主题:技术男烦恼于一些问题不明白~~:片上对焦,对焦与跟焦 [主题管理员:iZaZaD]
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泡菜
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技术男。
爱研究些技术原理层面的东西。
不知道怎么变成摄影器材着迷者。
非本人相关专业。
原理不懂,想不明白。
着迷了。
欲罢不能还不至于,念念不忘有一点儿。

不知道有没有同样毛病的?一起来聊聊吧。

上一个刚弄得半知半解技术男烦恼于总有一些问题想不太明白~~now:mtf 摩尔纹

又碰到事儿了。

还有个事儿一直没来得及总结,无反相机的片上相位对焦,是个什么原理?都说无反的相位对焦点都是一字布置,没有单反上的十字米字,需要吗?

手头有点儿资料,陆续发上来,希望有兴趣的朋友一起研讨。

链接:https://pan.baidu.com/s/1lK3AJhlHWVga6ZY2ERyN2g 密码:74jk

里边涉及佳能的、尼康的、索尼的片上对焦原理和一些算法,还有松下DFD对焦原理,顺便还有个堆栈式传感器的介绍。


独立对焦模块相位检测示意:
双核像素和遮挡一半像素相位对焦原理示意

双核像素相位示意图
嵌入式相位示意图
本帖最后由 iZaZaD 于 2018-10-22 14:36 编辑
相关标签: 佳能 尼康 松下 索尼
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难得技术贴,学习中。
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晕网 发表于 2018-11-23 14:17
嗯,有道理,所以松下的反差对焦速度也挺快,但是对副厂镜头对焦(包括同盟的奥巴镜头)兼容的不好。


感觉松下这个系统的通讯协议和数据格式如果不公开给那些厂家,可能副厂镜头都没法玩了。
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iZaZaD 发表于 2018-11-23 13:53
是的。

我现在根据手头这些资料理解的就是这样。 相位差计算还有很多别的影响因素,不仅仅是口径蚀,还有彗差、色散、场曲等等,但是用上述办法都能应对,差别就是效率高低。 就像打高尔夫球一样,先找准方向,根据评估给个力度先打出去,离得近了再细微调整。如果镜头内置的那个表格做的比较好,对焦速度就快,因为出错机会少。

反差对焦其实也不是完全靠试错来决定转动量了,一样也可以根据镜头里的表格去查询,只不过反差对焦在第一次计算时找不到方向。后边就可以依据上次计算的结果来判定方向了,很简单,比上次虚化的厉害了就需要更换方向,比上次减轻了就继续,所以现在的纯反差对焦也不像以往那种来来※※调整了,这依赖于硬件技术的进步。 松下那个DFD其实就是这种方式,在镜头里内置表格,只要镜头稍稍一转动,就知道虚化变化了多少,根据转动量与虚化程度的变化关系,再去查表也可以很快决定下一次需要转动多少。 ...


嗯,有道理,所以松下的反差对焦速度也挺快,但是对副厂镜头对焦(包括同盟的奥巴镜头)兼容的不好。
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晕网 发表于 2018-11-23 13:32
因此,是否可以这样说,相位对焦可以测量计算出镜头需要转动的方向和转动量,但转动量有可能不够精确,在对焦过程中要实时校正。分级的作用是能使镜头尽快转到相应级别,然后微调,这样可以加快对焦速度。这与反差对焦完全靠试错来选定方向和转动量不同。


是的。

我现在根据手头这些资料理解的就是这样。 相位差计算还有很多别的影响因素,不仅仅是口径蚀,还有彗差、色散、场曲等等,但是用上述办法都能应对,差别就是效率高低。 就像打高尔夫球一样,先找准方向,根据评估给个力度先打出去,离得近了再细微调整。如果镜头内置的那个表格做的比较好,对焦速度就快,因为出错机会少。

反差对焦其实也不是完全靠试错来决定转动量了,一样也可以根据镜头里的表格去查询,只不过反差对焦在第一次计算时找不到方向。后边就可以依据上次计算的结果来判定方向了,很简单,比上次虚化的厉害了就需要更换方向,比上次减轻了就继续,所以现在的纯反差对焦也不像以往那种来来※※调整了,这依赖于硬件技术的进步。 松下那个DFD其实就是这种方式,在镜头里内置表格,只要镜头稍稍一转动,就知道虚化变化了多少,根据转动量与虚化程度的变化关系,再去查表也可以很快决定下一次需要转动多少。
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iZaZaD 发表于 2018-11-23 13:20
相当于对失焦程度有个评级,这个值其实应该是正比于点光源模型的模糊圈直径。

问题是只知道了这个还不够。

而且这个数值受镜头本身特性的影响还很大,比如这个理想的点光源经过对焦系统反光板分光镜等在两条对称分布的检测线上这样,那么可以计算得到下边的这个两条分布曲线:
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通过质心算法可以算出两个曲线的质心距离用于失焦量计算,但是,点光源通过镜头并不是在任何位置都是这种完美的弥散光斑,常见的一个问题就是口径蚀问题,当光斑变成这样时候,曲线分布就不一样了:
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这将导致计算误差。

我用资料上给的公式做过计算:
正常圆形的光斑:
切割掉光斑
还有就是,不同失焦程度导致的虚化程度不一样,可能计算出来的结果都不一样。

尽管上述问题导致计算出的失焦程度并不准确,但是至少可以确认的是:1、是否合焦  2、失焦方向


因此,是否可以这样说,相位对焦可以测量计算出镜头需要转动的方向和转动量,但转动量有可能不够精确,在对焦过程中要实时校正。分级的作用是能使镜头尽快转到相应级别,然后微调,这样可以加快对焦速度。这与反差对焦完全靠试错来选定方向和转动量不同。
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晕网 发表于 2018-11-23 11:17
就是说,可以测出转动量?


相当于对失焦程度有个评级,这个值其实应该是正比于点光源模型的模糊圈直径。

问题是只知道了这个还不够。

而且这个数值受镜头本身特性的影响还很大,比如这个理想的点光源经过对焦系统反光板分光镜等在两条对称分布的检测线上这样,那么可以计算得到下边的这个两条分布曲线:
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通过质心算法可以算出两个曲线的质心距离用于失焦量计算,但是,点光源通过镜头并不是在任何位置都是这种完美的弥散光斑,常见的一个问题就是口径蚀问题,当光斑变成这样时候,曲线分布就不一样了:
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这将导致计算误差。

我用资料上给的公式做过计算:
正常圆形的光斑:
切割掉光斑
还有就是,不同失焦程度导致的虚化程度不一样,可能计算出来的结果都不一样。

尽管上述问题导致计算出的失焦程度并不准确,但是至少可以确认的是:1、是否合焦  2、失焦方向  

有了这两个,镜头就可以驱动了,就像用裂像屏手动对焦一样,可以慢慢转动看看,一边转动一边继续检查,直到裂开的两个图像差小于一定程度就行了,所以,在资料里我看到了另外的一个公式:

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还有另外的一个版本:
A(i)-B(i)  如果两条曲线重合,这个结果将为零;不重合的话,会有差值,所以,相位差最小时分子应该是最小值;

然后看分母

|A(i)-A(i+1)|   |B(i)-B(i+1)|  这个不太好理解。 其实就是图像自己跟自己比,依次比较相邻的两个像素之间的差值,合焦的图形最锐利,相邻的像素之间反差最大;不合焦的图像是模糊一片的,相邻之间差值小。所以,合焦的图像分母的值最大。

当分子最小分母最大时,公式得到的数值最小,或者小到一定程度,就判定合焦。

这就是相位+反差混合对焦。也就是用相位差去判定失焦方向,用反差计算方法去计算相位差的结果,去判定是否合焦。

这种方式应该是比较原始或者说早期的方式,执行起来可能比较精确但是速度比较慢。但是这种方式有良好的兼容性,副厂镜头也能准确对焦。

看到这,插一句,相位差的这种工作模式可以导致超调,就是镜头转动过头然后再转回来,十几年前的单反相机这种情况常见,原因就是算不准,反复调整。

麻烦点就是慢。回到开始说的,对焦系统虽然不能精确计算出失焦的距离,但是可以做出一定范围内的失焦程度评价; 厂家在镜头里出厂前做好充分测试在固件里放置一张表格:
根据机身评估出来的失焦程度,查表得到镜头所需的转动量,镜头就不必很盲目的按方向转动了,根据评估转动到对应的位置,这样就避免了超调和不必要的重复调整,这种在连续对焦跟焦时就准确快速的多。这里就涉及到个问题,副厂镜头怎么能够做的跟机身良好的匹配? 所以,匹配的好的跟匹配的不好的工作起来就可能是这两种:
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iZaZaD 发表于 2018-9-1 10:58
这个图里有个公式A5, 可以模仿一下具体怎么算的:

假设传感器7A  7B上各有1~9个像素,编号1~9 ,各自读取的数据分别如图所示,那么根据公式A5,可以计算出图像的中心在7A的6.3位置, 在7B的3.3位置(这还用算嘛,一眼就看出来了 ,但是计算机得计算):
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这样就可以得到,7A,7B上的图像有相位差,差值为1.5像素的距离。

上边的这个算法,叫做质心算法

这样得到了结果:
a、不合焦
b、马达需要转向让图像在7A上向左在7B上向右转动
c、转动量:让图像移动1.5像素


就是说,可以测出转动量?
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前一贴图片标记上行号:

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根据rivershaw同学在主题帖 主题:SONY条纹不是BUG,是GATE中提供的数据,做了个计算:

根据rivershaw提供的数据:
A9出现条纹的行号为:
  2;  14;  26;  38;  56;  68;  74;  86;  98; 116;
     122; 134; 152; 158; 176; 182; 194; 206; 218; 236;
     242; 254; 266; 278; 284; 302; 308; 326; 338; 344;
     362; 374; 386; 404; 416; 422; 434; 446; 458; 476;
     488; 494; 506; 518; 536; 542; 554; 572; 578; 596;
     602; 614; 626; 638; 656; 662; 674; 686; 698; 704;
     722; 728; 746; 758; 764; 782; 794; 806; 824; 836;
     842; 854; 866; 878; 896; 908; 914; 926; 938; 956;
     962; 974; 992; 998;1016;1022;1034;1046;1058;1076;
    1082;1094;1106;1118;1124;1142;1148;1166;1178;1184;
    1202;1214;1226;1244;1256;1262;1274;1286;1298;1316;
    1328;1334;1346;1358;1376;1382;1394;1412;1418;1436;
    1442;1454;1466;1478;1496;1502;1514;1526;1538;1544;
    1562;1568;1586;1598;1604;1622;1634;1646;1664;1676;
    1682;1694;1706;1718;1736;1748;1754;1766;1778;1796;
    1802;1814;1832;1838;1856;1862;1874;1886;1898;1916;
    1922;1934;1946;1958;1964;1982;1988;2006;2018;2024;
    2042;2054;2066;2084;2096;2102;2114;2126;2138;2156;
    2168;2174;2186;2198;2216;2222;2234;2252;2258;2276;
    2282;2294;2306;2318;2336;2342;2354;2366;2378;2384;
    2402;2408;2426;2438;2444;2462;2474;2486;2504;2516;
    2522;2534;2546;2558;2576;2588;2594;2606;2618;2636;
    2642;2654;2672;2678;2696;2702;2714;2726;2738;2756;
    2762;2774;2786;2798;2804;2822;2828;2846;2858;2864;
    2882;2894;2906;2924;2936;2942;2954;2966;2978;2996;
    3008;3014;3026;3038;3056;3062;3074;3092;3098;3116;
    3122;3134;3146;3158;3176;3182;3194;3206;3218;3224;
    3242;3248;3266;3278;3284;3302;3314;3326;3344;3356;
    3362;3374;3386;3398;3416;3428;3434;3446;3458;3476;
    3482;3494;3512;3518;3536;3542;3554;3566;3578;3596;
    3602;3614;3626;3638;3644;3662;3668;3686;3698;3704;
    3722;3734;3746;3764;3776;3782;3794;3806;3818;3836;
    3848;3854;3866;3878;3896;3902;3914;3932;3938;3956;
    3962;3974;3986;3998;4016;4022


按照35条一组的规律重复出现


使用其中的第一组35条:  2;  14;  26;  38;  56;  68;  74;  86;  98; 116; 122; 134; 152; 158; 176;

根据以上内容,做一个正方形的对焦框,把对应的行数加上条纹,得到尺寸为177*177个像素方格,其中35行对焦像素,下图所示:
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如果横向上按rivershaw主题中图片所示每4个像素放置一个对焦像素,那么整个对焦框内的对焦像素为如下布置:

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可算出,每个对焦框内的对焦像素为:35*(176/4)=1540个。

这是A9的693个对焦点中的一个,其余与此相同; 可算出A9的传感器上,用于对焦的像素至少为:693*1540=1067220 , 106万像素。

本帖最后由 iZaZaD 于 2018-10-18 15:30 编辑
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圆规大师 发表于 2018-10-9 18:06
这只是厂家为了稳定和避免麻烦,特意限制了功能,或者特意说明小于光圈F8不能保证自动对焦,免得有些不懂的人瞎搞,还认为是相机问题,这种人在初级玩家里为数众多,偏偏初级玩家是最大群体。

至于已经入门的玩家,懂的自然懂,不需要多做解释。实际能否自动对焦取决于有没有足够的光线强度,和光圈没有必然联系。光线很暗时候,给你个F1.8大光定也不能自动对焦。光线足的时候,哪怕很小的光圈也能自动对焦。你看我摄月接了两个增倍镜,光圈已经多小了,照样自动对焦。


那倒是,暗光对焦成功率低不少。你这是哪只镜头接了两个2X?还是1.4X。 本帖最后由 suixz 于 2018-10-9 20:20 编辑
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suixz 发表于 2018-9-25 14:45
那不是厂家还说,小于F8的也不能对焦?难道AF只能在2.8~8之间有效。
这只是厂家为了稳定和避免麻烦,特意限制了功能,或者特意说明小于光圈F8不能保证自动对焦,免得有些不懂的人瞎搞,还认为是相机问题,这种人在初级玩家里为数众多,偏偏初级玩家是最大群体。

至于已经入门的玩家,懂的自然懂,不需要多做解释。实际能否自动对焦取决于有没有足够的光线强度,和光圈没有必然联系。光线很暗时候,给你个F1.8大光定也不能自动对焦。光线足的时候,哪怕很小的光圈也能自动对焦。你看我摄月接了两个增倍镜,光圈已经多小了,照样自动对焦。
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370楼漏掉了一个重要图片,补充一下:

接294、306楼继续。

前边写了不少关于相位差值的获取过程,单反和无反基本上是殊途同归。继续研究对焦模块与镜头的控制过程。

在以前的资料中看到过,对焦模块通过在传感器上的图像经过计算能获取到相位差值和方向,但是此时如果没有镜头参数,比如当前物距、光圈、焦距、镜头光学结构等等参数,仅仅通过相位差值是不可能得到镜头所需的转动量的。

那么,相位差值怎么跟镜头的转动量联系起来?  曾经以为,机身通过读取存储于镜头的参数数据,通过复杂的计算算出失焦量,从而驱动镜头转动到相应位置,但是这种计算必然是很难有良好兼容性的,比如镜头内有CRC系统的,以及微距镜头有效光圈值随距离变化的等,必然导致计算过程需要考虑很多特别情况。

后来,查阅资料发现,厂家采用了一个比较简单的方法:

1、根据失焦严重程度将相位差值分成若干等级,比如1-20级;
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2、镜头出厂前做好充分测试,在不同焦段、不同对焦位置、不同光圈针对以上不同等级的相位差值对应出各自的转动量,存储到镜头内部的存储器中;
3、对焦时,通过查表方式获取镜头驱动量;
这样做的好处显而易见,模块化开发,避免了复杂的数据运算,不用考虑太多特殊情况,各档次机身各年代的机身都具有一致的良好兼容性,镜头和机身通讯格式固定,简单又快速。

根据以上内容,做出下图:
根据大家熟悉的公式1/u+1/v=1/f ,得到图中v与u的变化关系曲线,在不同的物距位置(LENS POSITION),将相位差值(EVALUTION VALUE)标注在曲线上,然后镜头可以根据下图中所示查询到所需的驱动移动量?d。
系统根据evalution value (即图中的phase diff.)进行查表:
本帖最后由 iZaZaD 于 2018-9-25 16:30 编辑
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雪随风 发表于 2018-9-3 16:57
最近几年没有关心对焦了,之前无论是动感还是泥坑,我记得单反的AF对焦感应器都是CCD的。
简单来说,可以理解为不同光圈下面的对焦系统是不同的称,通光量就是称的电压。
F2.8就是一把称1到1000克的称,精度是10克,需要电压是3V;
F5.6就是一把称1到1000克的称,精度是100克,需要电压是1V;
合焦就是能判断出重量了。
合焦的判断也是根据反差,找最大值的差别。动感不同光圈的对焦模块,是针对不同光圈下面的光线强度做信号放大处理,从而判断是否合焦。
这就是为什么以前动感都说它的对焦系统是保证在F2.8光圈下面合焦,也就说,你用1.2、1.4的头,全开能不能很准的合焦就看运气了。
单反对焦系统发展到今天,对焦感应器CCD的刷新频率高了,专门负责对焦的芯片运算速度也快了,精度也高了。


那不是厂家还说,小于F8的也不能对焦?难道AF只能在2.8~8之间有效。
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接294、306楼继续。

前边写了不少关于相位差值的获取过程,单反和无反基本上是殊途同归。继续研究对焦模块与镜头的控制过程。

在以前的资料中看到过,对焦模块通过在传感器上的图像经过计算能获取到相位差值和方向,但是此时如果没有镜头参数,比如当前物距、光圈、焦距、镜头光学结构等等参数,仅仅通过相位差值是不可能得到镜头所需的转动量的。

那么,相位差值怎么跟镜头的转动量联系起来?  曾经以为,机身通过读取存储于镜头的参数数据,通过复杂的计算算出失焦量,从而驱动镜头转动到相应位置,但是这种计算必然是很难有良好兼容性的,比如镜头内有CRC系统的,以及微距镜头有效光圈值随距离变化的等,必然导致计算过程需要考虑很多特别情况。

后来,查阅资料发现,厂家采用了一个比较简单的方法:

1、根据失焦严重程度将相位差值分成若干等级,比如1-20级;
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2、镜头出厂前做好充分测试,在不同焦段、不同对焦位置、不同光圈针对以上不同等级的相位差值对应出各自的转动量,存储到存储器中;
3、对焦时,通过查表方式获取镜头驱动量;
这样做的好处显而易见,模块化开发,避免了复杂的数据运算,不用考虑太多特殊情况,各档次机身各年代的机身都具有一致的良好兼容性,镜头和机身通讯格式固定,简单又快速。

根据以上内容,做出下图:

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根据大家熟悉的公式1/u+1/v=1/f ,得到图中v与u的变化关系曲线,在不同的物距位置(LENS POSITION),将相位差值(EVALUTION VALUE)标注在曲线上,然后镜头可以根据下图中所示查询到所需的驱动移动量?d。
系统根据evalution value (即图中的phase diff.)进行查表:
本帖最后由 iZaZaD 于 2018-9-25 12:24 编辑
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peterhong 发表于 2018-9-21 07:34
西山说的应该是单反对焦模块里面的棱镜吧

这个对焦模块里面也有自己的透镜系统。


你说的这个东西的内部构造:
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我原以为这个光路上的东西不会有人产生啥疑问呢
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圆规大师 发表于 2018-9-20 22:33
五棱镜作用是把倒像变成正像


我说的是对焦系统里的分光棱镜!
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西山邻语 发表于 2018-09-20 11:25
这帖子自始至终没提过单反对焦系统里棱镜的作用,真是缘木求鱼哈!...


应该是有什么资料让您记住了单反对焦系统里有个棱镜这个事儿,或者让您记住了这个棱镜的功能,不妨说出来交流一下?

或者,麻烦指示一下您说的棱镜在这个实物图里是哪个位置?
本帖由安卓客户端发布
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西山邻语 发表于 2018-9-20 19:25
这帖子自始至终没提过单反对焦系统里棱镜的作用,真是缘木求鱼哈!
五棱镜作用是把倒像变成正像
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peterhong 发表于 2018-9-20 15:32
按照楼上的图片,好像是前照式CMOS吧?前照式CMOS因为深井效应,所以可以实现片上相位对焦(参见之前的片上相位对焦原理),那背照式CMOS电路层都移到光电二极管后面去了,深井效应减少(井变浅了,光线能填满整个井底)这样片上相位对焦就很难或者无法实现了?


这个问题挺好,对片上相位对焦像素结构理解的很透彻。

前照式背照式的区别是电路层和感光层的相对位置不一样,背照式并不是感光层就放到了很浅的地方,实际上,还是有不小的深度的。

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而且,遮挡的方案也有不同做法,有的是在微透镜滤色片位置遮挡,有的是在感光二极管表面遮挡,相当于有的是在井口遮挡,有的是在井底遮挡,效果肯定有不小区别。我想,这个问题SONY肯定会考虑的很好的。咱们只需了解它的大致原理就好了。
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圆规大师 发表于 2018-9-19 18:36
单反对焦就是独立对焦,测光就是独立测光,成像就是独立成像,这是各司其职分工合作,什么叫做三个系统相加才能得出结果,你到底有没有逻辑可言?子系统和模块化,恰恰是现代化工业的典范之一,空客飞机全世界造零件,到法国图卢兹总装,难道工艺就不行,精度就不高了?

另外,索大微单,佳能尼康的无反,专利文档看的清清楚楚,也都是基于光学结构的对焦,相位点植入CMOS(索尼尼康)或直接集成在了CMOS上(佳能)而已。

所谓电子系统的对焦,反倒是被淘汰的反差对焦,就是最早数码相机来来※※拉风箱的那种方式,精度也只是拍静物下高,动态时候简直没法用。


圆规大师 发表于 2018-9-19 18:43
顺便,楼主发了那么多图和说明,显然你是一个字都没看。你的思维至今还停留在水军※※,停留在“微单不跑焦”,“单反都跑焦”的层次。
……


很荣幸能有人认真爬楼看

不知道大师看到335楼没有? 反差这东西,现在还没办法说全扔掉,用来确认合焦还真是挺简单的。

从我前边发的资料来看,在无反机身上做对焦计算,单次计算量,相位差的计算量并不比反差少,反差的最大问题是不能直接得到失焦方向但是合焦精度高些,相位差的优点是立刻知道失焦方向但是接近合焦时合焦精度就下降,两者结合起来用还是很好的方式。
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peterhong 发表于 2018-9-20 01:10
刚才转到大法坛,有人说用于对焦的那个像素点只占了半个像素,那另外一半遮挡的话就太浪费片上资源了,索尼通过改变像素排列让邻近的一个像素移过来占据那半个被遮挡的像素,这样两个对焦点就能省出一个像素的空间,多造一个像素用来参与成像。


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这个是SONY的一个另外方案,结构上是你说的那种,但是对焦算法还是大同小异。图上Fb像素是不参与成像的,一样得在猜色算法前用各种算法给补回来。
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qumiq3 发表于 2018-9-5 16:46
很想听听楼主对这个5655可选对焦点的评价
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我记得我们之前讨论的时候,基本上索尼的片上相位对焦点每一个对应N多个片上像素对,佳能这个可选对焦点一下扩大了差不多10倍的样子,且不说实际使用效果,这种玩法我估计一个对焦点可能就对应很少的像素了,甚至不排除一个对焦点就是一个像素对。

这种对焦点突然的放量,对消费者能否真正有意义?


中性灰 发表于 2018-9-19 01:42

……
EOS R的可选对焦点的范围占到整个画面的88%×100%(水平×垂直搭配有些镜头时会变小为80%×80%),几乎实现了全画面覆盖。当然覆盖到这种程度是不是足够到有点儿过剩了(焦点靠这么边上构的啥图不是?)。

需要注意的是,EOS R有5655个可选自动对焦点位,可不是5655个对焦点啊!因为EOS R可通过触屏和前后拨轮直接选择和微调对焦点的位置,单纯增加对焦点的数量已不能应对随机的目标位置。EOS R在水平方向可选择87个点位,垂直方向可选择65个点位,因此得出87x65=5655个对焦点位置的说法
……


iZaZaD 发表于 2018-9-5 16:57 请数出图中有多少个六边形,我觉得这个图可能更能说明问题:
本帖最后由 iZaZaD 于 2018-9-20 09:03 编辑
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圆规大师 发表于 2018-9-19 18:24
其实这和天文望远镜的寻星镜是一个道理,一个视野更大的取景设备便于追踪,要不鸟一下就出框了

单反一样可以装这个

原理一样,那个太大了,不好装,最好的是※※上用的瞄准器,较轻便。奥林巴斯这款很好,专门为摄影人设计,光轴调整很方便。
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