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Panasonic為何能實現AF高速化
電子、光學、機械總動員

【作者: 大槻智洋】   2012年12月07日 星期五

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Panasonic在2008年後,刷新了鏡頭交換式數位相機的自動對焦(AF)技術,正因如此,該公司的相機產品所達到的速度和精度,超越了大多數的鏡頭交換機相機(表1)。日本Sony或韓國Samsung等公司現正抱著必死的決心要迎頭趕上。這一次我就要來說明Panasonic為何能表現得比其他公司優異的原因。


自動對焦(AF)的方式有兩種:一種是透過專用感測器測得與被拍攝物體之間的距離,然後鏡頭一次合焦完成,稱為?位相差式?,Canon或Nikon的單眼相機即採用這種方式;第二種方式是鏡頭要找到畫面清晰(即對比度高)的區域,把焦點鎖定在該位置,這種方式稱為?對比式?,Panasonic等公司的無反相機產品採用的即是該種技術。


相機技術人員對於對比式AF的看法是,在2008年10月Panasonic發售無反相機?DMC-G1?之前,市場上對?對比式AF?技術非常冷淡,當時皆普遍性這麼認為。正因為對比式AF精確度高,在原理上比位相差式AF的速度慢,因此對要求快速進行拍攝的可交換鏡頭相機來說,一點用都沒有。


對比式AF在原理上速度較慢的原因,在於它會每次每次分析照片的對比度,因此鏡頭的反應時間比較長。反之,位相差式AF先根據測距感測器的計算結果測得被拍攝物位置,然後只要將鏡頭聚焦就好,完全不需要任何回饋時間(圖1a)。


這種方式也能得到足夠好的精度,單眼相機製造商經歷了20年以上的時間,才琢磨出相位差式的品質。只不過,位相差式需要的光學零件,也就是透過副反光鏡(sub mirror)導入的光線以及入射後的光學像,來進行測距分析的感測器,它的存在阻礙了相機本體小型化,而且也因為如此,整個製造成本居高不下。


電子、光學、機械技術總動員

正因如此,Panasonic在開發相機?DMC-G1?時決定不採用位相差式AF。然而對比式AF要在速度上表現得跟相位差式一樣好,得在電子、光學、機械等各方面都有所改進。(圖1b)


電子電路部分,有三個重點:


1. MOS感測器的採用

AF用的預覽畫面約當CCD的2倍輸出,即60 f/s。但假如CCD有辦法以60 f/s的預覽畫面輸出,預覽畫面也會變得粗糙,鏡頭對焦的精度會下降。可惜的是CCD在輸出速度上的推進,就算投下龐大的投資成本(民生用途以上的產品),都難以成功;換句話說,CCD的輸出速度遠遠不及MOS感測器。


2.高速的畫像處理LSI的搭載

整個預覽畫面的對比度在推算後,經過各種補正,然後輸出鏡頭聚焦的驅動信號。該LSI所發出的鏡頭對焦驅動訊號中,也有隨著鏡頭聚焦時移動所附加的補正訊號。


3.決定相機本體和交換鏡頭兩者之間的通訊方式

Panasonic在推出?DMC-G1?以前,採用的單眼相機Mount規格?Four Thirds System?屬於位相差式AF。因為若想把60 f/s的預覽畫面的每一幀(frame)取出,找出聚焦鏡頭的位置是不可能的。這樣一來,對比式AF方式會找不到被拍攝物的距離。


在這一點上,Panasonic和Olympus兩家公司共同合作技術開發,找出確實有效的通訊方法,因此誕生了新的Mount規格?Micro Four Thirds System?。新規格的主要重點在於:相機本體和交換鏡頭單元之間共通的同期訊號、通訊指令的並列處理化、通訊端子方面增加兩個端子等等。


合焦鏡片大幅地變輕

此外Panasonic還把合焦鏡片大幅變輕。這樣一來,除了在鏡頭對焦時移動能變得更為敏捷,而且也在鏡頭對焦發生位置修正動作時,抑制隨著動作產生的慣性。


Panasonic以前所開發之單眼相機用的鏡頭單元焦點距離為28~100mm、內藏的合焦鏡片約30g。相對於單眼相機,無反相機的鏡頭單元採用的是28~90mm、合焦鏡片重僅1g。Panasonic還計畫要把其他的交換鏡頭也大幅地進行輕量化:讓90~400mm鏡頭單元的合焦鏡片重僅3g、28~280mm的鏡頭單元重僅3.8g。


交換鏡頭單元的機構部分,也是Panasonic大膽進行改變的一部分──把gear和cam從合焦鏡頭的驅動機構中抽離,減少機構零件內的有隙空間。這樣有助於合焦鏡頭在位置修正動作上的控制,並且能降低噪音。會這麼做的原因就在於讓合焦鏡頭輕量化;沒有了gear或cam,僅靠馬達本身,要移動鏡頭所需要的力已經足夠。


Wobbling對應動畫的關鍵

Panasonic在無反相機?DMC-G2?上徹底實現了可對應動畫的AF。這個基礎從?DMC-GH1?(2009年4月發售)這一款無反相機上經改良過的?連續自動對焦?(Continuous AF)開始。


所謂的?連續AF?,就是鎖定對焦對象前後的動作變化,持續追焦的功能。攝影相機所配備的是一般的AF模式,在沒有測距感測器的條件下,鏡頭在光軸方向上會不斷產生細微振動,以有效測到焦點。


具體來說,鏡頭會朝向無限遠處對焦一次,然後移動到最近處對焦一次,分別取得最遠處和最近處的對比度,然後選擇兩者之中對比度大的來對焦。


以這樣的方式來判斷對焦的行進方向,進而發生的鏡頭顫動,就是所謂的?Wobbling?(顫動)。Wobbling在最大對比度出現之前會持續不停顫動;如果之後焦點對象出現其他動作或是動作發生變化,Wobbling功能就會再起動(圖2)。


Panasonic所面臨的困難在於:如果動畫在大畫面電視上播出,也不會讓觀賞畫面的人感覺到Wobbling的存在。隨著Wobbling的發生,攝影角度自然會也會跟著改變,而且如果畫面模糊的變化出現,也不能不處理。DMC-GH1跟攝影相機相比起來,取像感測器面積大了十倍,景深(對焦後所見的深度)特別淺。


Panasonic為了避免一般人注意到Wobbling,讓負責移動鏡頭對焦動作的馬達有多種電流通過。電流波形有形似正弦、三角、方型等三種。周波數和振幅也分大、中、小。波形、周波數和振幅等數據產生哪些組合,詳細的資料內容該公司並沒有公開,例如鏡頭的移動開始時,振幅會特別變小等等資料。波形、周波數和振幅的選擇,根據交換鏡頭單元或攝影條件而有所有改變。


此外,Panasonic在對比度最大處附近,縮小了顫動幅度;這是Panasonic為了避免最大對比度附近經常發生的?Hunting?現象。所謂的Hunting現象,就是相機尚未決定對焦方向之際,指示鏡頭對焦的重複性移動動作。


觸控螢幕也派上用場

只不過,Wobbling並非萬能。舉例來說,如果被拍攝物後方出現對比度更高的物體,發生這種情況時,我們還是要讓相機對焦在希望拍攝的物體上。針對這一點上,Panasonic的作法是讓手握相機的人,將焦點鎖定在被拍攝對象的臉或動作上。除了對焦在臉部表情或動作,並且還能持續追焦跟連續對焦。而能跟隨的辦法,是透過顏色的分佈數據來進行判斷分析。


Panasonic的DMC-G2,為了能在相機上明確鎖定主要的拍攝對象,因此在相機的設計上加入觸控螢幕。使用者用手指觸控螢幕,就能追蹤主要被拍攝體的動作。這對使用者而言雖是極簡單的動作,但就足以大幅提升聚焦對象的選擇精確度。


另外特別值得一提的一點是,積極地利用背後散景效果(bokeh效果),就可以簡單拍出電影般的效果。舉個例子來說,眼前這位男性正在說話時,讓焦點放在該男性;但如果另一端的女性接著開口說話,也可以立刻對焦在該女性身上。也就是說,相機背後所附的螢幕因為具備觸控功能,而得以直接手指觸控螢幕上的人物,鎖定要對焦的人物。


(作者大槻智洋 (Otsuki Tomohiro)為台北科技市場研究 CEO,otsuki@tmr.tw)


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