2008/05/13

Canon SLR 的對焦系統

        以往對焦的方法可以分成主動式和被動式對焦方式,主動式如利用紅外線、超音波對焦等,利用相機發出紅外線或超音波等訊號,使相機的Sensor感測、分析其距離的對焦系統;被動式對焦方法比較為我們現在常用的相機所採用,主要是利用環境光源透過透鏡產生的view來分析其對焦條件,一般我們常見的被動式對焦方法有:對比式和相位式對焦系統。我們以下的部份會針對相位式來概論......因為截自目前為止,CANON的D/SLR都是採用相位式對焦系統,而DC和某些DSLR的Live View function則是使用對比式對焦系統。
        這一篇文章很久、很久以前就寫了,不過後來高頡發現寫技術學文件的瀏覽綠真的是很低、很低,所以就會考慮很久、很久......畢竟寫一個沒人看的文章,著實感覺C/P值很低(又會佔版面),但是眼見現在數位單眼反光相機越來越普及,但是一般人對單眼反光相機的知識卻不及器材的快速發展,有時候對無一件事情的看法有歧見時,問題的本身來自於未知。為什麼猶豫好久才PO呢?因為這個議題一講下去就會牽拖一堆出來,會越寫越沒完沒了.......。基本上,高頡還是以概論為目的來寫這一篇文章比較妥當(看到這裡,請不要轉台!)。各家的對焦系統有不同的設計方式,不過以下大致上都是以CANON DSLR來舉例子(高頡自己用CANON系統的呀!)。所以這一篇文章,不是在介紹5D Mark II,而是藉由對5D2的對焦系統,來了解目前Canon D/SLR的對焦性能。

 


        以下這張動畫圖是對比式(反差)對焦系統的示意圖。這個對焦系統的好處是......便宜,因為不需要額外的硬體架構,只需要利用投射到感光元件上的影像利用演算法分析就可以做到。利用計算某一平均分布(眼睛圖的右邊)的對比度,也就是反差值(最大、最小差值)找出最大(Max)的反差,就是合焦點!未合焦的時候(左圖的眼睛圖模糊),各個畫素的亮度方佈(下圖的右邊第三張圖)差值很小,當移動鏡組時,差值漸漸變大,直至達到最大的反差。當然啦!這跟"光碟機"focus on道理是差不多的,找最大的值可能必須多取個點,確定已經過了最大值,再將鏡組移至合焦位置即可,對焦速度就端看韌體內的演算法而論了!但是要驅動馬達往哪一個方向走才是最大值呢?所以如果猜錯邊,就會花一點時間回頭。如果是firmware的作法,可能第一步會先判斷方向(總有個方向會越來越大,所以先讓鏡組前後移動一下),第二步才進行對焦動作。


        如果對焦點是下圖中的紅框,在影像上的分析,放大來看,在未完成對焦前(out of focus),框框內的像素與對比的關係就會變得差異很小(反差小);圖中的下圖是當對到焦時(in focus),框框內的像素(pixel)對比高。以此方式的對焦得到最佳的焦平面,這一方法普遍使用在一般的DSC和Webcam等對焦行徑的鏡頭行程小的鏡頭。


    相位式對焦系統的示意圖如下所示:(圖檔是動畫),可以耐心看一下!再聽高頡詳述(因為這個網站的說明不是看得懂的文字http://pixinfo.com/cikkek/fotoelmelet_autofokusz),在移動鏡組時,光透過鏡頭入射進機身,此時反光板(flip mirror)尚未上提,此時光路會分成兩路行進,一路透過反光鏡入射至五菱鏡,讓眼睛看到鏡頭外的景象;另一路會穿透過反光鏡(main mirror)經由另一組鏡片(sub mirror)投射至分光透鏡並分成兩路至成對的對焦感測器(AF Sensor)上。此時對焦感測器上的兩組訊號相位相同時,表示合焦完成!此一示意圖是簡單闡述單一方向、線性感測器的對焦方式。單眼相機的AF Sensor排列方式的不同,就會對對焦系統產生不一樣的特性。
    可以點選這個網站(http://graphics.stanford.edu/courses/cs178-10/applets/autofocusPD.html)。這個網站有線上的示意圖,你可以移動軸(change the lens position),觀看動畫影像得知相位式對焦系統的概念。當你點選flip mirror to take picture(拍照),你就會發現光路就直接入射至底部的CMOS sensor了!


    呼........原理終於解釋完了......如果對照到Canon 5D mark II上的結構圖,把它放大來看,就可以比較清楚看到上述的相位差對焦系統的長相(紅色箭頭所指位置)。下圖的第二張圖為光路的示意圖,在半按快門拍攝時,光線由鏡頭進入,在反光鏡上反射影像進入五菱鏡,這一部分的光影提供給光學觀景窗(Optical View Finder, OVF)取景,並可進行測光,而在透射過反光鏡的光影,則經由Sub mirror折射入AF Sensor作為對焦分析用;當按下快門鈕,反光鏡上提,光線則直接曝在COMS sensor上進行拍照的曝光動作,請比對下圖的第三張圖,對焦系統在穿透Main mirror(反光鏡)之後,部分光源(約30%)經過Sub mirror折射至Reflective mirror(反射鏡)再次折射,透過Secondary Image-formation Lens投射至AF sensor上進行分析。





    上一段敘述的第一張圖,紅色箭頭所指的,就是這個自動對焦模組,負責相機的對焦任務。這個組件,如果各位看不懂長相,高頡在底下還有準備好零件圖讓你看啦~

    由這一張圖可以看得更清楚,上部零件就是反光鏡組;下部零件就是自動對焦模組的結構圖。


    反光鏡的詳細結構圖。

    自動對焦模組的零件爆炸圖:


    由於上述對焦示意圖所闡述的原理是指單一線性Sensor;而實際上,對焦系統是由兩個縱向橫向線性感測器(linear sensor)所組成,如下圖所示,紅色框框代表從觀景窗上看到的對焦點框框範圍,而這個對焦點上有個2條線性感測器(Sensor)。所以我們會在CANON的官網上看到5D2規格裡指稱:『Nine AF points - eight horizontal-line sensitive at f/5.6 and one cross-type, vertical-line sensitive at f/2.8 - combine with six invisible Assist AF points to provide speedy and precise focusing of even fast moving subjects.』,就是說5D2的對焦系統,包含有9點可選擇的自動對焦點,隨附六個額外的自動對焦補助點(AI function active)。其中,中央對焦點是十字形(橫向F2.8的線性感應器 + 縱向的F5.6線性感應器)。以下圖來說,就是一個十字型對焦點的長相,由橫向和縱向感測器組成,第二張圖是5D2的中央十字形對焦點的實際圖。




        上一段話的含意,即代表橫向F2.8感測器在使用光圈大於F2.8的鏡頭時是有效的,在暗光環境下也能實現高精度的對焦。而縱向的F5.6感應器則是使用光圈大於F/5.6的鏡頭,可正確地有效率又快速執行對焦任務。亦即F2.8感應器在暗光下具有較高的對焦精度,F5.6感應器具有較快的對焦速度(從模糊到合焦)。此外,橫向感應器用於對縱向反差影像進行相位偵測、 縱向感應器對橫向影像反差偵測。也就是說~5D2的中心點對焦點是十字型對焦,但如果配置的鏡頭最大光圈為F4.0(小於F2.8),則中心對焦點只能觸發F5.6縱向感應器的反差檢測(只能當一字型對焦使用,不具備高精度)。甚至配置的鏡頭最大光圈小於F5.6時,"可能"不能正常的對焦。所以5D2在光線不足的情況下,中央對焦點能保證橫向與縱向的反差精度。
 



    上面的敘述需要補充以免誤解,相機在半按快門對焦狀態時,均是使用最大光圈在運作(除非你去按"景深預視鈕"),等到合焦完成、按下快門那時才會縮光圈拍攝。你也不需要太擔心買到了小光圈鏡頭,造成不能觸發F5.6縱向感應器,導致對焦系統完全失效,因為大部分的鏡頭的最大光圈至少都大於F5.6。有但書,當你裝上增距鏡(加倍鏡)時,你的最大光圈會因此而受到限制,所以有可能造成裝上增倍鏡之後,對焦系統就失效了~~對得很慢、對得不準......反過來說,5D2搭配大於F2.8光圈的鏡頭,使用十字對焦點,會比其他小光圈鏡頭的速度來的更快和更精準(在更嚴苛的暗光環境下為前提喔!)。



         問題來了,為什麼要分成F2.8和F5.6的線性感測器??這一點,必須由系統控制學的角度去切入探討,如果沒有這一方面的基礎,就不會很懂,因為光路在透過反光鏡的進光量大約只有三成到AF Sensor,所以如果又處於暗光的環境下,會更難以分析影像的相位,所以這兩個線性感測器存在著不同的增益值(gain),負責不同光源環境的對焦控制。而兩個感測器的控制演算法特性不大一樣,兩者目的都是達到Target(理論值相位差=0),但F2.8的Sensor特性會針對相位差的誤差達到極小值而努力,而F5.6的Sensor特性會針對減少相位差的速度達到最大值而努力 - 小步走可以走得很準,大步走可以走得很快!話說回來,高頡的Canon 5D2只有一個十字對焦點呀~
        另一個議題,對焦過程中,無論是反差式還是相位式自動對焦。都是採用環境光源下投射到Sensor的影像進行對焦分析,所以選擇反差明顯的位置進行對焦才是正確的方式,亦即有些人有疑問,為什麼對單色、沒有紋理如白牆、天空等對焦會失敗的原因,是因為這類的影像並沒有紋理進行影像上的反差、對比分析,所以被動式的反差或相位對焦方法都不會成功對焦的原因。而相對於反差式的相位式對焦,因為透過反光鏡的光線有限(只有約略三成進光量),所以當環境光很暗的時候,就會造成對焦不易。所以AF function會特別強調在F2.8的Sensor,是針對暗光環境下進行對焦的精準度改善。
        喔喔!高頡想到.......Canon的DSLR系統有個Live View功能,使用上很像在使用DC一般,拍攝過程不需要透過光學觀景窗,而是可以採用LCD預視。實際上,要能在LCD上預視影像,表示必須將反光鏡上提,讓光線直接進入CMOS Sensor曝光,因為原先的結構是反光鏡上提之後才進行AF對焦,所以當採用LiveView mode的時機時,對焦方式是採用對比式自動對焦(甚至有些有人臉對焦功能,也是必須用這種方式)。這會產生兩個新議題!一個是對焦速度的差異(對比式的對焦方式就是慢~相對於相位式的差異),一個是對焦精準度問題(焦點平移的發生時機)。
        我們知道上述的原理,相機在進行對焦的時候,必須要在反光鏡尚未上提前讓AF sensor進行相位偵測、分析,這個時候是無法將影像曝在CMOS上的(如下圖圖A所示)。所以Canon 現行的Live View 模式,如圖B是先將Main mirror上提,讓CMOS曝光、顯示影像在螢幕上,這時候你可以看到觀景窗上是一片黑暗!問題來了!~~光路就沒經過原本的AF sensor了,所以不可能使用原本的相位式對焦模式,所以此時機是使用對比式的方式對焦(慢吞吞)。對比式對焦方式因為速度相對於相位式慢多了,所以一般都是用在鏡組行程短一點的機構,例如DC、WEBCAM這類的。當然,亦可用另一個作法,在對焦進行時,暫時將反光鏡放下,讓AF sensor做動,對好焦之後再上提反光鏡,進行LCD預視拍攝!前者的好處,就是按下快門到拍攝時間將因為反光鏡不用再上提,所以快門遲滯現象會比較短。後者因為採用原本的AF sensor,所以對焦速度會快很多,但是......螢幕上會看到合焦期間一片黑暗(因為為了採用快速的相位式對焦,反光鏡在對焦進行時,必須處於圖A的狀態)。


        第二個新議題,就是我們常聽到的對焦時產生的焦點平移現象,所謂的移焦高頡先來講解一下為什麼會有焦點平移這個問題好了!我們再拿出下面的圖來解釋。對焦和曝光拍攝,在這個圖上是兩個光路!一條是到AF sensor、一條是到CMOS sensor。這兩個路徑,分別會產生兩個View!!!一個是給AF sensor看的,讓他分析什麼時候合焦完成!合焦完成後,CMOS sensor 在使用者按下快門,機身內反光鏡升起、快門簾幕動作完成曝光;這個時候,圖片理論上就是合焦完成時的View.......但是這兩條光路的變因很多......所以就會造成焦點平移.......怎說呢?整體的關係,還包含光學觀景窗上的View!當OVF、AF sensor和CMOS sensor三者看到的景象是一致時,就不會有所謂的焦點平移現象。反光鏡組如果有公差,光軸會偏移,造成AF sensor非理論值!所以在機身出廠前,會先調整這一部分的table,寫入相機的韌體中,讓機身裡面的控制條件一致......我們由前面的原理概論知道,對焦的方式是利用相位偵測來實施對焦的實現,所以對焦的性能曲線必須跟曝光的光路性能趨勢相同。箇中的道理,如控制理論裡面的offset相同,因為屬不同的兩個路徑,存在一個offset值!所以在機身韌體裡面,會將此offset值寫進ROM裡面。所存在的參數,包含鏡頭進程值(鏡頭係數)、AF sensor與CMOS sensor的關係式(機身係數),就是因為兩條光路,所以才會造成CANON可能在這個對焦平移問題上出現差錯!所以你如果有這個困擾,要拿去調焦,這個動作就是在做韌體上的calibration以校正機身上的係數,只要把這三者的關係式調整好,就不會問題,甚至在高階機種上,還開放調整這個offset值!


    上述的議題,實際上可以在Live View上得到驗證。當您的機器是有焦點平移的現象時,使用對比式的對焦方式,也就是影像直接在CMOS Sensor上直接經由影像對比、反差的分析,確定對焦完成(動作跟平常經由相位對焦方式不同),焦點平移現象就可能會消失。所以有些人會有Live View在焦平面上的精確度變好的感覺.....。實際上,就是因為對比式對焦方法就是單一路徑,跟相位式對焦方式不一樣呀!!!哎......還好高頡的設備沒有焦點平移嚴重問題。

    越講越多......想要解釋的更清楚又必須撩下去花時間............不管怎樣,了解原理和概論之後,除了對對焦系統比較有初步的認知之外,還可以學會看機身的規格,人家說,『知己知彼,百戰百勝!』了解自己的機身性能,有助於拍攝時不會遇到一些很"冏"的情況。有時候......無知會造成爭辯,爭辯會生出嘴砲......不管如何,5D2的對焦系統比起中階機種(如40D、50D等)來說,的確是規格爛多了!但是購買無敵兔的使用者,大部分是為了他的full fram (FF全片幅) 吧!高頡平常使用習慣約九成以上都是使用中央對焦點(實際上追焦過程也不會在微光下使用),所以並沒有無敵兔只有一個十字對焦點的困擾!倒是高頡的L鏡都因為無敵兔而完全解放了~這是高頡等了好幾年的結果呀~

        另註:SONY於發文近日發佈的α55和α33,跟本文指的結構不同,所以不適用本文。他是使用半透明反光鏡,可以在LCD取景情況下實現相位式自動對焦(環境光景可穿透過反光鏡),這系列的機身結構,如果要說起就可以另闢一文了!值得一提的是,Canon類似的專利,主要就是要解決在Live view自動對焦issue,概念應該也是讓半透明的反光鏡不需上提,讓AF sensor可以接收外界影像,但反光鏡半透明讓光線可以穿透,進而實施相位式偵測對焦。不過,目前為止還沒有聽說CANON有哪個DSLR計畫這樣做........


         SONY的方式,反光鏡幾乎已經沒有原本的作用,因為結構上α55和α33系列都已經沒有光學觀景窗,所以沒有五菱鏡。大部分的光景會穿透反光鏡達到CMOS sensor進行曝光,一部分的光線會折射到上部的AF sensor進行相位式對焦。所以此系列已經不叫做DSLR了,而叫做DSLT。(此T為Translucent),它能實現錄影時的快速自動對焦(相位偵測)、快速連拍(無反光鏡動作)。

5 則留言:

  1. 我想問一下,那麼最大光圈小於5.6的鏡頭,要如何利用相位差對焦?
    因為光線跟本照不到5.6的線啊。

    58MINISUKI@GMAIL.COM

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    1. 你好,你可能誤解其中的對焦原理。不管光圈多少,都可以實現相位對焦,因為對焦點不分用哪一種光圈值。只要你所謂的"光線"有落在對焦點上,就可以實現相位差對焦。
      對於本篇的5D2而言。最大光圈小於F5.6,只是少了一個方向的對焦偵測,並非失效。

      如果你指的是鏡頭的最大光圈,那當然,會失效。只是這種鏡頭很難看到......至少我沒碰過這種鏡頭........除非你要接接環或者其他非原廠鏡頭,這幾種情況本來就不奢望能對焦了。

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  2. 好文!
    受教了!
    拜謝~~~

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