快速反差對焦的秘密
夏昆岡 于 2013.02.24 19:06:31 | 源自:www.soomal.com | 版權:原創
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同樣是反差對焦,為什么速度差異那么大?這其中有不少關鍵技術,之前我們也寫過這方面的科普文章,這篇爭取更詳盡的描述一下。決定反差對焦速度的有三個關鍵點:更新頻率、算法以及鏡頭的設計。

反差對焦的基本原理

反差對焦的基本原理很簡單。

我們之前寫過數字圖像入門,強調了一個最基本的概念,就是圖像其實就是一個數字矩陣,畫素的亮度值、色彩值都是可以用整數來表達的。而相機通過對焦框獲得場景中的一小塊圖像,其實也就是獲得了一個小規模的數字矩陣,通過對比這矩陣中的最大值和最小值的值差,就能確定反差程度。僅有一幀圖像是不夠的,需要一組序列圖像才行,通過對比一組圖像的反差,確定反差最大的那幀,即為合焦幀,就是對上了焦的那幀。這是反差對焦的基本原理,是一個很簡單的數字對比過程,并沒有什么奧秘可言。

要讓篩選變快,需要兩個條件,一個是降低序列圖像的規模,減少對比次數;一個是更加快速密集的數據源,讓數據提供變得更快。

對焦過程

為了說明對焦點位置和影像清晰度的關系,我們又補充了一張圖。使用F1-F8來表示8個不同的焦點位置與被攝物體影像清晰度的關系。

我們可以將反差式對焦大致過程簡單描述:

  • 驅動鏡頭,沿著指向被攝物的軸線改變對焦點,并在每個對焦點上獲取影像,類似于逐點掃描
    先將每一個焦點上獲得的影像數字化,即一個整數矩陣
    求出圖像的反差值,其實就是簡單的數值比較運算,求最大值和最小值的值差。
    將每一個焦點上得到的反差值進行比較,得到最大值
    驅動鏡頭,將焦點放置于反差值最大的焦點上,即得到正確的焦點,即對焦完成

感光器的采樣幀率

感光器的采樣幀率,也被稱為實時更新頻率,這個參數一直不愿意被提及,除了松下,因為大部分感光器的這個參數有些羞于見人,這也是很多相機反差對焦性能不佳的關鍵原因。

目前最高性能的采感光器用幀率可達240FPS,這個240FPS不是指的它可以完成每秒240幀靜態圖像的拍攝,也不是指其可以實現240FPS的視訊拍攝,所謂采樣幀率,就是指的在取景模式下,感光器的每秒采樣幀數,參數越高,感光器傳遞給圖形處理器的數據也就越密集。相比老的感光器30FPS的水準,新感光器獲取10幀的時間由1/3秒縮短到了只要1/24秒。

鏡頭的采樣幀率

鏡頭也有采樣幀率的概念,也是用FPS這個幀率單位表達。反差式對焦的過程中,會驅動鏡頭搜尋焦點,而每秒的驅動次數,也就是采樣幀率,也可以理解為鏡頭的驅動頻率,即鏡頭可以每秒鐘被馬達驅動N次,即焦點可以更改N次。

鏡頭要實現高采樣幀率,也需要新的設計。在之前的單眼自動鏡頭設計中,多采用直流馬達、音圈馬達、超聲波馬達,這些馬達的換能方式不盡相同,但工作狀態卻很相似的。隨著反差對焦技術的興起,一種以前不太被重視的馬達類型也得到更大范圍的應用,這種馬達就是步進馬達。

步進馬達是利用脈沖訊號來完成指令控制,每一次脈沖都能精確的控制轉動角度,而且不存在積累性誤差,因此驅動鏡片的距離也是可以得到精確控制的,這是步進馬達與其他馬達最大的不同。而這種特性,非常適合與反差對焦方式配合,反差對焦需要沿著軸線搜尋焦點,而每一個搜尋點需要有精確的位置,以便返回,因此步進馬達是最佳的搭檔。

在當年,步進馬達不受重視的重要原因就是步進馬達的驅動頻率較低,導致了其整體的驅動效率不夠,但隨著機電水準的進步,這些問題已經獲得解決。

只是提高步進馬達的驅動頻率還不夠,因為小型化設計中,馬達自身的體積受限,馬達驅動力也會因此受限,要確保每次驅動都及時到位,需要對鏡頭進行優化,要讓馬達盡可能的少驅動鏡片,盡可能的只驅動小型輕量鏡片,這樣每次驅動才能實現快速反應。這種設計被運用到某些新鏡頭設計當中,頂級的M.zuiko 75毫米定焦鏡頭,僅僅需要驅動一枚很小的鏡片即可完成對焦,這樣的設計,效率能得到最大化的保證。

當新型的馬達和新型的鏡頭設計能靈活的配合運用時,鏡頭的采樣幀率才能達到理想的水準,只有鏡頭幀率大于等于感光器幀率時,感光器的采樣幀率才會有實際意義,感光器的每一幀才能算得上是新的采樣。

算法的影響

有了密集的高頻率數據源,在算法不變的情況下,對焦速度顯然會明顯的提高。反差式對焦的過程會對焦點進行一次甚至多次前后掃描,如果掃描點是沿著軸線均勻分布,那么對焦效率是最低的。

還是用前面的圖作為演示,該例中,使用了8幀得到了焦點。如果在F1時,發現反差值較低,直接跳過F2到F3,會偵測到反差值得到了迅速提高,此時再縮小“跳躍距離”進入到F4、F5,這樣一來就節省了一幀,速度自然就加快了。當進入到F6、F7時,會發現反差值在下降,此時可以判斷為已經越過正確的焦點,從而停止進入F8的動作,這樣整個過程節省了2幀,速度可以提升25%。這就是算法對速度的影響。

實際情況遠比這復雜,最典型的莫過于弱光環境下的對焦,弱光環境中獲得圖像反差度較低,而且感光器也容易出現更多雜訊,這些都會干擾判斷,如果從一組圖像中篩選出焦點,會變得更加困難,目前大部分反差對焦的機型弱光下對焦性能明顯下降,甚至不可用,只有少數能做到影響不大。

快速對焦是系統的綜合體現

現在很多機型都在都在用“快速”“迅速”等詞匯形容自己的對焦速度,就連對焦最慢的XXX也在自詡“高速”,但實際情況卻遠不是那么回事。快速對焦靠技術不靠嘴炮。

要實現快速對焦,高采樣幀率的感光器,高采樣幀率的鏡頭,優質的算法缺一不可,它們是對焦過程的參與者,新機身配上老鏡頭,不會快,老機身配新鏡頭改善也會很有限,指望著靠算法就產生翻天覆地的變化本身也是錯誤的,能有改善就算不錯。快速對焦是系統的綜合體現,性能由最短板決定。

如果我們能夠基本了解快速反差對焦的關鍵點,消費中也就沒有那么容易迷茫了。

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