數位相機入門 數位相機細分類·六[自動對焦]
劉恩惠 于 2013.03.27 22:11:40 | 源自:www.soomal.com | 版權:原創
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目前數位相機的自動化程度普遍較高,無論是卡片機、長焦機還是微單、單電、單眼,絕大多數都能實現“傻瓜式”拍攝,支援包括自動對焦、自動測光、自動連拍等功能,其中自動對焦無疑是最受消費者關注的一部分,我們將在本篇與大家詳細探討。

●兩大門類和四種形式

除徠卡等品牌的少數產品外,大部分數位相機均可實現自動對焦功能。目前自動對焦的實現方式有“相位檢測”和“反差檢測”兩大門類,具體到不同產品則可分為四種形式:傳統的透鏡分離式相位檢測自動對焦(傳統相位)、反差檢測自動對焦(也稱為“對比度檢測對焦”)、圖像傳感器相位檢測(感光器相位、焦平面相位)、反差檢測混合式自動對焦以及雙重相位檢測自動對焦。

傳統相位對焦主要應用于數位單眼相機(也包括索尼旗下使用固定式半透明反光板的SLT系列單電相機),機身須搭載專門的對焦傳感器,此外副反光板(單電相機上不需要)、分離透鏡、對焦屏等輔助配件也不可或缺,整個系統構造比較復雜。而反差檢測自動對焦則廣泛應用于各類便攜式數位相機(包括卡片機、長焦機、拍照手機)上,大部分無反相機以及加入實時取景功能后的數位單眼相機也多支援反差對焦。由于主要依靠相機的圖像傳感器(感光晶片)和數字圖像處理器來實現,無需專用的AF子系統,因此反差式自動對焦更利于相機機身的輕便化。在本站此前發布的《單眼微單PK季 相位差對焦與反差式對焦》[作者:夏昆岡 ] 一文中,已對傳統相位對焦和反差對焦的基本工作原理進行了講解,相關知識點此處不再復述,感興趣的朋友可點擊原文鏈接閱讀了解。

上述兩種自動對焦方式各有利弊。理論上,傳統相位對焦系統技術成熟、對焦速度較快;但在弱光環境下的對焦能力薄弱且硬體結構復雜,實現高精度自動對焦需要付出相對較大的物料成本和工藝成本,其性能高低與預設對焦點的數量及精度有關(部分入門級相位檢測系統存在對焦精度不高的問題)。反差對焦成本相對較低、對焦精度很高,且對焦區域更大更自由(理論上可以實現對焦點全覆蓋);但在高光和復雜環境下工作效率會受到影響,在某些大幅面機型上對焦速度不夠迅捷,且存在動態追蹤對焦能力(對縱向運動物體實現快速連續自動對焦)不足的短板。雖然近幾年在一些廠商的努力下,通過提高感光器更新頻率,反差對焦的速度問題得到了顯著改善,但在應對縱向動態追蹤時仍會遇到困難。

隨著無反光板可換鏡頭相機的興起,部分廠商由于暫時無法提升大底感光器上反差對焦的工作效率,所以另辟蹊徑開始嘗試“圖像傳感器相位自動對焦(焦平面相位自動對焦)技術”,其基本原理與傳統相位對焦類似,但它是利用集成在CMOS或CCD晶片上的微透鏡進行聚光,在硬體構成上要比傳統透鏡分離式系統來得簡單,故而也比較適合運用在便攜式相機上。但其缺點也比較明顯——它對拍攝環境的光線條件相對更為敏感,在對焦精度以及弱光環境下的對焦能力方面,還不如傳統相位對焦;同時對焦區域也多靠近感光器的中央部分,實用性有限。廠商在運用這一技術時,均將其作為反差自動對焦系統的補充或輔助,兩套系統互相協同、取長補短,形成所謂的“混合式對焦”。尼康1系列、索尼NEX-5R\NEX-6、佳能EOS-M等無反相機以及EOS 650D\EOS 700D數位單眼(實時取景模式下)都使用了此類技術。不過從實際效果來看,“混合式”的應用只是小幅提升了對焦速度,動態追蹤對焦能力并未得到明顯改善。

索尼的SLT系列單電相機由于采用半透明反光板技術,在實時取景模式下也可以使用傳統的相位對焦(因此不帶反差對焦功能),在該系列目前的旗艦型號SLT-A99上,廠方提供了一個“雙重相位自動對焦”系統,即在擁有傳統相位對焦模塊的同時,再額外搭載一套傳感器相位自動對焦,用以提高相機的追蹤連續對焦性能。不過與前面談到的混合式對焦相類似,在實際工作中傳感器相位對焦只是作為輔助系統存在,無法獨立工作;在使用時相機必須切換到AF-D模式下,而且暫時只有為數不多的幾支索尼/蔡司鏡頭可以支援該模式。此外,SLT-A99上還有一個獨特的自動對焦范圍控制(AF Range)調節按鍵,允許用戶手動控制相機自動對焦的測距范圍,從而提高工作效率;不過也只有部分指定型號鏡頭能夠支援這一功能。

2013年7月佳能發布了EOS 70D,這款相機支援Dual Pixel CMOS AF(全畫素雙核CMOS AF),這一全新的圖像傳感器相差自動對焦與之前的技術有很大的區別——佳能在這款新型的傳感器上為每個畫素點安排了兩個光電二極管,這就使得幾乎所有的有效畫素點既能用來進行相位測距又能用于成像,由此可以獲得更大的有效對焦范圍和更高的對焦效率,弱光環境下的AF能力也能得到顯著改善。不同于此前的傳感器相位對焦技術只能作為反差對焦或傳統相位對焦的補充,佳能的Dual Pixel CMOS AF可以獨立工作(但使用少數老舊型號的鏡頭時可能無效),顯然是更加徹底的“雙重相位自動對焦”。

●細說透鏡分離式相位檢測自動對焦

由于目前反差對焦和混合式對焦技術都還不夠完美,在短期內數位單眼相機內的透鏡分離式相位檢測系統還不至于被全面淘汰(尤其在野生動物、體育競技等專業領域),所以有必要在這里加以展開。

不同市場定位的單眼機身往往采用不同的相位對焦系統,區別主要體現在對焦點數量上。譬如在佳能目前銷售的全畫幅機身中,EOS 1D X和EOS 5D Mark III使用的是擁有61個自動對焦點的AF系統,而定位于入門級全幅機身的EOS 6D只有11個自動對焦點;在APS-C畫幅產品線上,旗艦級的EOS 7D采用19點自動對焦系統,而較次一級的EOS 60D和入門級的EOS 100D\650D\700D都只有9個自動對焦點。對焦點顯然是越多越好,尤其是那些擁有高密度網狀對焦點的高階AF系統(如佳能的61點、尼康的51點),在追焦能力方面有較為明顯的優勢,也便于攝影師進行快速構圖。

與此同時,對焦點所對應的傳感器排列形式也會對AF精度產生一定影響。對焦傳感器有單縱一字(僅對橫向水準線條敏感)、單十字(對縱向垂直和橫向水準線條均敏感)、雙縱單橫型十字(在單十字型的基礎上增加一個橫向的線型傳感器)、雙縱雙橫型十字(兩套單十字型感應器交錯并列成“井”字型,也被稱為“雙線十字”)和交叉型雙十字(在單十字、雙線十字的基礎上增加一個X型傳感器,形成“米”字型)等組合。理論上,一字型對焦傳感器精度最低,交叉型雙十字對焦傳感器精度最高,但并不是每個單眼品牌都會使用雙線十字或交叉型雙十字對焦傳感器,譬如尼康就只用一字型和十字型傳感器。問題是,沒有數據表明使用十字型傳感器的尼康單眼在對焦精度上弱于使用雙線十字或交叉型雙十字傳感器的其他產品,因此不同品牌之間,這方面不具備多少可比性。

出于工藝、成本、實用性等各方面的考慮,廠家不可能在一套自動對焦系統中全部配置高精度對焦點;即便是佳能EOS 1D X這樣的高階機型,總共61個自動對焦點中僅有位于中心區域的一排5個使用了雙十字型對焦傳感器。所以對于精明的消費者而言,在關注對焦點數量的同時,也要明確具體的組合形式。譬如佳能的EOS 600D和EOS 650D/700D雖然均為9點自動對焦系統,但兩者的含金量卻有明顯差距——EOS 650D/700D所有九個對焦點均為十字型,其中中央對焦點更是采用了雙十字型傳感器;而EOS 600D的九個對焦點中只有中央點是十字型,其他八個點均為一字型。

需要補充的是,對焦傳感器按自身所對應的光束有“f/2.8”、“f/4”、“f/5.6”、“f/8”之分。這是什么意思?我們以“f/5.6傳感器”為例,其實是指當相機使用最大光圈大于或等于f/5.6的鏡頭時,該傳感器能處于敏感狀態,可以實現正常的自動對焦功能。由于目前市售的入門級數位單眼的套機鏡頭長焦端最大光圈多為f/5.6,為了獲得較好的通用性,所以“f/5.6傳感器”和“f/8傳感器”出現得比較多。那么通用性較差但精度略高的“f/2.8傳感器”用在哪里?為了兼容大多數鏡頭,廠方在設計時顯然不會單獨安排使用“f/2.8傳感器”的對焦點,常見的做法是將之與一個十字型“f/5.6傳感器”疊加,以增加相機安裝大光圈鏡頭時的工作精度——當使用f/2.8以上大光圈鏡頭時,兩個傳感器會一起工作,AF效能得到進一步提升;而若換用一支最大光圈為f/4的鏡頭時,則只有“f/5.6傳感器”參與工作,“f/2.8傳感器”將進入待工狀態。這就意味著,消費者想要最大限度地發揮這類高精度對焦點的作用,必須購買f/2.8以上級的大光圈鏡頭(但并非所有f/2.8鏡頭都能“有效激活”f/2.8傳感器,有部分f/2.8傳感器存在“挑鏡頭”的問題)。有意思是,市售的所有尼康數位單眼相機不僅沒有使用雙十字對焦傳感器,也都沒有“f/2.8傳感器”,尼康高階單眼產品的自動對焦綜合能力卻并未因此落到下風;由此可見各家的技術側重各有不同,指標、參數未必代表一切。

傳統相位對焦系統還有一個不大不小的弱點——自動對焦有效工作范圍會受制于預設對焦點的位置,即便是對焦點非常密集的高階的AF模塊,也無法實現對成像范圍內外圍區域的自動對焦。在尼康新近推出的D7100數位單眼上出現了一個創新的“1.3倍裁切”功能,在這個裁切模式下,相機的所有51個自動對焦點“幾乎覆蓋整個畫幅”(引號內為官方原話,如下圖所示,其實上下兩端仍留有空隙,但從實用角度來看無傷大雅),以犧牲畫素、提高等效焦距的方式,變相克服了對焦系統存在的先天不足。

到了尼康最新一代的APS-C畫幅旗艦D500上,這一問題已經得到較好解決——得益于Multi-CAM 20K自動對焦模塊,這款機型的自動對焦點覆蓋范圍達到了全新高度。

對于數位單眼相機使用的對焦系統而言,AF亮度檢測范圍也是比較重要的一個指標,尤其是該指標的下限值決定了相機在弱光環境下的自動對焦效率。不同檔次的機型在這方面存在一定的性能差異,某些低階單眼的檢測范圍僅為0EV至+18 EV,而高階型號則可達到-4EV至+20EV。

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相位對焦發展了幾十年了。可惜隨著畫素越來越高,顯示器和解析度越來越厲害, 跑焦問題日益嚴重
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相位對焦目前還是處于優勢地位,就算是入門單眼的對焦系統,也明顯比反差對焦更迅速果斷,特別是追焦性能,反差對焦尚需努力,另外,反差對焦對于景深很淺的地方,容易出現焦點偏差。
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