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【相机笔记】#大合辑#单反对焦系统面面观

 cibber 2015-04-09

关于AF系统你需要知道的

导语:了解自动对焦的技术与特性,不仅能在选购相机时事半功倍,同时还有助于提高拍摄成功率,为获得清晰照片奠定基础。

检测方式

自动对焦的基础是获取被摄对象与相机之间的距离。根据检测方式,常见的影像记录设备可以分为3类:

  • 对比度检测:感光元件通过不断刷新,寻找整个对焦距离范围上反差最强点作为合焦位置。在这一过程中,对焦镜组会在整个对焦距离范围上进行反复的前后移动,俗称“拉风箱”。

  • 相位检测:单反相机在光学取景模式下,使用反光板下方的独立AF模块通过测量光线获取对焦镜组的移动方向和距离。理想的相位检测AF系统只需要1条驱动命令(如对焦距离向前移动5m)即可完成对焦。

  • 混合检测:一些非单反相机通过感光元件上的专用像素进行相位检测,获知方向和大致距离。在接近合焦位置或环境亮度较低时,可能需要切换到对比度检测才能完成合焦。混合检测结合了对比度检测与相位检测的优点,能够节省对比度检测在寻找阶段花费的时间。


对比度检测混合检测相位检测
执行部件感光元件感光元件独立AF模块
优势对焦范围灵活
合焦精度高
可在弱光下合焦
不影响画质
对焦范围灵活
合焦精度高
可在弱光下合焦
响应速度快
不影响画质
不足对焦速度慢
连续对焦时会拉风箱
对画质有一定影响对焦位置不灵活
对焦范围有限
存在跑焦风险

▲单反相机的独立AF模块位于反光板下方

什么是跑焦

跑焦,泛指对焦不准确。单反相机在光学取景模式下,实际测量的是被摄对象到达独立AF模块的距离,而不是到达感光元件的距离。当机身、镜头零部件公差较大时,就会出现对焦偏差。使用感光元件直接对焦的对比度检测和混合检测,则不存在这种问题。

相关概念

工作亮度

无论采用何种检测方式,都需要在一定亮度下才能进行自动对焦——当环境亮度低于对焦系统要求的最低值时,就有可能出现对焦错误、无法对焦等情况。

目前,相位检测最低可以达到-3EV(ISO-100),而对比度检测则可以达到-4EV(ISO-100)。EV(Exposure Value)即曝光值。0EV可以是F1.0光圈、1秒快门;也可以是F1.4光圈、2秒快门……-2EV(ISO-100)表示所处环境需要F1.0光圈、4秒快门、ISO-100才能正确曝光。

需要说明的时,单反相机的独立AF模块通常只有中心对焦点能够达到最低工作亮度。以佳能6D为例,它的中心点可以达到-3EV(ISO-100),而其他10个对焦点只能达到-0.5EV(ISO-100)。理论上,对比度检测系统在整个画面区域上所有位置都可以达到最低工作亮度。

参数的换算

索尼A7II的最低对焦亮度为-1EV(ISO100,F2.8),索尼A7/A7R是0EV(ISO100,F2.8)。换算下来,性能其实一样。

组合方式

我们所说的对焦点,其实是由1条条线性对焦传感器组成的。水平传感器检测垂直线条,垂直传感器检测水平线条。

根据组成方式,可以分成双线型对焦点、双线错置对焦点、十字型对焦点、双十字型对焦点等。理论上对焦传感器的数量多、长度长,可以提高合焦速度和对焦精度。

目前,无反相机上的混合检测大多以线性相位检测专用像素为基础。三星NX1是首个实现十字型相位检测的非单反相机。

镜头光圈

在单反相机涉及对焦功能的介绍中,我们往往会看到类似对应F2.8光束对焦传感器光圈F8时可以自动对焦的描述。这里出现的光圈值,代表了对焦传感器的精度与适应能力。

  • F2.8对焦传感器在搭配F2.8或更大光圈(如F1.4、F2)镜头时可以工作;

  • F2.8对焦传感器在搭配小于F2.8(如F4、F5.6)镜头时不能工作;

  • 搭配F2.8镜头时,F2.8对焦传感器相比F5.6对焦传感器精度更高。

上述文字中出现的光圈,均指镜头(或镜头组合)的最大光圈。

光圈与曝光联动

单反相机光学取景模式采用全开光圈测光。例如:一只最大光圈F1.4的镜头,设定拍摄参数为F5.6。它在取景、对焦时光圈始终为F1.4,只有完全按下快门拍摄的一瞬间才会收缩到F5.6。无反相机则大多采用收缩光圈测光,镜头光圈跟随拍摄参数的设定而改变。

驱动马达

尼康、索尼(美能达)、宾得的早期AF镜头需要通过机身马达驱动,现在已经逐步被更高效的镜头驱动方式所替代。

目前,大部分单反镜头采用螺旋式推进的齿轮马达驱动对焦镜组移动。在单一方向移动时,这种驱动设计是没有问题的,速度很快、推力很强。但如果需要频繁前后移动(对比度检测确定合焦位置时的拉风箱状态),螺旋式推进马达的离合时间会变长,对焦镜组的移动会变得迟缓。

为了解决这一问题,绝大多数无反镜头都采用了线性直驱设计,并且简化了对焦镜组的镜片数量,降低对焦时需要移动部件的重量,从而提高搭配对比度检测AF系统及视频拍摄连续追焦时的性能表现。由于对焦镜组重量较轻,因此无反相机镜头中配备超声波马达的产品比较少见。

佳能STM马达

STM马达包含两种形式:导螺杆式为线性直驱设计(几款变焦镜头都是),而齿轮式(EF-S 24mm F2.8和EF 40mm F2.8)依然是传统设计。

AF新技术

混合检测

目前,支持混合检测AF技术的产品有:

  • 佳能:760D、750D、700D、650D、100D(实时取景/短片拍摄),EOS M系列

  • 尼康:1系无反相机

  • 索尼:A7、A7II、A6000、A5100、NEX-6、NEX-5T、NEX-5R

  • 富士:X-T1、X-E2、X100T、X100S、X30、X20

  • 三星:NX1、NX30、NX500、NX300M、NX300、Galaxy NX

  • 奥林巴斯:E-M1(使用M4/3镜头连续对焦时)

  • 手机:三星Galaxy S5、LG G3

考量混合检测AF技术的优劣,主要包括相位检测点数量、相位检测点覆盖范围、相位检测点支持的最小光圈、是否支持在短片拍摄中进行相位检测等几方面。综合来说,索尼A5100、A6000,三星NX1的混合检测技术最为先进,实际AF性能表现也最理想。

全像素双核CMOS AF

目前,支持佳能全像素双核CMOS AF(Dual Pixel CMOS AF)技术的产品包括70D、7D Mark II单反相机,C100、C100 Mark II可换镜头摄像机。

在普通感光元件上,每个像素对应1个微透镜和1个光电二极管;而在支持全像素双核CMOS AF技术的感光元件上,每个像素对应1个微透镜和2个光电二极管。对焦时,2个光电二极管所捕捉的图像信号分别使用,实现相位检测AF;成像时,2个二极管所捕捉的图像信号合并使用,作为1个像素输出。

全像素双核CMOS AF技术的最大优势是不影响成像,短板则是无法在连拍、1920×1080 60p短片拍摄中使用。它支持超过超过100款佳能EF镜头(也包括腾龙、适马的绝大多数镜头),绝大多数情况下可以只用相位检测完成对焦。如果镜头发布时间较早,全像素双核CMOS AF技术则会像混合检测一样,先用相位检测寻找方向和大致距离,然后再切换到对比度检测进行合焦。


扩展阅读:

佳能全像素双核CMOS AF技术详解

▲全像素双核CMOS AF的结构

松下散焦测距技术

散焦测距(DFD)又称作空间识别,目前支持这一技术的产品包括GH4、LX100和FZ1000。

散焦测距是对比度检测AF系统的一种增强技术,能够达到模拟相位检测AF系统的效果。工作时,相机会快速移动对焦镜组并采集2张图像,然后结合内置的镜头散焦数据,测算出画面中每个对象到达相机的距离。在执行对焦时,相机就能快速获取对焦镜组的移动方向和距离,从而缩短对焦时间。

经确认,GH4无反相机只存储了松下Lumix G原厂镜头的散焦数据。搭配奥林巴斯、适马、腾龙的M4/3镜头时,无法激活散焦测距技术。另外,散焦测距无法改变对比度检测AF技术的本质。在连续对焦特别是短片拍摄连续对焦中,仍然会有小幅拉风箱现象。



佳能单反对焦系统面面观


导语:佳能在售单反相机共有8套不同规格的对焦系统。除了对焦点数量的差别外,性能、操控和细节上也有很多不同。了解对焦系统的特点,对选购和使用都有积极意义。

写在前面

佳能单反的独立AF模块并没有类似尼康Multi-CAM那样的具体型号。为了便于描述,ET按照对焦点数量进行分类,并且自己起了简化版、标准版、加强版等代号。

关于检测方式、亮度、组合方式、光圈等基础概念,请参考《关于AF系统你需要知道的》一文。

9点AF模块

标准版

这是佳能使用最广泛的对焦系统之一。

  • 中心点由F5.6十字型传感器和F2.8水平传感器组成

  • 非中心点由F5.6垂直传感器组成

  • 提供单点、9点自动选择共2种对焦点选择模式

9点AF模块(标准版)
对焦点9 个十字点1 个
F2.81 个F40 个
F5.69 个F80 个
最低亮度-0.5 EV双线错置0 个
搭载产品400D、450D、500D、550D、600D、100D

细节差异

100D采用了第2代混合检测技术(覆盖取景画面80%×80%区域),可在实时取景/短片拍摄下提供连续AF。

简化版

与标准版相比,简化版主要在最低亮度和F2.8光圈传感器方面进行了简化。

  • 中心点由F5.6十字型传感器

  • 非中心点由F5.6垂直传感器组成

  • 提供单点、9点自动选择共2种对焦点选择模式

9点AF模块(简化版)
对焦点9 个十字点1 个
F2.80 个F40 个
F5.69 个F80 个
最低亮度0 EV双线错置0 个
搭载产品1100D、1200D

加强版

与标准版相比,加强版的对焦精度明显提升:

  • 中心点由F5.6十字型传感器和F2.8十字型传感器(斜45度方向)组成(米字型双十字)

  • 非中心点由F5.6十字型传感器组成

  • 中央垂直方向3个点采用了双线错置式的纵向传感器(将两个纵向传感器错开半个像素间距并列)

  • 提供单点、9点自动选择共2种对焦点选择模式

9点AF模块(加强版)
对焦点9 个十字点9 个
F2.81 个F40 个
F5.69 个F80 个
最低亮度-0.5 EV双线错置3 个
搭载产品650D、700D、30D、40D、50D、60D

细节差异

50D具有AF微调功能。650D/700D具有第1代混合检测技术,可在实时取景/短片拍摄下提供连续AF。

全幅版

与标准版相比,全幅版的区别在于中心点、覆盖面积和辅助点。

  • 中心点由F5.6垂直传感器和F2.8水平传感器组成

  • 非中心点由F5.6垂直传感器组成

  • 提供单点、9点自动选择共2种对焦点选择模式

  • 6个辅助对焦点分布在取景器中央点测光区域中,不可手动选择,仅在人工智能伺服对焦下参与工作

全幅版只有搭配F2.8或更大光圈镜头时,中心点才以十字型方式工作。搭配EF 24-105mm F4L IS USM、EF 70-300mm F4.5-5.6L IS USM等镜头时,中心点精度为单线型。

9点AF模块(全幅)
对焦点9+6 个十字点1 个
F2.81+2 个F40 个
F5.69+4 个F80 个
最低亮度-0.5 EV双线错置0 个
搭载产品5D、5D2

19点AF模块

2009年发布的APS-C画幅旗舰产品7D率先搭载了19点AF模块。在此之后,佳能在2013年和2015年将这套AF模块其下放至中端产品70D、入门级产品750D/760D。

19点AF模块的构成方式与9点AF模块(加强版)相似:

  • 中心点由F5.6十字型传感器和F2.8十字型传感器(斜45度方向)组成(米字型双十字)

  • 非中心点为F5.6十字型传感器

  • 中央垂直方向3个点采用了双线错置式的纵向传感器

19点AF模块
对焦点19 个十字点19 个
F2.81 个F40 个
F5.619 个F80 个
最低亮度-0.5 EV双线错置3 个
搭载产品750D、760D、70D、7D

细节差异

7D、70D提供了AF微调功能,并且70D允许对变焦镜头的长焦端和广角端分别设定AF偏移量。

7D提供单点、定点、扩展(上下左右)、区域(5区)、19点全自动共5种对焦点选择模式;750D、760D、70D提供单点、区域、19点全自动共3种对焦点选择模式。

70D具有全像素双核AF技术,750D、760D具有第3代混合检测AF技术。

65点AF模块

65点AF模块的构成方式与9点AF模块(加强版)相似。虽然数量上超过了61点AF模块,但复杂程度并不是最高的。

  • 中心点由F5.6十字型传感器和F2.8十字型传感器(斜45度方向)组成(米字型双十字)

  • 非中心点为F5.6十字型传感器

  • 中央垂直方向5个点采用了双线错置式的纵向传感器

  • 中心点最低亮度-3EV(使用F2.8或更大光圈镜头时)

  • 中心点支持F8

  • 提供单点、定点、扩展(上下左右)、扩展(周围8点)、区域(9区)、大区域(3区)、65点全自动共7种对焦点选择模式

  • 支持AF微调(广角端/长焦端分别设定)

  • 支持iTR动体追踪技术,在区域、大区域、65点全自动模式下可以人脸优先AF

65点AF模块
对焦点65 个十字点65 个
F2.81 个F40 个
F5.665 个F81 个
最低亮度-3 EV双线错置5 个
搭载产品7D2

11点AF模块

11点AF模块的构成方式与9点AF模块(普通版)相似,区别在于覆盖范围和最低工作亮度:

  • 中心点由F5.6十字型传感器和F2.8十字型传感器(斜45度方向)组成(米字型双十字)

  • 非中心点为F5.6垂直传感器

  • 中心点最低亮度-3EV,非中心点最低亮度-0.5EV

  • 提供单点、11点自动选择共2种对焦点选择模式

  • 支持AF微调(广角端/长焦端分别设定)

11点AF模块
对焦点11 个十字点1 个
F2.81 个F40 个
F5.611 个F80 个
最低亮度-3 EV双线错置0 个
搭载产品6D

61点AF模块

61点AF模块虽然已经不是对焦点数量最高的AF模块了(被佳能65点AF模块和索尼79点AF模块超越),但复杂度仍然是目前135单反相机中最高的。具体表现在:

  • 中心点及上下各2点由F5.6十字型传感器和F2.8十字型传感器(斜45度方向)组成(米字型双十字)

  • 20个(非中心)对焦点由F5.6十字型传感器组成

  • 20个(非中心)对焦点由F5.6垂直传感器和F4水平传感器组成

  • 20个(非中心)对焦点由F5.6垂直传感器组成

  • 全部61个点垂直方向配备双线错置型传感器

  • 中心点最低亮度-2EV

  • 中心点支持F8,开启扩展时,上下左右共4点参与对焦

  • 提供单点、定点、扩展(上下左右)、扩展(周围8点)、区域(9区)、61点全自动共6种对焦点选择模式

  • 支持AF微调(广角端/长焦端分别设定)

61点AF模块
对焦点61 个十字点41 个
F2.83 个F420 个
F5.661 个F81+4 个
最低亮度-2 EV双线错置61 个
搭载产品5D3、5DS、5DS R、1DX







尼康单反对焦系统面面观

导语:尼康在售单反相机共有4套不同规格的对焦系统。除了对焦点数量的差别外,在F8支持、组对焦等方面略有差异。总体上来说,尼康的对焦技术要滞后于佳能。

写在前面

尼康对焦系统统称为Multi-CAM。与佳能相比,尼康的对焦系统相对简单,既没有针对F2.8、F4大光圈的对焦传感器,也没有双线错置结构。

关于检测方式、亮度、组合方式、光圈等基础概念,请参考《关于AF系统你需要知道的》一文。

独立AF模块

Multi-CAM 1100

  • 11个可选对焦点

  • 中心点由F5.6十字型传感器组成

  • 非中心点由F5.6垂直传感器组成

  • 中心点最低亮度-1 EV

  • 支持单点、11点自动选择模式

搭载产品有D3x00、D5100、D80、D90等

跨品牌对比

D3x00相比佳能1200D、600D对焦点稍多,但总体性能差别不大。

Multi-CAM 4800

  • 39个可选对焦点

  • 中心9点由F5.6十字型传感器

  • 其他30点由F5.6垂直传感器组成

  • 中心点最低亮度-1 EV

  • 支持单点、动态(9点/21点/39点)、39点自动选择模式

搭载产品有D5200、D5300、D5500、D7000、D6x0、Df。

跨品牌对比

连续对焦运动对象时,尼康Multi-CAM 4800明显强于佳能9点(全十字)和11点AF模块,略好与佳能19点AF模块。

Multi-CAM 4800的最大短板是非中心区域对焦点精度不高,这也是尼康中高端产品的通病。另外,与6D相比,D6x0、Df的弱光对焦能力一般。

Multi-CAM 3500

  • 中心15点由F5.6十字型传感器

  • 其他点由F5.6垂直传感器组成

  • 支持单点、动态(9点/21点/51点)、51点自动选择模式

D300系列、D3系列中心点最低亮度-1 EV,D7100、D8x0、D4系列中心点最低亮度-2EV。

Multi-CAM 3500 II

中心点最低亮度达到-3 EV,模块尺寸更小,搭载产品有D7200、D750。

因为机身小型化的关系,D750的对焦覆盖范围略小于D8x0、D4系列。

跨品牌对比

尼康Multi-CAM 3500与佳能19点AF模块各有优势,但在非运动拍摄中,还是佳能19点AF模块更实用一些。

与佳能61点和65点AF模块相比,尼康Multi-CAM 3500整体上处于下风。

其他特性

F8支持

尼康几乎所有相机的所有点都能在F8下工作(实际上尼康AF系统并不受镜头最大光圈的硬性制约),但只有官方说明上提到的点才能保证任何条件下都可以正常工作。

  • D7100、D7200中心点支持F5.6-F8(含F8)镜头

  • D6x0、Df有33个点支持F6.3、F7.1镜头,有7个点支持F8镜头

  • D750、D8x0、D4系列有15个点支持F6.3、F7.1镜头,有11个点支持F8镜头

对焦微调

D7x00、D300系列、D6x0、Df、D7x0、D8x0、D3系列、D4系列支持AF微调功能,但只有一个偏移量,不能像佳能新一代产品那样分别设定广角端/长焦端偏移量。

3D追踪

包括D3x00在内,尼康几乎所有单反相机都支持3D追踪对焦。尼康的3D追踪更接近于佳能的iTR动体追踪,后者只出现在7D2、5DS、5DS R、1DX上。与普通的AF-C相比,尼康3D追踪和佳能iTR都能通过识别被摄物体的形状、颜色自动移动对焦点。

组对焦

区别于佳能的做法(将所有对焦点划分为若干区域),尼康的组对焦更接近于佳能扩展(上下左右)模式,即同时选择和移动5个对焦点(取景器中显示4个方框)。

实时取景AF

尼康从D3100开始加入AF-F伺服对焦技术,目前在售的全部单反相机均可在实时取景/短片拍摄下连续AF。

人脸识别

D750、D8x0、D4系列采用了9.1万像素RGB测光,可以在光学取景器下提供面部优先对焦。



让对焦更精准
单反相机的跑焦与AF微调

导语:单反相机由于结构特性,可能会因为镜头、机身的制造公差而出现跑焦情况。为了解决这个问题,AF微调功能应运而生,让我们可以得到更高的合焦精度。

跑焦和AF微调

基础概念

首先明确几个基础概念:

  • 本文所说的【跑焦】是指在正确的操作下,由于机身、镜头的制造公差导致对焦不实。凡是用先对焦再构图,变焦对焦再变焦等操作造成对焦不实的,都不在本文讨论范围内。

  • 单反相机光学取景下会出现跑焦,无反相机、便携相机、手机上只要对焦框足够小,理论上就不会出现跑焦。

  • 跑焦是针对一个【机身+镜头】的系统而言的,无法说某台机身跑焦,某只镜头跑焦。

  • 并非只有副厂镜头才会跑焦。

  • 并非只有自动对焦镜头才会跑焦。

  • 在AF微调功能可以调整的范围内,跑焦不属于质量问题。

单反结构实现了取景、对焦、曝光、成像各部件独立工作,最大限度的提高了响应速度,缺点则是会因为制造公差导致跑焦——执行自动对焦功能的是独立AF模块,测量的距离是从被摄对象到独立AF模块的距离。为了解决这一问题,AF微调功能应运而生。目前,常见单反相机中具备AF微调功能的产品有:

  • 佳能:70D、7D系列、6D、5D系列、1D X

  • 尼康:D7x00、D6x0、D7x0、Df、D8x0、D4系列

  • 索尼:A77M2、A99、LA-EA2或LA-EA4转接环

  • 宾得:K30及以上单反相机

如何检查跑焦

对单反相机来说,使用光学取景对焦拍摄一张,再使用液晶屏取景对焦拍摄一张,将两张照片进行比较,如果锐度差别较大则可以判断存在跑焦。这里有几点注意事项:

  • 使用三脚架固定相机,选择JPEG大/精细格式存储,保持快门速度在1/200秒以上,感光度维持在ISO100-200。

  • 原则上使用最大光圈,如果最大光圈紫边明显不便于判断合焦,可以收缩1-2级。

  • 选择远处、反差鲜明的拍摄对象(如采用马赛克外墙的建筑物),或者让自己的亲人当模特常用拍摄距离内(50mm镜头通常是2-3米),以眼睛作为对焦位置。

不要拍报纸,不要拍钢尺,不要手持拍摄近距离拍摄……这些判断方式都不严谨,可能让你产生错误判断。

如何使用AF微调

确认存在跑焦的话,我们就需要用到AF微调功能了。操作思路是:

  • 使用液晶屏取景对焦,得到机身、镜头在最佳对焦时的画质并作为基准;

  • 尝试AF微调的偏移量,让光学取景对焦下,也能得到接近基准的对焦结果。

在尝试AF微调偏移量的过程中,每次拍摄后都要随意转动一下对焦环。目的是在下次半按快门时,让相机重新对焦。

AF微调的局限性

AF微调是给所有对焦点增加一个偏移量。所以,AF微调无法解决机身因为装配误差而产生的局部对焦点跑焦问题

佳能新一代单反相机可以为变焦镜头的长焦端、广角端分别设定偏移量,其他厂商只能一个镜头一个偏移量。所以,AF微调功能更适合优化定焦镜头,对因涉及、装配造成不同焦距跑焦程度不一致的变焦镜头无能为力——适马USB Dock可以按焦距、按对焦距离进行精确调整,但需要额外付费购买。

在连续对焦、人工智能伺服对焦、3D追踪对焦时,机身、镜头内数据匹配和优化也会对对焦成功率带来很大影响。所以,在拍摄婚礼、新闻、体育、生态等运动题材时,推荐大家还是原厂机身配原厂镜头。AF微调功能可以提高静态拍摄时的对焦精度,却不能提高副厂镜头的连续对焦可靠性

对焦的错误姿势

半按快门很久后才拍摄。

先对焦再构图;先变焦到最大,对焦,再拉回来构图拍摄。

无论拍摄对象特征,只是用单次对焦或连续对焦中的一种模式。

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