从优点到缺陷,便携型大底运动相机设计解构

2019-09-15 16:31:40 8点赞 11收藏 6评论

在VLOG盛行的大背景下,器材小型化是必然趋势之一,但无论从电子还是光学的角度出发,小型化都意味着在赚取便携性优势的前提下进行诸多的设计权衡甚至妥协,而在此基础上如果还要加上严格的三防标准,以及1英寸级大底(目前便携性VLOG相机多为1/2.3英寸)及对应尺寸的镜头来保证画质,运动相机的设计难度无疑又会明显提升好些档次,在成本限制下几乎一定会呈现比较明显的应用倾向性(也就是优缺点明显,专机专用),那么具体来说会有怎样的设计?这就是今天打算聊的话题。

从光学说起吧,大多运动相机主要看点都是功能,并不会给出具体的光学设计,但对于像高相对较高的大底系统来说,光学设计是很重要的,而利于小型化设计的结构里,Tessar应该是最有名的那一个了,先看结构图:

从优点到缺陷,便携型大底运动相机设计解构1-1-2型结构,前两组正负分离,所产生的像差由后组负正胶合组进行校正,可以看到传统Tessar是对称型结构,这意味着倍率像差在玻璃选型适宜的情况下比较容易校正(原始设计的第1/4是相同的高折射率玻璃,第2/3为不同牌号的低折射率玻璃),但轴向像差会相对放大。关于Tessar小尺寸设计的传言多少不太准确,需要细化解读:首先Tessar的4片型结构确实是非常简单,但有2个问题,首先是选用一般玻璃的情况下镜后距很长,随便跑一个光线追迹,不难发现全画幅像场45mm F2.8的Tessar结构镜后距可长达36mm:

从优点到缺陷,便携型大底运动相机设计解构

即便缩放到1英寸级也会有相当的长度,这对于传统相机来说没什么问题,但显然与需要镜尾紧贴传感器的小型化设计存在矛盾,从光学设计来说,假设2块透镜焦距F1和F2,轴上间隔为D,那么这个系统的镜后距BFL可以这么计算:

从优点到缺陷,便携型大底运动相机设计解构

所以简单来说,在不改结构的前提下解决镜后距方法就是采用面型曲率和光焦度更大的镜组,但这会引发比较明显的像差问题,因此还需要在结构中引入额外的镜片,并加入非球面工艺进行改善,不过小型化设计导致的边缘照度下降依然会比较明显,所以RX0 M2的RAW文件不难看出有一定幅度暗角。

因此这类设计往往倾向于采用小光圈,比如F4,但即便如此,也很依赖机内对边缘进行增益,这就会导致噪声。而说到光圈,小型化的另一个设计特点就是将固定形状的光阑放在镜组最前端(手机镜头也是如此设计),这样既能降低结构复杂度,同时也让镜组设计更自由,但代价就是光圈不可调:

从优点到缺陷,便携型大底运动相机设计解构

其实从结构来说Sonnar甚至双高斯都有短后截距的设计方案,但这些结构需要更厚的镜组,这会对接下来的这个问题造成比较明显的影响:最短对焦距离。无论Tessar还是其他结构,局限的小尺寸空间决定了它只能做整组移动对焦,而且只能在相当小的空间内进行移动,根据高斯成像公式:

从优点到缺陷,便携型大底运动相机设计解构

及垂轴放大倍率m为:

从优点到缺陷,便携型大底运动相机设计解构

不难看出,全组对焦时焦距f为恒定值,放大倍率与像距v为正比关系:像距越大,物距u越短,对焦距离就越近,放大倍率越大。但受限的整组对焦移动空间意味着v的变量范围也很局限(所以镜片不宜过多),放大倍率难以做大,最近对焦距离受限。改进的方法只能是增加镜头位移量来实现,而好就好在1英寸像场足够小,这个改动不需要特别大就能实现,比如索尼RX0 M2就从非常不实用的50cm缩短到了相对合理的20cm。不过作为对比,广角端同为等效24mm的RX100 M7可以做到更实用的8cm,这就是结构限制的区别所在。

除此之外,整组对焦意味着在对焦过程中完全没有补偿焦距的措施(可以回顾上一个公式,对焦过程也就是改变v值,想要m不变,就需要动态补偿f),所以比如RX0 M2对焦20cm和无限远的像高就有明显的差别:

从优点到缺陷,便携型大底运动相机设计解构

还有一点,RX0系列的镜头像场其实也没有完全覆盖整个13.2x8.8的1英寸底,只覆盖了11.57x7.7(1/1.14英寸)左右,有效像素总数1530万,所以它等效全画幅24mm的镜头物理焦距为7.9mm,而非标准1英寸像场的9mm,这也为整体体型的妥协。

当然,在小型化机身上做大底的好处显而易见:明显更高的单帧信噪比和动态范围,在使用相同的补偿算法时也能保持优势(比如多帧),事实上RX0 M2无论静态照片素质挺不错,传感器动态范围属IMX383的应有水准(虽然有裁切):

从优点到缺陷,便携型大底运动相机设计解构

上图为基准ISO 125的欠曝暗部,下图为后期补偿2.5档,并不会明显增加噪声:

从优点到缺陷,便携型大底运动相机设计解构

简单来说RX0 M2用于社交媒体或拍个电脑壁纸问题不大,成像素质与索尼自家1英寸机差别不大,有多帧降噪和多帧HDR这两个很实用的功能,但没有触控和声控,操作方式相对传统了点。

从优点到缺陷,便携型大底运动相机设计解构

上为3EV HDR关闭,下为开启,注意看亮部暗部的差别还是挺明显的:

从优点到缺陷,便携型大底运动相机设计解构

而且HDR可以设定从1-6EV包围等级,但只限于JPEG输出,会同时输出单帧和HDR两个图像,取景范围内有运动物体时没有任何补偿措施,这方面还是明显不如华为P30 Pro等手机ISP,拍摄时需要注意。

近1英寸底的信噪比优势主要体现在全宽超采的4K视频上,即便自动ISO飙到3200的弱光环境下噪声控制也很得当,效果明显比同为常用于家庭VLOG的手机(哪怕最强的P30 Pro或Note10+)更出色,而且它支持S-LOG2,配合S-Gamut LUT可以提高一点视频动态范围,视频规格比自家RX100系列还是要简单一些。

USB功能比较齐全,支持外挂电源和控制器,并有3.5mm麦克风接口,因为主要是拍家庭录像,使用我选了VLOG套装版,户外使用朝向可调的二位麦克风拾音和防风效果比内录实用很多,室内倒是都不差。

从优点到缺陷,便携型大底运动相机设计解构

这里可以插一个视频快门速度的小话题,之前看到有网友在这方面产生了一些争议,事实上视频快门速度的选择早有前人摸索的成功经验,在光源可控或可动态调整F值的前提下,一般直接按帧率倒数的2倍设置即可,比如拍摄4K 30p,快门就可设置为1/60秒,也就是180度快门角,此设置下动态模糊的效果较为真实。相同情况下,1/30秒适合弱光环境以更低ISO拍摄较为静态的场合(非必须),而在强光环境下使用1/120秒甚至更快的速度来拍摄高速移动的物体(比如电影里的武戏),能够看清更多的动作细节而不是一味动态模糊(日常不建议这样设置,动态物体会显得很不真实)。所以在具体环境下具体拍什么,视频快门速度的选择是不太一样的。

以RX0 M2为例,手动选择1/60秒并设置自动ISO,绝大多数家庭VLOG都能搞定。它的自动模式快门速度会不断变化并默认打开了自动低速快门,有时候会影响拍摄效果,建议能手动就手动,但最低ISO 125和固定F4光圈会比较限制它在强光环境下的拍摄,如果不想动快门就必须上外挂ND才能解决这个问题。

从优点到缺陷,便携型大底运动相机设计解构

那么做大底虽然画质上相较1/2.3英寸来说有优势,但体型同样小巧的话,也意味着更大的空间占比、耗电和发热,必须牺牲部分性能规格,比如电子快门最慢只能1/4秒,这显然是为了降低热量累计,而为省电也拿掉了RX100和RX10系列上相当强悍的片上相位差对焦功能(对焦像素依然保留,但前端总线和处理器不提供对应接口和功能),只保留了反差对焦,模式甚至只能选择单次、预设和手动,可手动开启图像识别定点追踪,但对焦点很容易飘移。

不过1英寸底等效24mm F4镜头的景深比较大,手持VLOG拍摄对焦约30cm,这时候从前景25cm到背景37.8cm都在景深内。当对焦为1米时,景深范围为从58.8cm到332.7cm,而对焦到1.42米左右就进入从73cm开始的超焦距,所以对RX0 M2这种定位较为特殊的产品来说,选择性降低对焦规格也无可厚非。

从优点到缺陷,便携型大底运动相机设计解构

需要注意的是,小型化设计的另一个基本没法改变的弊端是机身取景器都非常小,比如RX0 M2只有1.5寸,一旦对焦失败(比如打算拍风光,对焦却对到了1.42米以内的近处),在这么小的屏幕上根本看不出来,只有导出到大一点的屏幕才能发现问题。因此拍摄前一定要反复确认是否上焦,毕竟在拍摄过程中它的自动对焦工作机制也不是那么智能,很容易出现整个拍摄均处于离焦状态,当然它可以外接监视器,但这似乎有点本末倒置的意思……

除此之外,RX0 M2最高只有4K 30p/1080 120p,采样位深码率自然是YUV420/8bit/100Mbps,而GoPro Hero7 Black则可以4K 60p/1080 240p,相对更实用一些。但事实上这块1英寸传感器全像素输出最大可到52.37fps且是12bit位深,裁切模式下还能更高,当然,这可能是挤牙膏,也可能是带宽分配所致,更可能是为了省电保续航,总之整个1英寸堆栈处理器RX0/10/100系列都是如此,所以也不能把帽子完全扣RX0 M2头上。

RX0 M2还有一个比较明显的缺点是机内防抖功受限。从设计来说,无论光学还是传感器防抖,都需要做反馈结构位移缓冲,所以对机内空间有较高需求,1英寸级底还要小型化,确实很难做到,所以绝大多数防抖方案都基于电子形式,也就是裁切传感器中心部分做有效输出,边缘则作为补偿位,效果类似于用眼睛盯住某个东西之后再摇头晃脑:

从优点到缺陷,便携型大底运动相机设计解构

电子防抖的与视频处理做后期追踪是相同原理,所以像大疆手机稳定器结合云台防抖和后期处理甚至可以实现乒乓球追踪效果。对于RX0 M2来说,电子防抖仅能用于全高清拍摄时,与4K之间有很明显的画面裁切区别,但抽行全高清的成像素质明显不如超采4K。

所以,RX0 M2的电子防抖对全宽采样4K几乎没有效果(作为对比,RX100 M7的4K拍摄就可以使用增强型电子防抖),需要通过后期导入手机APP去框选取景范围来模拟电子防抖输出,无线传输的速度慢不说(400MB左右的内容需要近2分钟),从相机到处视频和编辑视频还是两个不同的APP,而且这些APP也并不太好用,自动跟踪总是飘到别处去,防抖效果也不尽如人意。除此之外延时也只能设定自动拍摄照片而不能机内生成视频,且官方APP也并不支持手机端处理,所以只能靠第三方软件来完成……总的来说如果是旅行VLOG,还是为它配一个稳定器上4K,然后忘掉后期APP吧。

从优点到缺陷,便携型大底运动相机设计解构

三防反倒是相对容易设计的部分了,这里的容易指的不是技术上,而是优先级上,因为运动相机三防几乎是标配,一切都要以它为核心来打造,再加上相对简单的小型化设计本身也易于做防护,在这方面整个行业都有比较丰富的经验。总体来说运动相机即便是在搭载较强传感器的情况下,以目前的技术来看依然有相当多的掣肘之处,RX0 M2就是比较典型的代表,但在配件组合得当的情况下,大底的成像优势还是存在的,特别是对于依然要针对PC平台的VLOG而言……

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6评论

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  • 6楼
    10-04 10:27

    我一直都在关注RX0,并且对1英寸大底的成像充满期待。但可惜,这机子总有这样那样的问题,我平时主要是在带着小孩子的时候拍些视频。所以要求设备必须小巧轻便,不影响携带小孩东西。关键时刻可以直接扔地上,以空出双手,还不心痛。 [尴尬]

  • 5楼
    09-26 21:00
    芝麻信用

    赞同楼上。其实RX0本就不是按运动相机和VLOG设计的。一代官方的宣传视频非常说明问题,这个机器实质上是面向专业用途的,实现多机位同步拍摄,以及用于特殊视角、机位和水下、容易污染环境的拍摄。所以这东西本质上还是一个“相机”,vlog什么的……当附送的看就好,至于运动?出门右转GOPRO吧……

  • 4楼
    09-15 22:46
    芝麻信用

    其实,我想说,运动相机其实是运动摄像机,主要拍摄视频的。而索尼的rx0系列不管第一代还是第二代,索尼自己给出的定义也是它是一台黑卡相机。主要任务是拍照,它并不是运动相机。可能是体积原因,很多人把它定义成了运动相机。

  • 板凳
    09-15 17:29

    最大的bug是不能追焦

  • 椅子
    09-15 16:51
    1

    需要稳定器 更小有效cmos面积和不可动光圈都不是我嫌弃他的理由 知道这块底视频就挤这么点牙膏...那可太难受了

    我觉得大法最初设计这玩意的时候压根就不是作为正经运动相机或者vlog机考虑的,所以要把他当这两样用的用户不难受就见鬼了…

  • 沙发
    09-15 16:43

    需要稳定器 更小有效cmos面积和不可动光圈都不是我嫌弃他的理由 知道这块底视频就挤这么点牙膏...那可太难受了

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