02.15 2.3英寸相機的技術討論

畫幅或許永遠都會是相機玩家之間最津津樂道的話題之一,隨著手機的崛起,相機越來越走向專業化設計的小眾路線上,因此才有看衰出貨量走勢的說法,而對於小尺寸傳感器卡片機來說,日子簡直一天比一天難過,所以有不少朋友覺得1/1.7、1/2.3英寸等等在相機領域已經沒有存在價值,但這個說法未免太絕對,太缺乏前提,其實小畫幅在技術上還是有一些很有趣的地方。

相機除了民用之外還用商用,比如機器視覺工業產品檢測。在這些領域裡,1英寸及以下畫幅的傳感器才是金字塔的根基:功耗低便於大量佈局;USB連接統一電源、觸發和閃光易於管理;大像素低密度做超高幀率全局快門不費勁,比如1/2.3英寸就能做164fps的全高清輸出,此時的像素邊長為3.45微米,與2600萬的APS-C非常接近(3.76微米),在工藝相同的情況下就有近似的靈敏度閾值和量子效率,對細節要求不那麼高(但要夠準)的工業相機來說,小畫幅從性能、鋪設和成本等方面都有著明顯的優勢,短時間內都不會被替代。

彆著急否定!關於1/2.3英寸相機的技術討論

至於民用的小畫幅卡片機,各種問題都出自於它相對尷尬的定位,速度不敢太快(比如連拍就限制在10fps)、功能不敢太齊(比如不能上相位差對焦)、硬件規格必須受限(比如EVF只能選用64萬像元533X400分辨率版,而目前即便236萬像元1024X768也都只能算是中低端了,RAW也頂多到12bit)……

所以,以1/2.3英寸為代表的小畫幅最擅長,也應該是在民用相機端唯一可以發力猛做的事情就是長焦,可能大家都知道小畫幅易於做長焦,但背後的原理可能不一定清楚,簡單說一說吧:

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傳感器能“看到”多大的範圍取決於視場角,視場角是由鏡頭提供,但受制於傳感器的尺寸。如上圖,此時對焦到無限遠處,像距正好等於焦距,所以像就在傳感器位置上,設焦距為f,傳感器對角線長為2d,視場角為2θ,不難看出它們之間的關係就是2θ=2x arctan(d/f),在使用50mm物理焦距鏡頭時,全畫幅視角46.7度,而1/2.3英寸就只有17.5度,視場變窄就意味著等效焦距變長,這就是小畫幅賺長焦的簡單技術背景。當然你也可以簡單粗暴理解為小畫幅只會用到鏡頭中心部分區域,因此它相當於“放大”了這個部分,等效長焦。

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但就算是這樣,當它真正發揮小畫幅易於賺長焦優勢時,因為鏡頭成本的關係也依然會把它的價格推到一個相對較高的高度,比如尼康P1000,雖然有3000mm級別的光學變焦,但價格與體型都已經直接與單反無反正面對抗,結合前面說到的定位限制,總會讓人覺得有些尷尬。所以對於小畫幅長焦機來說,卡好體型、變焦幅度與價格的中間點還挺重要的,目前來看做得比較好的可以有24-720mm光學變焦,機身一掌可握,放在褲兜裡就能出門(支持Micro USB充電,如果正好手機也是此接口,出門還能再省掉一個適配器),支持傳感器全寬採樣4K,支持觸控操作……

代表機型有索尼HX99,而這種鏡頭可以縮進機身內的設計叫做沉胴式設計,尼康Z 24-70mm F4、14-30 F4以及佳能EF-M 15-45mm等鏡頭都採用了類似的設計,在不使用時將內部鏡片沉積在一起,體現在HX99、RX100等卡片機身上就是鏡頭縮入機身內,要知道HX99可是有足足11片鏡片,即便鏡片尺寸很小,但能達到這樣的設計也並不簡單:

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這是2008年公開的奧林巴斯8片3段沉胴式專利設計方案(國內專利公開號CN101126832A),看著小巧的變焦結構其實具備相當的複雜度。

當然,1/2.3英寸有的缺點它都有,比如因為畫幅太小而導致瑞利判據失效的極限衍射光圈會明顯更大:入瞳徑為D的理想光學系統極限分辨率角就是1.22λ/D,在相同拍攝環境下波長是相同的,顯然D越大,分辨率角就越小,而像1/2.3英寸這樣的小畫幅卡片機,比如HX99,在廣角端只有4.25/3.5=1.2mm,長焦端118/6.4=18.43mm,更大畫幅鏡頭很容易就可以在等效焦段(能達到的前提下)超過這個數值。事實上這也正是小畫幅成像細節較差的原因之一:雖然它的空間採樣率很高,但光學極限決定了它採樣到的信息重複率高,細節表現力不佳。長焦端雖然理論上因為入瞳徑變大會提高分辨率,但又會因為F值降低而速度變慢,不得不上高感光度,在畫幅小、輸入信號低、信噪比先天就沒優勢的前提下,還要加高倍像素內程控增益,所以小畫幅長焦端想要有出色的出圖質量,對拍攝環境的要求可想而知。

不過手持多幀技術可以一定程度上緩解這個問題,只可惜HX99限制了多幀只能JPEG輸出,但可以手動設置ISO,比如在光線條件還不錯的前提下可以通過手持多幀來提高細節,當然如果心態夠好的話還能自己手持連拍RAW再手動堆棧,動態範圍和信噪比都可以有比較明顯的提升(當然,比較麻煩,而且並不保證成功率),比如下圖就是ISO 800多幀和單張的區別,注意看畫面中心部分,多幀的印刷紋理細節明顯好好一截:

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把ISO提高到1600,同樣左側是多幀,右側是單張,依然可以看到多幀處理後的文本細節要細緻得多:

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除此之外,本身F制光圈就不大,再加上等效光圈的影響,1/2.3英寸即便在長焦端也很難實現強力的虛化,1/2.3英寸傳感器在物距10米左右等效720mm F6.4全開,景深超過0.62米,如果換成全畫幅傳感器,在相同等效焦距和F值的情況下,景深只有0.07米。

小尺寸雖然在體型上可以有優勢,但在設計上其實也是有犧牲的,比如前端無法做大直徑凹鏡,且鏡後距非常短,這意味著它會存在較大幅度的暗角(漸暈),因此實際上看RAW文件不難發現廣角端四角存在很明顯的遮擋:

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等效24mm廣角端,上圖為RAW,下圖為同步輸出的JPEG,注意看四角:

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所以最終輸出時只能將視場角冗餘一部分後再進行裁切,而且為了彌補漸暈造成的亮度差,可以明顯看到最終輸出的邊緣部分噪聲更大(強制提高亮度),即便是ISO100。而HX99在長焦端也存在裁切,只是幅度稍小一點而已:

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等效720mm,上圖為RAW,下圖為JPEG,可以再看看裁切幅度:

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不過,產品之間的勝負往往取決於你選擇的對手是誰,前面提到的不足都是針對較大畫幅的相機而言,而如果是與手機對比,大家的缺點都差不多,而相機的靈活性就極具優勢了,目前在手機端已可預見的大變焦系統最高等效也就200mm左右,而相機在能夠揣進口袋的前提下可以輕鬆做到700mm以上,並且照片可以通過NFC等方式發送到手機上,也很方便,除此之外還不佔手機存儲空間和不消耗手機電池。

當然在結合大變焦的前提下我個人認為最好用的還是視頻功能,HX99可以全寬採樣4K視頻,並且它的光學防抖效果還很不錯,720mm端也能保證很不錯的穩定性,比較適合在野生動物園等場所進行拍攝,不過大幅度快速橫移時可以看到捲簾快門帶來的果凍效應,這說明它的傳感器讀出速度並不算快。除了手動之外,HX99在視頻模式下只能使用AF-C連續自動對焦,照片模式下只能使用AF-S單次對焦,也是一個比較獨特的設定。雖然只有反差對焦,但在拍攝視頻時還是能比較快速準確地完成跟焦工作,小畫幅景深夠深在這時候也變成優質屬性了。

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假設可以把功能模塊給它按已有技術的較高規格去搭配,比如加上高分辨率高刷新率EVF、堆棧式CMOS和片上相位差對焦,這些都不會影響它現在的小巧身形,1/2.3英寸的性能和實用性都會更上一個臺階。但顯然,從產品線定位來看根本就不允許有這麼牛X的小畫幅存在,1英寸的RX100M6就已經是極限了,小畫幅被邊緣化更主要還是因為民用相機端更大畫幅的不斷崛起,從價格上壓榨了它的生存空間。實際上當照片與視頻播放平臺主要在手機時,小畫幅的成像素質劣勢也因縮圖的關係而大幅縮小,旅行出門依然有一定的存在價值,不應一杆子打死,大家覺得呢?


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