细说佳能 Dual Pixel CMOS AF 技术
撞针 于 2013.08.05 16:17:50 | 源自:撞针的PIN008号空间 | 版权:转载 | 平均/总评分:09.68/300

7月2日,Canon在英国正式发布了新款数码单反相机EOS 70D。作为EOS 60D的“后续”机型,70D拥有19点全十字对焦系统、DIGIC 5+处理器+ 2020万像素、7张/秒连拍、LCD触控、Wi-Fi控制……这些升级已经达到了撞针预期值的上限,而Dual Pixel CMOS AF(全像素双核CMOS AF)绝对是意外惊喜。6月28日,“Dual Pixel CMOS AF” 这个英文词组第一次出现在泄露的产品宣传页上,位于一个不太起眼的地方,撞针当时并未意识到它的重要性。待产品正式发布后才察觉到它不是商业噱头,是很有潜力的技术应用。

  • 1、相位对焦和反差对焦

    数码相机的自动对焦技术主要是相位对焦和反差对焦两种。相位对焦工作原理是检测镜头成像会聚光线中的某两束光线的交汇情况,指导光束会聚到像平面上。作为三维对焦方式,相位对焦能检测出物体脱焦的方向和距离,可以控制镜头一步对焦到位,理论上更快,也更容易实现对运动物体的伺服对焦。

  • 反差对焦是二维方式,是电子取景特有的对焦方式,系统根据镜头对焦时成像传感器感知的画面变化,寻找成像最清晰(反差最大)的合焦位置。反差对焦不需要专用对焦组件,结构简单,成本低廉;以最终成像为检测对象,更为准确。但是反差对焦需要不断比较数字成像,错过合焦点才知道回去好好珍惜,镜头无法一步到位,所以“理论上”较慢;无法判断物体运动方向和速度,连续追踪对焦困难。

  • 传统相位对焦系统大多采用透镜分离相位检测法,相机用副反光板将成像光束反射到独立的对焦组件,对焦组件的分离透镜将来自镜头两个部分的两束光线分别会聚在两个CCD线阵上,CCD线阵就是测量成像光束会聚位置的尺子。透镜分离相位检测系统使用独立的透镜和CCD线列,信号敏感度高,数据处理简单,高效可靠,弱光和长焦性能优秀,但体积庞大,结构复杂、成本高。此外受到副反光板结构尺寸限制,对焦区域有限。透镜分离相位检测系统主要适用于反光镜光学取景,Sony也将其应用到了电子取景的SLT半透镜数码相机上,但在其电子取景时半透镜会分走一部分光线,成像效率轻微的损失。总的来说,透镜分离相位检测系统不适于电子取景。

  • 2、成像传感器相位对焦系统

    在电子取景时进行高效相位对焦是很多厂商的梦想,Canon尤为急切。当Panasonic和Olympus的M4/3系列微单仅凭反差对焦就赶超入门级单反相位对焦的时候,EOS数码单反反差对焦性能只能用“窘迫”二字来形容,严重制约了实时取景和视频拍摄功能的应用。这里有很多原因:画幅尺寸对反差对焦有着多方面影响,此处不详述;Canon单反镜头是为相位对焦设计的;成像传感器和处理系统本身的设计以及对焦算法因素;……这种情况延续到了Canon的首款微单EOS M,严重制约了Canon微单的操作性能。Canon应对策略有两条,一是研发适应反差对焦方式的STM镜头,二是研发成像传感器相位对焦。

    成像传感器相位对焦系统将透镜分离相位检测系统微缩到了成像传感器的像素结构中,用像素表面的微透镜代替独立对焦组件的透镜,用像素半边感光的方式起到镜头光束分离的作用,用多个像素的组合代替CCD线阵。

  • 在EOS 70D以前,成像传感器相位对焦系统的对焦像素数量都是有限的,例如Canon 2012年首先在EOS 650D和EOS M上装备的Hybrid CMOS AF,2013年在EOS 100D上引入的Hybrid CMOS AF II。此前Fujiflim、Nikon、Sony都研发过类似的有限像素相位对焦系统。

    有限像素相位对焦系统的性能都不出众。由于参与相位对焦的像素只接受微透镜一半的光线,一般不参与成像,对焦像素数量太多会影响最终成像。有限像素组成的对焦线阵面积有限,对焦系统获得光信号的总量非常有限,弱光下对焦会有困难。对焦像素的微透镜和感光材料尺寸、精度显然无法与独立对焦系统相比,信噪比低,影响精度和可靠性;由于光路和成像问题,画面边缘部分对焦有难度。

    总之,有限像素相位对焦系统很难独挡一面,一般是相位对焦提示对焦方向和大致的距离,再让反差对焦完成最终的精确对焦,所以Canon直接称其为(相差与反差)混合对焦系统。限像素相位对焦系统相对提升了电子取景的对焦速度和运动物体追踪能力,但无法达到透镜分离相位检测对焦系统的性能,也没有超越某些纯反差对焦机型,甚至存在弱光下反而要依赖反差对焦。

    3、Dual Pixel CMOS AF的革新

    DP对焦是成像传感器相位对焦系统的完成形态,彻底解决了有限像素相位对焦系统的问题。

    DP对焦的核心是每个像素集成两个个相互独立的光电二极管,分别接受来自镜头两侧的光信号,完成相差检测,再将两侧信号汇总成一个图像点输出。每个对焦像素都能获完整的光线信号,都能参与成像,数量不再受限制,所有的像素都可以既对焦又成像,70D的2020万有效像素的CMOS集成了4030万光电二极管,所以DP对焦的中文官称是“全像素”双核CMOS AF。

  • DP对焦系统的对焦像素众多,接收的光信号与普通像素无异,信噪比高,邻近像素互相配合,对焦效率高,可以独立完成整个对焦过程;对焦时与透镜分离系统类似,镜头指令一步到位,速度较传统反差对焦快5倍(宣传资料),性能比Hybrid CMOS AF II提升30%到一倍;弱光对焦大幅提升,70D标称最低对焦条件为0EV(其透镜分离系统为-0.5EV);只分辨微透镜会聚光束左右两部分,没有特定的镜头光圈孔径限制,在f/11光圈下也能工作;边缘对焦像素受光量增加,对焦区域达到了画面的80%×80%,远高于透镜分离系统和有限像素系统。

    DP自动对焦基本消灭了有限像素系统的短板,使得成像传感器相位对焦趋于成熟,对于电子取景和视频拍摄来说绝对是福音,虽然基本原理上并无新意,但说它是自动对焦的革新并不为过。

    4、Dual Pixel CMOS AF技术解析

    Canon对于DP对焦技术的解释比较简单化,基本套用了透镜分离系统的示意图。实际上DP自动对焦系统的单个像素无法完成相位检测,系统需要观察同一排像素中,RGB滤镜下哪些邻近像素左边的光电二极管接收到的连续成像信号,与哪些像素右边的存在关联,通过IC芯片预处理后,由DIGIC 5+处理器解算对焦信息。这里比较复杂,还没想好如何图解。可以参阅Dual Pixel CMOS AF介绍短片。理论上,在电子取景下,相机随时可以知道对焦区域内任何一个物体的对焦距离。整个系统就是简化版的光场相机,其设计精妙复杂,又不火星科技。

  • EOS 70D的DP CMOS有4030万光电二极管,很多摄友都会提到一个问题:为什么不直接做成4030万像素?在7月30日佳能举行的EOS 70D媒体技术交流会上,来自Canon影像信息消费产品本部事业本部影像信息消费产品本部统筹第一开发中心的主管研究员宫成洋(真正的技术大咖)的回复比较官方口径,他提到一味追求高像素会带来一定的负面影响,比如说对高感光度性能下降,微小的抖动会给画质带来较大的影响等等。

    实际上最简单的原因在于两个光电二极管都是长形的,无法对应数码照片上的像素点。进一步考虑,两个光电二极管共用一个微透镜和一个芯片单元,在同一个RGB色彩滤镜下和低通滤镜下,几乎不可能获取两个独立清晰的光信号。即便将4030万个信号单独记录,最终的成像也远达不到4030万像素应有的分辨率。

    宫成洋提到的数据处理压力也很重要。假设4030万像素达到7张/秒的连拍速度,70D的DIGIC 5+处理器必须达到500 MB/s的图像数据吞吐能力,目前DIGIC 5+在其他机型上达到的最高速率只有220MB/s,还是不参与对焦处理的情况下。4030万像素的RAW格式文件将高达50MB,对70D目标用户来说处理和保存都是问题。

  • 撞针还有一个假说,源自宫成洋一句耐人寻味的话: EOS 70D每个像素集成的两个光电二极管之间“没有物理分隔”!这句话的语境是为了证明DP自动对焦不会影响像素成像质量。如果两个光电二极管之间加入一条窄缝的话就会形成感光盲区,成像效果不理想。没有物理分割是否意味着两个光电二极管的光敏半导体是合在一起的,这有两种可能性,一是Canon的芯片技术足以将一块光敏半导体在几乎没有损失的情况下分成了两个独立工作的部分,二是光敏半导体没有完全独立工作,主要依靠两套传输、放大线路分连接半导体左右两半分别读取数据。回过头来看Canon给出的其他信息,撞针比较倾向后一种解释。这种结构有利于控制Dual Pixel CMOS的制造成本,也更容易解释为什么EOS 70D的CMOS无法提供4030万像素。

    如果真是这样,两个光电二极管之间的信号是否有干扰?能否准确读取?对焦速度和精度有无影响?撞针猜测是只要对焦像素足够多,邻近像素综合计算足以消除误差。这个问题不用太考虑理论,看疗效就好。

    有一个问题撞针也没找到答案:两个光电二极管是左右排列还是上下排列,抑或两种情况兼而有之。如果都是一个方向排列,那么DP自动对焦就有可能对这个方向的线条无法对焦。由于像素密度高,出现这种问题的几率会比透镜分离系统小得多,但不能绝对排除。很后悔交流会上没提出这个问题。

  • EOS 70D的2020万像素几乎全部都是双光电二极管,为什么对焦区域依然无法达到100%呢?其实和有限像素相位对焦一样,成像边缘部分镜头光线倾斜照射,角度不断增大,镜头本身的像差也大,给精确对焦带来了困难。撞针很想精确测试EOS 70D中央部分和对焦区域边缘是否存在精度差异,当然还要等量产机才行。

    DP自动对焦系统兼容性相当不错,支持103款单反镜头。理论上DP自动对焦对镜头光圈是没有特殊限制的,但考虑到驱动、成像情况问题等等,DP自动对焦要求镜头光圈大于f/5.6。实际在取景、视频拍摄时,即便光圈收缩到f/11,DP自动对焦依然可以工作。目前的信息是Dual Pixel CMOS AF支持副厂镜头,是否和原厂头一样好还有待实践检验。

  • 有一点非常不爽。在电子取景时,摄影者常常会放大画面查看对焦情况,此时DP自动对焦无法对焦,只能确定对焦方向,随后由反差对焦法进行合焦。

    还有一点不爽的是,在拍摄瞬间DP自动对焦无法对焦,因此电子取景下开启连拍,DP自动对焦将很难进行伺服追焦。

    DP自动对焦是否需要STM马达配合?STM步进马达是配合反差对焦的,特点是马达可以一格一格地精确控制运转,每走一格测量一次画面反差。DP自动对焦一开始就会告诉镜头想那个方向运行多少,不需要步进工作状态,因此STM马达并没突出贡献,仅仅比普通微型马达宁静一些。

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

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    发表于2013.08.12 10:57:46
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    发表于2013.08.11 09:52:54
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    感动牌的一贯做法是在中高端机型上用些新技术,然后全系列猛做广告,给人的印象是它的相机技术肯定都很好,实际情况是低端机型用的都是过时的技术,但卖的却是高价,狂赚利润!
    它的感动不是感动你,而是消费者傻的感动了它。
    发表于2013.08.09 11:17:49
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    120.204.251.***
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    发表于2013.08.09 09:34:11
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    116.023.181.***
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    发表于2013.08.08 22:50:47
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    膜拜~
    发表于2013.08.08 15:24:58
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    058.020.154.***
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    发表于2013.08.08 15:23:52
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    发表于2013.08.07 18:44:42
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    长知识了
    发表于2013.08.07 15:11:42
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    112.065.223.***
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