是簡化版的光場相機,其設計精妙復雜,又不火星科技。

  • EOS 70D的DP CMOS有4030萬光電二極管,很多攝友都會提到一個問題:為什么不直接做成4030萬畫素?在7月30日佳能舉行的EOS 70D媒體技術交流會上,來自Canon影像資訊消費產品本部事業本部影像資訊消費產品本部統籌第一開發中心的主管研究員宮成洋(真正的技術大咖)的回復比較官方口徑,他提到一味追求高畫素會帶來一定的負面影響,比如說對高感光度性能下降,微小的抖動會給畫質帶來較大的影響等等。

    實際上最簡單的原因在于兩個光電二極管都是長形的,無法對應數位照片上的畫素點。進一步考慮,兩個光電二極管共用一個微透鏡和一個晶片單元,在同一個RGB色彩濾鏡下和低通濾鏡下,幾乎不可能獲取兩個獨立清晰的光訊號。即便將4030萬個訊號單獨記錄,最終的成像也遠達不到4030萬畫素應有的解析度。

    宮成洋提到的數據處理壓力也很重要。假設4030萬畫素達到7張/秒的連拍速度,70D的DIGIC 5+處理器必須達到500 MB/s的圖像數據吞吐能力,目前DIGIC 5+在其他機型上達到的最高速率只有220MB/s,還是不參與對焦處理的情況下。4030萬畫素的RAW格式檔案將高達50MB,對70D目標用戶來說處理和保存都是問題。

  • 撞針還有一個假說,源自宮成洋一句耐人尋味的話: EOS 70D每個畫素集成的兩個光電二極管之間“沒有物理分隔”!這句話的語境是為了證明DP自動對焦不會影響畫素成像質量。如果兩個光電二極管之間加入一條窄縫的話就會形成感光盲區,成像效果不理想。沒有物理分割是否意味著兩個光電二極管的光敏半導體是合在一起的,這有兩種可能性,一是Canon的晶片技術足以將一塊光敏半導體在幾乎沒有損失的情況下分成了兩個獨立工作的部分,二是光敏半導體沒有完全獨立工作,主要依靠兩套傳輸、放大線路分連接半導體左右兩半分別讀取數據。回過頭來看Canon給出的其他資訊,撞針比較傾向后一種解釋。這種結構有利于控制Dual Pixel CMOS的制造成本,也更容易解釋為什么EOS 70D的CMOS無法提供4030萬畫素。

    如果真是這樣,兩個光電二極管之間的訊號是否有干擾?能否準確讀取?對焦速度和精度有無影響?撞針猜測是只要對焦畫素足夠多,鄰近畫素綜合計算足以消除誤差。這個問題不用太考慮理論,看療效就好。

    有一個問題撞針也沒找到答案:兩個光電二極管是左右排列還是上下排列,抑或兩種情況兼而有之。如果都是一個方向排列,那么DP自動對焦就有可能對這個方向的線條無法對焦。由于畫素密度高,出現這種問題的幾率會比透鏡分離系統小得多,但不能絕對排除。很后悔交流會上沒提出這個問題。

  • EOS 70D的2020萬畫素幾乎全部都是雙光電二極管,為什么對焦區域依然無法達到100%呢?其實和有限畫素相位對焦一樣,成像邊緣部分鏡頭光線傾斜照射,角度不斷增大,鏡頭本身的像差也大,給精確對焦帶來了困難。撞針很想精確測試EOS 70D中央部分和對焦區域邊緣是否存在精度差異,當然還要等量產機才行。

    DP自動對焦系統兼容性相當不錯,支援103款單眼鏡頭。理論上DP自動對焦對鏡頭光圈是沒有特殊限制的,但考慮到驅動、成像情況問題等等,DP自動對焦要求鏡頭光圈大于f/5.6。實際在取景、視訊拍攝時,即便光圈收縮到f/11,DP自動對焦依然可以工作。目前的資訊是Dual Pixel CMOS AF支援副廠鏡頭,是否和原廠頭一樣好還有待實踐檢驗。

  • 有一點非常不爽。在電子取景時,攝影者常常會放大畫面檢視對焦情況,此時DP自動對焦無法對焦,只能確定對焦方向,隨后由反差對焦法進行合焦。

    還有一點不爽的是,在拍攝瞬間DP自動對焦無法對焦,因此電子取景下開啟連拍,DP自動對焦將很難進行伺服追焦。

    DP自動對焦是否需要STM馬達配合?STM步進馬達是配合反差對焦的,特點是馬達可以一格一格地精確控制運轉,每走一格測量一次畫面反差。DP自動對焦一開始就會告訴鏡頭想那個方向運行多少,不需要步進工作狀態,因此STM馬達并沒突出貢獻,僅僅比普通微型馬達寧靜一些。

    本文摘自作者的《EOS 70D和Dual Pixel CMOS AF漫談》一文

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    感動牌的一貫做法是在中高階機型上用些新技術,然后全系列猛做廣告,給人的印象是它的相機技術肯定都很好,實際情況是低階機型用的都是過時的技術,但賣的卻是高價,狂賺利潤!
    它的感動不是感動你,而是消費者傻的感動了它。
    發表于2013.08.09 11:17:49
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    發表于2013.08.09 09:34:11
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    發表于2013.08.08 22:50:47
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    膜拜~
    發表于2013.08.08 15:24:58
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    長知識了
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