轻巧与性能如何兼备?聊聊随身型相机的设计思路

即便是摄影爱好者,但凡日常工作不是摄影相关,随身携带相机的可能性也会大大降低,毕竟现代手机的算法摄影进步速度飞快,满足社交媒体需求绰绰有余,而硬件性能有明显优势的相机要么笨重、要么操控和后期处理繁复,这也是小型相机市场逐步萎缩的关键原因。但换个思路来看,手机摄影风气的形成从培养摄影基础人群的角度而言却是有利的,增加了由手机向相机转化的基数,而这类人群最大的诉求可能就是:如何在保持不影响便携小巧身形的同时,又获得足够高的硬件天花板。

从产品形态来说,要求便携就要意味着可换镜头相机基本没戏,需以固定镜头机型为主。但便携也有用途之别,以我自己为例,通勤随身携带的相机是索尼RX0 II:

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这个尺寸无论春夏秋冬,裤兜都能放得下,而且也比较低调。但问题在于1英寸底与手机的差距越来越小,而且它只有规格平庸的等效24mm F4定焦镜头,反差对焦性能也不给力,再加上没有手机那么丰富的功能,屏幕小操控麻烦……除了小巧、抗摔耐造,以及不占手机存储和电池之外,与手机已经拉不开差别,甚至时不时还会输。所以,通勤路上的随拍记录,RX0这类基本可以淘汰,同样道理也适用于GoPro、大疆OSMO Pocket等主打功能而非性能的机器,大多数情况下手机就足矣。

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而如果是旅行用口袋机,1英寸传感器加上光学变焦就很有看头了,比如索尼RX100系列,从六代开始就选择了24-200mm F2.8-4.5镜头,长焦端的成像素质相对手机有非常明显的优势,而且这一优势从产品形态而言还会保持很长一段时间,沉胴式镜头在关机时又能回缩至机身内以保持“口袋机”的基本属性,再加上有非常强的片上相位差对焦性能,性能与功能都可与手机保持质的差距,所以这是我旅行口袋机的首选之一。

再进一步,对于摄影爱好者而言,在不方便或不想要甚至不喜欢笨重器材的情况下,有没有靠谱的轻便高性能机型可选?逻辑上不难想到,一定要更大的传感器画幅,以保证硬件门槛够高,但同时为了限制体型,需选择相对较小光圈的镜头,而这类机型又能按体重继续分为三个类型。

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第一类是全画幅高端机型,代表作有新款的徕卡Q2,也有经典的索尼RX1R II,从绝对体重来说依然算得上是便携,Q2也不过730g出头,RX1R II更只有500g多一点点,但它们的三围,尤其是镜头厚度都基本上摸到了“便携”的极限(虽然已经是尽力选择利于小型化的焦距和光圈),基本上属于藏不住的类型,画质最为出色的同时,价格也最为昂贵。

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第二类是APS-C口袋街拍型,这类产品讲究体型的轻巧与低调,拍摄方式也基本以不打扰拍摄对象估焦盲拍为主,经典代表为理光GR3、富士XF10,都是等效28mm F2.8镜头,都只有不到300g的的体重。

第三类是APS-C主流型,有相对全能的,比如佳能G1X III,整机体重不超400g同时还有等效24-72mm F2.8-5.6沉胴式变焦镜头。以及本文主角:主打复古文艺(颜控可能很容易被吸引),重量不到500g,挂在脖子上溜达一整天也不会觉得是个负担的富士X100V。

从APS-C画幅固定镜头数码相机的历史来看,富士X100系列属于老前辈,当然,放宽一点看的话适马DP1更早,不过它的传感器尺寸比APS-C级别稍小。2011年,富士推出了初代FinePix X100,大家可以先玩个好玩的,猜猜下图中谁第一代X100,谁又是最新的X100V:

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不难发现,虽然细节上几乎都有区别,但时隔近10年,它们的设计语言却是一脉相承,这一点在中间发布的三代:X100S、X100T、X100F上也得到了体现,技术上的递进也基本上是10年来整个影像行业大方向的缩影:2013年的X100S采用了富士经典的X-Trans色彩滤镜,并增加全高清60p视频、2015年的X100T则加入了相位差对焦和电子快门、2017年的X100F则把在当时已经显得捉襟见肘的1600万像素总数增加到了2400万……当然,像对焦点数、操控按键、屏幕素质、连拍性能和电池续航等各方面也都在进步,那么到了最新这一代X100V,又有哪些变化呢?

最主要最根本的进化就是升级了镜头,放弃了四代祖传的那颗23mm F2,采用了新设计,从结构上不难看出基于相同的设计思路,光学上主要优化的点是增加了一个非球面,目的是改善像差,缩小各种像差的点扩散区间,进而提高光学分辨率,那么为什么是增加非球面?前代设计最大的诟病在于物距越近,分辨率越受球差影响而低下,借DPreview的对比图一看,同为10cm微距对焦,性能差别非常明显:

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而从光学设计的角度来说,一个给定的共轴光学系统的初级像差特性,是由物面像差和光阑球差共同决定的(所谓光阑像差,就是把光瞳当做物面来计算的像差,其中就包括球差),当物面移动时,光阑球差会直接影响所有像差,因此,校正光阑球差就是改善不同对焦位置像差表现的关键,也就是X100V改进非球面的原因。

不过可以预见的是,它的消色差性能并不会很强,事实证明也确实如此,F2全开时有比较明显的轴向色差,进而影响整体发色:

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不过,玩富士X系列基本上都要玩胶片模拟,所以颜色反倒不是问题,以最终性能来说,X100V的表现很不错,基本上是目前便携型相机的顶级水准,主观上比较讨喜。

基本上F2全开即可用,F2.8就已经算是最佳水平,作为固定镜头相机,富士应该采用了一定程度的光学/数字混合优化。因为体型的关系,便携型相机的镜头在光学设计阶段没有太多的发挥空间,这意味着各级次的像差残余量会比可换镜头更大,而对于可换镜头来说,应对剩余像差的传统方法是在第二阶段:数字图像复原时调整信噪比和反差。但这两者本身是制约关系不可兼得,再加上反卷积复原求解时存在病态性问题,基本上只能局部最优。

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可换镜头采用这种两段式的设计方式无可厚非,毕竟不同镜头有不同的光学设计,与数字优化会存在匹配的问题,而正因为两段式设计之间缺乏联动性,所以常常会限制其最终性能。而像X100V这种固定镜头设计显然没有这个困扰,可以在光学设计阶段就介入数字算法进行混合优化,针对球差、畸变、像散、彗差、离焦等不同像差各自的MTF进行不同的迭代优化,让对数字优化敏感的像差,比如彗差、像散、场曲等使用数字算法去校正,而色差、球差、畸变、离焦等对光学设计敏感的像差则由光学优化来解决。这样一来,既能降低系统复杂度又能提升性能,这也是为什么固定镜头相机在虽然镜头结构并不一定复杂,但成像素质却常常超越同时代类似规格可换镜头的原因。

而且X100V在低感光度下的动态范围表现相当出色,比如一个完全逆光的环境,为了不使天空高亮部分过曝而大幅加快了快门速度,但这样一来地面暗部细节就严重欠曝了:

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通过后期亮部-100,暗部+100,并增加1档曝光,就能很轻松地在依旧保留高光细节的同时,找回暗部细节,且几乎不会受噪声影响,这说明X100V传感器的本底噪声和读取噪声都控制得非常不错,以下是调整前后的100%暗部对比:

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结合11fps的连拍(或最高裁切画幅后30fps电子快门连拍),可以在短时间内输出多帧高度近似的RAW图像序列,进而通过均值堆栈的形式实现更高的动态范围,配合广角转接镜头的时候就很方便了。

对焦方面,富士这几年的进步也比较快,X100V即便是拍摄佩戴口罩的人像也能准确识别到面部,跟踪性能虽然还没有索尼A系那么夸张,但绝大多数的日常使用已是绰绰有余。

除此之外,因为固定镜头相机的后镜组十分逼近传感器,再加上小型化的设计思路使得它难以用上很大的光圈,所以往往采用前置光圈+镜间快门的设计,镜间快门的优势大家可能都知道,最大的特点就是闪光同步速度快,胶片时代就有能做到1/2000秒的机械快门型号,不过稳定性比较差,而电控时代可以做到很稳定的1/2000秒同步,可有效减少高速同步模式正弦频闪带来的明暗纹影响。相对来说,焦平面快门的同步速度基本上都在1/250秒,差距非常大,。

造成差别的原因其实就是快门运作方式的区别,所谓闪光同步,就是闪光输出时整个传感器/底片都完全受光,而镜间快门的运作流程是平时就开放以取景,按下快门后开始正常曝光,到设定快门时间后关闭快门,并读出数据(完成胶片曝光),然后再回到第一步,全开继续取景,其实工作模式跟光圈有几分相似:

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由此可见,镜间快门的特性就是以传感器/底片完全受光为起点,所以基本上最大快门速度是多少,同步速度就能达到多少。显然,光圈越小、画幅越小,运动行程就越短,越有利于做高同步速度。

而焦平面快门的运动是按下快门后,幕帘会关上,然后利用前后幕帘运动的时间差来让传感器/底片“扫描式”受光:

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这意味着要多快的同步速度,就得要多快的幕帘移动速度,焦平面快门1/250秒的同步速度其实也就是纵走式幕帘完整扫过传感器所需的时间,如果把这个时间缩短到1/2000秒,就意味着前帘在1/2000秒扫过传感器的时候,后帘还没弹出来,传感器此时就处于完整受光状态,可以实现1/2000秒的闪光同步。

但问题在于,焦平面快门需要非常高的精度以保证正确的“扫描缝隙”,连震动都会造成问题,而镜间快门只是闭合而已,并不需要什么特别精细的设计,这就导致两者的设计前提有很大的区别,考虑到1/250秒的焦平面快门同步速度已多年没有进步,各家已经默认了这个速度,发展重点也渐渐开始倾向于更具潜力的电子快门,比如更高的读出速度、全局快门等等。

当然,便携式相机的镜间快门设计远没有大中画幅镜头那么复杂,就以X100V为例,通过40倍慢镜头观测,它的镜间快门只有2片叶片,采用剪刀式开合设计,从完全打开到完全闭合约0.1秒,除以40也就是约1/400秒的运动时间,这会带来2个问题:首先是大光圈高速快门的情况下,RAW图像中心部分的亮度会高于边缘部分,形成暗角:

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不过作为一个固定镜头相机,周边亮度机内优化没有压力,所以实际体验时基本察觉不到这个问题,而且这颗等效约35mm F2的镜头本身也不算速度特别快,最关键的是它还内置了一个约4档的中灰滤镜,1/4000秒的高光环境也能在不缩光圈的情况下压制到1/250秒,大晴天户外也能正常使用。

但问题是周边光亮校正是输出前最后一步的全局设计,无法修正因叶片快门移动速度不足造成的虚化光斑裁切,机械快门1/500秒时就能看到光斑边缘出现了羽化形态的暗角:

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当加速到1/1000秒时就非常明显了:

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极限速度1/4000秒就遮挡了相当大一部分:

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所以我的建议是,较大光圈拍摄,快门速度超过1/500秒且背景有大量点状光源时,切换到电子快门进行拍摄,否则背景会比较难看,当然话又说回来,在中灰滤镜加持下这种场景不会特别多就是了……

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X100V的视频功能相对前代和一众只能拍摄全高清的竞争对手来说进步明显,基本规格与X-Pro3看齐,是市面上为数不多支持17:9 DCI 4K/200Mbps的便携机,帧率方面有23.98/24/25/29.97p等常用规格,全高清则可以到60p,常规的视频拍摄均为采用全宽抽行采样。而慢动作模式最高有5倍慢速(全高清120p录制,23.98p回放),但不能收录音频且存在画幅裁切,而可能是受发热或产品定位的限制,单条4K的录制时间限制为10分钟,全高清15分钟,慢动作视频则为6分钟。

支持F-Log,起跳ISO 640,善加利用可以有效增加视频宽容度,但遗憾的是内置的中灰滤镜在视频模式下无法启用,这意味着只能通过缩小光圈或加快快门的方式来满足曝光,前者会明显影响整体细节表现,比如4K 30p正常模式下ISO 100+F7.1+1/60秒100%的细节如下:

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而F-Log的ISO 640起跳只能把光圈缩小到F14,此时的分辨率明显受衍射影响而大幅削弱:

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所以,希望能推出可以在视频模式下使用中灰滤镜的固件。视频对焦方面性能也还不错,支持触控调整焦点并能设置10级的对焦切换速度,让视频对焦的变化更柔和平缓,而且采用了前组对焦+后组补偿的设计思路,所以呼吸效应很小,总体来说视频功能在整个现代数码相机领域来看属中高水准,在便携型相机里则是拔尖。

X100V的缺点其实也挺明显,取消方向键换用万向拨杆等使用习惯方面的问题就不说了,适应后也没啥问题,首先是发热较明显,尤其是较长时间视频拍摄时,手柄位置会有比较明显的热量堆积,随着气温的不断升高会逐渐成为关键问题,希望新固件可以解决;其次是取消了一键礼仪模式,也就无法快速切换为全静音、不闪光、对焦辅助灯关闭模式,对于街拍、室内抓拍等主题有比较大的影响,特别是从前代机型升级的老用户可能会很不爽……

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做个总结吧,作为一款近万元的高端便携机,X100V的优点很明确,就是小巧+高性能,虽然文章里我提出了不少的问题,但严格来说都不会造成特别明显的使用障碍,功能和性能的平均水准很高,搭配官方外置镜头就能实现50mm和28mm的兼具,再加上与X-Pro3类似的光学/电子混合取景器和几乎全拨盘时机械操控,仪式感还是很强的,也算是便携机里比较独特的一类,适合预算较高的玩主。

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