能塞进口袋的720mm：关于小画幅卡片机的技术讨论

画幅或许永远都会是相机玩家之间最津津乐道的话题之一，随着手机的崛起，相机越来越走向专业化设计的小众路线上，因此才有看衰出货量走势的说法，而对于小尺寸传感器卡片机来说，日子简直一天比一天难过，所以有不少朋友觉得1/1.7、1/2.3英寸等等在相机领域已经没有存在价值，但这个说法未免太绝对，太缺乏前提，其实小画幅在技术上还是有一些很有趣的地方。

相机除了民用之外还用商用，比如机器视觉工业产品检测。在这些领域里，1英寸及以下画幅的传感器才是金字塔的根基：功耗低便于大量布局；USB连接统一电源、触发和闪光易于管理；大像素低密度做超高帧率全局快门不费劲，比如1/2.3英寸就能做164fps的全高清输出，此时的像素边长为3.45微米，与2600万的APS-C非常接近（3.76微米），在工艺相同的情况下就有近似的灵敏度阈值和量子效率，对细节要求不那么高（但要够准）的工业相机来说，小画幅从性能、铺设和成本等方面都有着明显的优势，短时间内都不会被替代。

至于民用的小画幅卡片机，各种问题都出自于它相对尴尬的定位，速度不敢太快（比如连拍就限制在10fps）、功能不敢太齐（比如不能上相位差对焦）、硬件规格必须受限（比如EVF只能选用64万像元533X400分辨率版，而目前即便236万像元1024X768也都只能算是中低端了，RAW也顶多到12bit）……

所以，以1/2.3英寸为代表的小画幅最擅长，也应该是在民用相机端唯一可以发力猛做的事情就是长焦，可能大家都知道小画幅易于做长焦，但背后的原理可能不一定清楚，简单说一说吧：

传感器能“看到”多大的范围取决于视场角，视场角是由镜头提供，但受制于传感器的尺寸。如上图，此时对焦到无限远处，像距正好等于焦距，所以像就在传感器位置上，设焦距为f，传感器对角线长为2d，视场角为2θ，不难看出它们之间的关系就是2θ=2x arctan(d/f)，在使用50mm物理焦距镜头时，全画幅视角46.7度，而1/2.3英寸就只有17.5度，视场变窄就意味着等效焦距变长，这就是小画幅赚长焦的简单技术背景。当然你也可以简单粗暴理解为小画幅只会用到镜头中心部分区域，因此它相当于“放大”了这个部分，等效长焦。

但就算是这样，当它真正发挥小画幅易于赚长焦优势时，因为镜头成本的关系也依然会把它的价格推到一个相对较高的高度，比如尼康P1000，虽然有3000mm级别的光学变焦，但价格与体型都已经直接与单反无反正面对抗，结合前面说到的定位限制，总会让人觉得有些尴尬。所以对于小画幅长焦机来说，卡好体型、变焦幅度与价格的中间点还挺重要的，目前来看做得比较好的可以有24-720mm光学变焦，机身一掌可握，放在裤兜里就能出门（支持Micro USB充电，如果正好手机也是此接口，出门还能再省掉一个适配器），支持传感器全宽采样4K，支持触控操作……

代表机型有索尼HX99，而这种镜头可以缩进机身内的设计叫做沉胴式设计，尼康Z 24-70mm F4、14-30 F4以及佳能EF-M 15-45mm等镜头都采用了类似的设计，在不使用时将内部镜片沉积在一起，体现在HX99、RX100等卡片机身上就是镜头缩入机身内，要知道HX99可是有足足11片镜片，即便镜片尺寸很小，但能达到这样的设计也并不简单：

这是2008年公开的奥林巴斯8片3段沉胴式专利设计方案（国内专利公开号CN101126832A），看着小巧的变焦结构其实具备相当的复杂度。

当然，1/2.3英寸有的缺点它都有，比如因为画幅太小而导致瑞利判据失效的极限衍射光圈会明显更大：入瞳径为D的理想光学系统极限分辨率角就是1.22λ/D，在相同拍摄环境下波长是相同的，显然D越大，分辨率角就越小，而像1/2.3英寸这样的小画幅卡片机，比如HX99，在广角端只有4.25/3.5=1.2mm，长焦端118/6.4=18.43mm，更大画幅镜头很容易就可以在等效焦段（能达到的前提下）超过这个数值。事实上这也正是小画幅成像细节较差的原因之一：虽然它的空间采样率很高，但光学极限决定了它采样到的信息重复率高，细节表现力不佳。长焦端虽然理论上因为入瞳径变大会提高分辨率，但又会因为F值降低而速度变慢，不得不上高感光度，在画幅小、输入信号低、信噪比先天就没优势的前提下，还要加高倍像素内程控增益，所以小画幅长焦端想要有出色的出图质量，对拍摄环境的要求可想而知。

不过手持多帧技术可以一定程度上缓解这个问题，只可惜HX99限制了多帧只能JPEG输出，但可以手动设置ISO，比如在光线条件还不错的前提下可以通过手持多帧来提高细节，当然如果心态够好的话还能自己手持连拍RAW再手动堆栈，动态范围和信噪比都可以有比较明显的提升（当然，比较麻烦，而且并不保证成功率），比如下图就是ISO 800多帧和单张的区别，注意看画面中心部分，多帧的印刷纹理细节明显好好一截：

把ISO提高到1600，同样左侧是多帧，右侧是单张，依然可以看到多帧处理后的文本细节要细致得多：

除此之外，本身F制光圈就不大，再加上等效光圈的影响，1/2.3英寸即便在长焦端也很难实现强力的虚化，1/2.3英寸传感器在物距10米左右等效720mm F6.4全开，景深超过0.62米，如果换成全画幅传感器，在相同等效焦距和F值的情况下，景深只有0.07米。

小尺寸虽然在体型上可以有优势，但在设计上其实也是有牺牲的，比如前端无法做大直径凹镜，且镜后距非常短，这意味着它会存在较大幅度的暗角（渐晕），因此实际上看RAW文件不难发现广角端四角存在很明显的遮挡：

等效24mm广角端，上图为RAW，下图为同步输出的JPEG，注意看四角：

所以最终输出时只能将视场角冗余一部分后再进行裁切，而且为了弥补渐晕造成的亮度差，可以明显看到最终输出的边缘部分噪声更大（强制提高亮度），即便是ISO100。而HX99在长焦端也存在裁切，只是幅度稍小一点而已：

等效720mm，上图为RAW，下图为JPEG，可以再看看裁切幅度：

不过，产品之间的胜负往往取决于你选择的对手是谁，前面提到的不足都是针对较大画幅的相机而言，而如果是与手机对比，大家的缺点都差不多，而相机的灵活性就极具优势了，目前在手机端已可预见的大变焦系统最高等效也就200mm左右，而相机在能够揣进口袋的前提下可以轻松做到700mm以上，并且照片可以通过NFC等方式发送到手机上，也很方便，除此之外还不占手机存储空间和不消耗手机电池。

当然在结合大变焦的前提下我个人认为最好用的还是视频功能，HX99可以全宽采样4K视频，并且它的光学防抖效果还很不错，720mm端也能保证很不错的稳定性，比较适合在野生动物园等场所进行拍摄，不过大幅度快速横移时可以看到卷帘快门带来的果冻效应，这说明它的传感器读出速度并不算快。除了手动之外，HX99在视频模式下只能使用AF-C连续自动对焦，照片模式下只能使用AF-S单次对焦，也是一个比较独特的设定。虽然只有反差对焦，但在拍摄视频时还是能比较快速准确地完成跟焦工作，小画幅景深够深在这时候也变成优质属性了。

假设可以把功能模块给它按已有技术的较高规格去搭配，比如加上高分辨率高刷新率EVF、堆栈式CMOS和片上相位差对焦，这些都不会影响它现在的小巧身形，1/2.3英寸的性能和实用性都会更上一个台阶。但显然，从产品线定位来看根本就不允许有这么牛X的小画幅存在，1英寸的RX100M6就已经是极限了，小画幅被边缘化更主要还是因为民用相机端更大画幅的不断崛起，从价格上压榨了它的生存空间。实际上当照片与视频播放平台主要在手机时，小画幅的成像素质劣势也因缩图的关系而大幅缩小，旅行出门依然有一定的存在价值，不应一杆子打死，大家觉得呢？