Photography 笔记(五)

自动对焦

嗯,单反的自动对焦即高级也存在一些问题。首先来张图看看相机的一些构造

值得非常注意的是反光板漏了一部分光线向下走,我怎么就没看到过这个结构?后来把 D80 打开看了下,的确在底部有一个跟 dpreview 这类网站贴的比较像的对焦模块。更奇怪的是 AE 部分怎么把光分到黄色光路上的?

一般来说 viewfinder 有两个指标:coverage 就是指 focus screen 覆盖焦平面的比例(直接线性相除就是的);magnefication 是指与裸眼相比使用 50mm 镜头时的视角比例。后者在 APS-C 画幅上的计算需要考虑 cropping factor:由于画幅变小导致视角也相应缩小,这样与全幅相机相比 APS-C 的 magnefication factor 需要除以对应的 cropping factor 才能在同一 level 上。

现在有使用电子取景器的做法,但是优缺点都很显然:优点是不存在 coverage 不够,可以为特定的曝光设定效果(所见即所得),可以随意放大;但缺点也很明显,如 dynamic range 太低,使用光学放大意义不大,分辨率太低。也有使用旁路光学取景,但这一般会引入视差,相对较小,不过好处是复古,也有光学取景的一些好处。另外还有一种 manual rangefinder(难道是那种黄斑?),这一般是将两个取景窗的像叠加起来。除了单反这种对焦模式,还有双反(twin-lens reflex),一个镜头用来取景和对焦,一个用来成像到胶片上。大画幅相机一般直接成像到后背的毛玻璃上,相对来说比较昏暗,不易对焦,而且是倒像。大画幅相机(view cameras)有皮腔,好处是可以通过 tilt 和 shift 获得更灵活的对焦效果,特别是矫正 perspective,获得倾斜的焦平面达到特殊的对焦效果。135 相机一般依赖于特殊的镜头设计或者接环。

一个问题是:通过 tilt&shift 镜头或者大画幅倾斜皮腔得到的 miniature 效果和 photoshop 通过 gradient blur 获得的、synthcam 获得的效果差异在哪里?

我们可以看到通过反光板下面那块镜子,我们利用了两股不同光路上的光线,通过另外两个小透镜聚焦在 AF sensor 上。当设计的尺寸合理时,如果对焦点靠前,对应 sensor 上两个信号就会靠里;对焦靠后,sensor 上两个信号就会靠外。

除了这种称为 phase detection 的形式还有通过反差(contrast detection),这一般是通过计算 local gradient 来衡量的(相对较慢,很多时候需要 hunting)。一般 SLR 都使用 phase detection,因为通过信号的间距往往可以直接指导马达进行对焦行为,而不用搜索。从另一个角度来说 phase detection 和 computer vision 的 stereo 3D 建模类似,后者通过两个成像系统的 disparity 获得物体的深度信息。自动对焦模式中有所谓的“跟焦”(Canon 的 AI servo,Nikon 的 continuous servo),这是将 tracking 技术用在对焦上,保证对焦点不会出现跳变,一般半按快门后就能打开这个功能。

相机一般还提供下面的一些对焦方式:

  • 先自动对焦,然后在对焦点上测光
  • trap focus(陷阱对焦),如果有物体进入焦点则拍摄
  • 景深对焦,寻找最近和最远的,然后设定焦点和 F-number
  • 手动激发自动对焦(AF-ON)按钮

这些方式都依赖于物体具有一定的纹理,如果没有纹理需要对焦的话必须使用主动对焦方式(发出红外激光、超声波等进行测距,如 triangulation 方法,另外像 kinect 会利用一些纹理信息辅助)。驱动对焦的马达分为几种,如 Nikon 的 AF 系都是不带马达,通过机身的传动杆将马达驱动力传递给镜头。而后 AF-S 镜头学习 Canon 将马达放在镜头里面,两家都有所谓环形超声波马达等高级技术减少对焦噪声,加快对焦速度。

测光

测光系统说简单也简单,但是能正确使用的人很少。测光系统的目标就是把选择的区域弄成 mid-gray(反射率为 18%,一般将 \gamma = 2.5 时对应 127/127/127,raw 转 JPEG 一般设为 2.2)。这样我们往往需要在场景偏亮的时候进行过曝补偿(如增加曝光时间),而在偏暗的时候使用欠曝补偿。但事实上有很多很难的问题。合理的曝光就是将对应的实际颜色 align 到图像上的某个亮度值。Ansel Adams 的 zone system 给人提供的想法就是在 dynamic range 内安排好各个元素的位置,如果比例不当,或者前期通过光源进行补偿、滤镜进行削弱,或者后期通过 ps 进行处理。

现在的测光系统一般都是 TTL 的,DSLR 用专门的低像素 sensor,而其他的主要直接用成像的 sensor。使用低像素 sensor 的难处是难以判断当前场景,从而给出一些参考的曝光。相机的曝光模式有点测、中央重点和 evaulative,现在还有 face detection,以后会做物体识别,根据曝光偏好进行学习等(这个太不靠谱了,我们要的是标准,才能有参考啊!)。

所谓的 dynamic range 就是指光比(照度比),一般 DSLR 能处理 4000:1,这通常用 12bit 来量化就够了。通常将 raw 转换到 JPG 时涉及到如何做这个颜色的转换叫 tone mapping(比如 12bit raw -> 8bit JPEG 可能会抛弃一些高光区域,可能抛弃一些暗部,然后作个类似 x^{1/\gamma} 的变换)。

防抖

造成抖动的原因主要是肌肉支持的不稳定(不列举很有幽默感的 Marc 同学的说法了),另外还有相机的机震,风等因素。导致的结果是图像的模糊,这往往可以看成是一些场景的 2D 变换导致的。因此一种后处理的方式是找到产生模糊的 kernel,deblur。避免抖动的策略很多主要就是能形成较稳定的支撑,使用独脚架或者三脚架都会有利于减少抖动。另外还可以使用快门线、遥控器避免按快门释放按钮产生的抖动,使用 mirror lock-up 避免反光板引起的机震。长焦会使得抖动更容易发生,rule of thumb 的安全快门选择是焦距的倒数。那么 cropping factor 会影响这个 rule 吗?看起来似乎等效焦距变长了,但是其实拍摄也离得更远了,所以两者消掉了,最后没有影响(喏小相机很多时候 1/10s 都能拿住的,但是单反一般镜头就很难拿住)。

所谓的 image stablization system 一般有下面几种思路:

  • 力学稳定,将相机能更好的绑定,减少震动
  • 光学稳定,运动镜片或者 sensor 反向补偿震动
  • 电子图像稳定(通过后期的算法合成)

光学稳定成本较高,

主要靠陀螺仪感知加速度方向,同时反馈到防抖镜片上。

类似的我们可以实现 sensor 上的防抖,两者个有好处,如前者能为每个镜头特化,viewfinder 里面也是稳定的,对焦和测光也更好;后者比较通用,减少镜头成本。一般这些 IS 需要检测是否在进行 panning,是否使用了三脚架(此时不应该开启 IS),曝光前进行 re-centering。一般号称 IS 能增加 3-4 档快门。N900 上面也有陀螺仪之类的东西,可以用来帮助其上面的 cam 程序。

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And he looked toward Sodom and Gomorrah, and toward all the land of the plain, and beheld, and, see, the smoke of the country went up as the smoke of a furnace.

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