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草评Canon Dual Pixel CMOS AF

(2013-07-02 15:52:01)
标签:

dualpixelcmosaf

canon

双核cmos自动对焦

自动对焦

it

分类: 论摄影
草评Canon <wbr>Dual <wbr>Pixel <wbr>CMOS <wbr>AF

随着EOS 70D今天正式发布,先前迷雾重重的Dual Pixel CMOS AF技术终于揭开了面纱。官方中文名词叫做全像素双核CMOS自动对焦,比俺想的要简单一些,俺之前翻译的“双重像素自动对焦”意义显然不对。Canon称Dual Pixel CMOS AF为革新性的AF,可获得与使用取景器拍摄接近的对焦速度,以及比取景器更宽广的对焦范围,其宣传资料声称比传统的CMOS反差对焦快5倍。到底什么是Canon Dual Pixel CMOS AF?
草评Canon <wbr>Dual <wbr>Pixel <wbr>CMOS <wbr>AF

这里需要先简单说一下相位对焦和反差对焦,以及成像元件相位对焦的历史,详细可以参见俺以前写的文字《成像传感器相位对焦和混合对焦》,http://blog.sina.com.cn/s/blog_537633d701015z2n.html。这里简单回顾一下:
成像传感器相位对焦和混合对焦
相位对焦原理——分光透镜和相位波形
成像传感器相位对焦和混合对焦
相位对焦原理——同光圈镜头对应不同的相位线列

相位对焦是三维对焦方式。目前的相位对焦系统大多是透镜分离相位检测系统,工作原理是检测镜头成像会聚光线中的某两束光线交汇在哪里判断脱焦的方向和距离。为此,相机必须有反光板/副反光板将成像光束反射到独立对焦系统,独立对焦系统需要分离透镜让两束光线分别在两个CCD线阵上成像。CCD线阵就是测量成像光束会聚情况的尺子。相位对焦原理的优点是可以控制镜头对焦一步到位,理论上更快。缺点是结构复杂成本高,独立对焦系统的安装和调制精度影响对焦精度。
成像传感器相位对焦和混合对焦
反差对焦原理——反差比较

反差对焦是二维方式。其原理是根据镜头对焦时成像画面的对比度变化,寻找成像最清晰的合焦位置。反差对焦简单,不需要专用对焦组件;以最终成像为检测物,绝对准确。但是反差对焦采用不断摸索比较的方式,开始时要赌一把才知道往那边对焦,过程中只能摸着石头过河,结束前要错过合焦点才知道回去好好珍惜,所以一般认为反差对焦比相位对焦慢。

成像传感器相位对焦是将传统单反相位对焦系统缩微到成像元件上,用成像传感器每个像素表面的微透镜代替对焦系统透镜,用多个微透镜-感光像素的组合代替CCD线阵。但成像传感器相位对焦存在三方面主要问题:
成像传感器相位对焦和混合对焦
富士成像元件相位对焦点

1.成像传感器相位对焦接受的光信号最多只是普通像素的50%,弱光下对焦会有困难;
成像传感器相位对焦和混合对焦
对焦像素不参与成像

2.成像传感器的像素小、受光面积小、信噪比低,本身就已经会极大影响精度和可靠性。另一方面,相位检测像素不能参与RGB成像,占用太多就会影响成像,因此成像元件相位对焦线阵一般都很短小。
成像传感器相位对焦和混合对焦成像传感器相位对焦和混合对焦
边缘像素点光路问题和校正

成像传感器相位对焦和混合对焦成像传感器相位对焦和混合对焦
以往像传感器相位对焦范围有限

3.由于镜头成像光路的问题,边缘像素感测光线相位本身就有差异。不同的镜头或同一镜头变焦时,这种差异还会有变化。所以把成像传感器相位对焦点设置到画面边缘部分有一定的难度。

所以此前成像传感器相位对焦往往是作为反差对焦的辅助功能,帮反差对焦先判定大概对焦方向和范围,然后让反差对焦接受完成精确对焦。这就是所谓的“混合对焦”,Canon叫Hybrid CMOS AF。


现在说到Dual Pixel CMOS AF了。Dual Pixel CMOS AF理论上还是成像传感器相位对焦,原理、工作方式等等一般无二。区别有二:
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1.原先的成像传感器相位对焦都是在既有CMOS像素基础上改进的,要么遮住一半,一遍识别从镜头一次进入的光线;要么虽然一个像素分两半的,但这个像素就不参与成像了。Canon Dual Pixel CMOS AF(全像素双核CMOS AF)成像感应器在每个像素中都集成了2个相互独立的光电二极管,且对应同一个微透镜,在自动对焦时,一次可同时捕捉来自镜头两侧的光线,并利用来自这两个光线的信号完成相差检测自动对焦。
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 Dual Pixel CMOS AF对焦范围(白线以内)

2.原先的成像传感器相位对焦只使用数量有限的像素点作为相位对焦元件,用得太多成像会受到影响。Canon Dual Pixel CMOS AF在拍摄图像时,两个光电二极管又将汇合各自的图像信号作为一个像素进行输出。这样就能同时实现自动对焦和成像功能,几乎所有的像素点(在覆盖图像拍摄区域约80%(垂直)×80% (水平)的有效范围)都参与了相位对焦,也参与了成像。



这样的设置就解决了上面提到成像传感器相位对焦的三方面问题:

1.每个相位对焦像素接收到的光信号与普通像素类似,而且因为参与对焦的像素数量大,整体接受光线的范围也很大,并且邻近像素可以互相印证,所以对焦效率高,弱光对焦大幅提升。据称,70D的可以在0EV光照条件下工作,镜头取景时收缩到f/11光圈也能工作。

2.相位对焦像素就是成像像素,因为对焦像素不再限于少数,而是大半都参与其中,受光面积大、信噪比高。
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3.得益于1、2两个问题的解决,边缘对焦像素受光量增加,邻近像素互相印证,对焦面积也会增大。只是依然无法达到100%的面积,很多老镜头由于光路问题也无法实现。
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Dual Pixel CMOS AF基本解决了成像传感器相位对焦的三个短板,使得成像传感器相位对焦趋于实用化。因此70D可以不启动Hybrid混合对焦,直接使用成像传感器相位对焦完成整个对焦动作,这对于Live View,特别是对于视频拍摄来说绝对是福音,虽然原理上毫无新意,但说是自动对焦的革新并不为过。


当然Dual Pixel CMOS AF也不是完美的。先说说大家关心的一个题外话,既然Dual Pixel CMOS AF成像感应器在每个像素中都集成了2个相互独立的光电二极管,Canon宣称EOS 70D的图像感应器集成了约4030万光电二极管,那么为什么只输出2020万有效像素而非4030万像素呢?岂不是白白放弃了APS-C机型像素数最高的宝座?这其中有几方面原因,首先每个像素接受镜头两侧光线实际对于RGB色彩滤镜后的分布是有影响的,如果没半个像素都单独读取,并且计算色彩值,会造成伪色彩。其次,在一个微透镜下的两个电二极管接受的信号难免受到微透镜和像素结构的光学影响,因此4030万输出时,单个像素的成像质量恐怕是有问题的。再次,4030万像素最终处理的工作量不小,对焦时可能有选择和压缩,否则就算用两个DiGiC 5+传感器处理不过来,70D的连拍速度可能会降到比入门级还要低。,此外还有热噪、衍射等等方面的考虑。不过话虽如此,说不定Canon会在改进色彩滤镜和算法之后推出超高像素的Dual Pixel CMOS来。

Dual Pixel CMOS AF尚无法完全取代独立的相位对焦系统和CMOS反差对焦模式。从相位对焦原理上,Dual Pixel CMOS AF的相位反差空间极小,接受两侧光线的光阑不够清晰,因此相位不如独立相位对焦元件清晰,而且成像元件处理速度会低于CCD线列,因此对焦速度、精度,以及对运动物体的追踪能力都会弱于独立的相位对焦元件。同样,由于CMOS本身受光条件显示,可能在最低对焦照度条件上可能也不如独立的相位对焦元件。Dual Pixel CMOS AF与传统成像传感器相位对焦一样,调制精度、光线精度都有一定的限制,因此对焦精度上可能与反差对焦多少存在那么一点差距。

不管怎么说,Dual Pixel CMOS AF属于那种比较下本钱提高的性能,而且理论上看,速度可能接近独立相位对焦元件,精度可能接近独反差对焦,适用的光线和反差范围可能与反差对焦接近。具体的性能我们拭目以待,如果存在一两点明显缺憾,至少多了一种快速对焦的选择,如果能够满足大家80-90%的对焦需要,又有谁会在意那些不足呢?

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