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Panasonic为何能实现AF高速化
电子、光学、机械总动员

【作者: 大槻智洋】2012年12月07日 星期五

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Panasonic在2008年后,刷新了镜头交换式数位相机的自动对焦(AF)技术,正因如此,该公司的相机产品所达到的速度和精度,超越了大多数的镜头交换机相机(表1)。日本Sony或韩国Samsung等公司现正抱着必死的决心要迎头赶上。这一次我就要来说明Panasonic为何能表现得比其他公司优异的原因。


自动对焦(AF)的方式有两种:一种是透过专用感测器测得与被拍摄物体之间的距离,然后镜头一次合焦完成,称为?位相差式?,Canon或Nikon的单眼相机即采用这种方式;第二种方式是镜头要找到画面清晰(即对比度高)的区域,把焦点锁定在该位置,这种方式称为?对比式?,Panasonic等公司的无反相机产品采用的即是该种技术。


相机技术人员对于对比式AF的看法是,在2008年10月Panasonic发售无反相机?DMC-G1?之前,市场上对?对比式AF?技术非常冷淡,当时皆普遍性这么认为。正因为对比式AF精确度高,在原理上比位相差式AF的速度慢,因此对要求快速进行拍摄的可交换镜头相机来说,一点用都没有。


对比式AF在原理上速度较慢的原因,在于它会每次每次分析照片的对比度,因此镜头的反应时间比较长。反之,位相差式AF先根据测距感测器的计算结果测得被拍摄物位置,然后只要将镜头聚焦就好,完全不需要任何回馈时间(图1a)。


这种方式也能得到足够好的精度,单眼相机制造商经历了20年以上的时间,才琢磨出相位差式的品质。只不过,位相差式需要的光学零件,也就是透过副反光镜(sub mirror)导入的光线以及入射后的光学像,来进行测距分析的感测器,它的存在阻碍了相机本体小型化,而且也因为如此,整个制造成本居高不下。


电子、光学、机械技术总动员

正因如此,Panasonic在开发相机?DMC-G1?时决定不采用位相差式AF。然而对比式AF要在速度上表现得跟相位差式一样好,得在电子、光学、机械等各方面都有所改进。 (图1b)


电子电路部分,有三个重点:


1. CMOS感测器的采用

AF用的预览画面约当CCD的2倍输出,即60 f/s。但假如CCD有办法以60 f/s的预览画面输出,预览画面也会变得粗糙,镜头对焦的精度会下降。可惜的是CCD在输出速度上的推进,就算投下庞大的投资成本(民生用途以上的产品),都难以成功;换句话说,CCD的输出速度远远不及MOS感测器。


2.高速的画像处理LSI的搭载

整个预览画面的对比度在推算后,经过各种补正,然后输出镜头聚焦的驱动信号。该LSI所发出的镜头对焦驱动讯号中,也有随着镜头聚焦时移动所附加的补正讯号。


3.决定相机本体和交换镜头两者之间的通讯方式

Panasonic在推出?DMC-G1?以前,采用的单眼相机Mount规格?Four Thirds System?属于位相差式AF。因为若想把60 f/s的预览画面的每一帧(frame)取出,找出聚焦镜头的位置是不可能的。这样一来,对比式AF方式会找不到被拍摄物的距离。


在这一点上,Panasonic和Olympus两家公司共同合作技术开发,找出确实有效的通讯方法,因此诞生了新的Mount规格?Micro Four Thirds System?。新规格的主要重点在于:相机本体和交换镜头单元之间共通的同期讯号、通讯指令的并列处理化、通讯端子方面增加两个端子等等。


合焦镜片大幅地变轻

此外Panasonic还把合焦镜片大幅变轻。这样一来,除了在镜头对焦时移动能变得更为敏捷,而且也在镜头对焦发生位置修正动作时,抑制随着动作产生的惯性。


Panasonic以前所开发之单眼相机用的镜头单元焦点距离为28~100mm、内藏的合焦镜片约30g。相对于单眼相机,无反相机的镜头单元采用的是28~90mm、合焦镜片重仅1g。 Panasonic还计画要把其他的交换镜头也大幅地进行轻量化:让90~400mm镜头单元的合焦镜片重仅3g、28~280mm的镜头单元重仅3.8g。


交换镜头单元的机构部分,也是Panasonic大胆进行改变的一部分──把gear和cam从合焦镜头的驱动机构中抽离,减少机构零件内的有隙空间。这样有助于合焦镜头在位置修正动作上的控制,并且能降低噪音。会这么做的原因就在于让合焦镜头轻量化;没有了gear或cam,仅靠马达本身,要移动镜头所需要的力已经足够。


Wobbling对应动画的关键

Panasonic在无反相机?DMC-G2?上彻底实现了可对应动画的AF。这个基础从?DMC-GH1?(2009年4月发售)这一款无反相机上经改良过的?连续自动对焦?(Continuous AF)开始。


所谓的?连续AF?,就是锁定对焦对象前​​后的动作变化,持续追焦的功能。摄影相机所配备的是一般的AF模式,在没有测距感测器的条件下,镜头在光轴方向上会不断产生细微振动,以有效测到焦点。


具体来说,镜头会朝向无限远处对焦一次,然后移动到最近处对焦一次,分别取得最远处和最近处的对比度,然后选择两者之中对比度大的来对焦。


以这样的方式来判断对焦的行进方向,进而发生的镜头颤动,就是所谓的?Wobbling?(颤动)。 Wobbling在最大对比度出现之前会持续不停颤动;如果之后焦点对象出现其他动作或是动作发生变化,Wobbling功能就会再起动(图2)。


Panasonic所面临的困难在于:如果动画在大画面电视上播出,也不会让观赏画面的人感觉到Wobbling的存在。随着Wobbling的发生,摄影角度自然会也会跟着改变,而且如果画面模糊的变化出现,也不能不处理。 DMC-GH1跟摄影相机相比起来,取像感测器面积大了十倍,景深(对焦后所见的深度)特别浅。


Panasonic为了避免一般人注意到Wobbling,让负责移动镜头对焦动作的马达有多种电流通过。电流波形有形似正弦、三角、方型等三种。周波数和振幅也分大、中、小。波形、周波数和振幅等数据产生哪些组合,详细的资料内容该公司并没有公开,例如镜头的移动开始时,振幅会特别变小等等资料。波形、周波数和振幅的选择,根据交换镜头单元或摄影条件而有所有改变。


此外,Panasonic在对比度最大处附近,缩小了颤动幅度;这是Panasonic为了避免最大对比度附近经常发生的?Hunting?现象。所谓的Hunting现象,就是相机尚未决定对焦方向之际,指示镜头对焦的重复性移动动作。


触控萤幕也派上用场

只不过,Wobbling并非万能。举例来说,如果被拍摄物后方出现对比度更高的物体,发生这种情况时,我们还是要让相机对焦在希望拍摄的物体上。针对这一点上,Panasonic的作法是让手握相机的人,将焦点锁定在被拍摄对象的脸或动作上。除了对焦在脸部表情或动作,并且还能持续追焦跟连续对焦。而能跟随的办法,是透过颜色的分布数据来进行判断分析。


Panasonic的DMC-G2,为了能在相机上明确锁定主要的拍摄对象,因此在相机​​的设计上加入触控萤幕。使用者用手指触控萤幕,就能追踪主要被拍摄体的动作。这对使用者而言虽是极简单的动作,但就足以大幅提升聚焦对象的选择精确度。


另外特别值得一提的一点是,积极地利用背后散景效果(bokeh效果),就可以简单拍出电影般的效果。举个例子来说,眼前这位男性正在说话时,让焦点放在该男性;但如果另一端的女性接着开口说话,也可以立刻对焦在该女性身上。也就是说,相机背后所附的萤幕因为具备触控功能,而得以直接手指触控萤幕上的人物,锁定要对焦的人物。


(作者大槻智洋 (Otsuki Tomohiro)为台北科技市场研究 CEO,otsuki@tmr.tw)


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