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木纹用速度取胜索尼新式传感器技术的突破

时间:2020-09-26   浏览:0次

用速度取胜,索尼新式传感器技术的突破

说到数字成像,画质或许永远是大家最关注的话题,但当下半导体技术的进步是细碎而小幅的,单纯靠那一片传感器很难再有一口气就能飞跃的可能,在不改变画幅的情况下,目前画质进化的方向已经很大程度转向了软件算法,而硬件的高速发展方向则是刷速度,在无反化浪潮时代,传感器速度成为了一个新的爆发点,而且这个爆发点距离我们其实已经很近,甚至可以说是正在进行中了。

说到速度,第一反应应该是连拍,在单反领域连拍速度的桎梏是反光镜机械结构,目前最快的单反连拍速度是16fps,而且这个速度的增幅是极其缓慢的,早在2000年初的胶片时代就实现了10fps连拍,当然那时候的还限制于卷片速度,而足足近20年过去才增加到16fps,而且这还是不带自动对焦的情况下,带自动对焦只能14fps,这已经足够说明机械精加工已经走到了一个很明显的瓶颈期。

而它面对的是高速发展的电子快门索尼入门机A7M3就有10fps,速度旗舰A9则有20fps,而且前者还是因定位的关系所以被限制在10fps,后者是全画幅无反高速化很重要的第一枪(当然,你可以挑它连拍不能14bit RAW的刺),但如果放开到APS-C或M43甚至更小画幅,连拍速度早就已经实现了单反结构很长时间都无法达到的高度:奥林巴斯EM1 M2自动对焦优先18fps,自动对焦锁定60fps;松下G9自动对焦优先20fps,自动对焦锁定60fps;索尼RX10 M4自动对焦优先24fps

机械结构的确是连拍速度的限制,但连拍速度并不仅仅取决于机械结构,并不是单反取掉反光镜就能让连拍速度升天,从传感器来说:在积分(曝光)完成后,光子转电子、电压放大、模数转换、信号传输、信号处理、数据存储,每个环节都需要足够快的速度才能实现真正的加速。

从大梗概来说,片上模数转换、到背照、再到堆栈,速度的提升是一步接一步,细节上可就先从快门速度聊起吧,机械快门最快可以到1/12000秒,在这么小体积的前提下基本可以说是人类机械精华了,1/12000不是说幕帘以这个速度刷过去,而是前后帘的移动间隙是1/12000秒,还要保证整个运动过程平稳、相对距离恒定,这啥概念?就是两块以21.6km/h(以1/250秒幕帘为例)速度移动的金属片之间只能留0.5mm的缝隙,除此之外还要反光镜箱的弹起回落快速而准确,同时必须保证日复一日风吹日晒下的长时稳定,这对工艺的要求可想而知。

而依赖半导体的高速化特性,电子快门已经可以做到1/32000秒的水平,而且采用堆栈式设计的传感器也不再受幕帘移动速度的限制(纵走式幕帘最顶与最底行像素积分起止时间恒差1/250秒),哪怕读出速度还不够快,但可以把每一行像素的1/32000秒模拟信号全都直接丢到集成的DRAM缓存里,大幅缩小最顶与最底像素积分起止时间差,缓解果冻效应。

除此之外,还有一种全局重置模式,通过卷帘快门前段曝光时间向后逐级延长的方式来缓解果冻效应,但问题就是快门越快,曝光越不均匀,如下图:

最重要的是缓解不代表解决,时间差始终是存在的,真正能解决果冻效应的设计是全局快门,此前佳能已经展示过一块2/3英寸的全局快门传感器3U5MGXS,传统的传感器是逐行滚筒式进行积分、光电转换、读出后模数转换,这也就是所谓的卷帘快门,而全局快门则是让所有像素同时进行积分,进阶化的概念是再同时进行模数转换,后者的难点在于在像素内设计模数转换器难度很高光电管面积缩小、设计结构复杂且要求严格,版图设计复杂度更上一层楼

目前佳能可以做到第一步,也就是全像素同时进行曝光积分,之后的模数转换还是以列并行逐行进行,而索尼则可以做到全像素同时进行模数转换,从技术水准来看后者明显更高。

而且索尼全局快门传感器目前最大可以做到APS-C画幅3136万像素(黑白),6464 X 4852全像素输出时8bit/10bit/12bit模数转换的帧率分别可到35.4/35.4/25.8fps,而1英寸型号可以在706万像素3208 X 2200实现8bit/10bit/12bit模数转换207.1fps/172fps/134.5fps。相对而言佳能的2/3英寸方案是532万像素2592 X 2056的120fps(位元深未告知,应该是10bit)。

以这块APS-C画幅的IMX342LLA为例,3136万像素在12bit模数转换+25.8fps帧率的情况下,相当于每秒会产生97.1亿bit,也即1157.5MB的数据,而尼康D850在4500万像素14bit+9fps连拍下也有716MB/s的数据,这些数据都需要传输到机内处理器中,这时但从长远发展看候就会对传输电路的带宽提出高要求,目前在大多数民用相机里的传输接口为LVDS低压差分,以前它的优势是速度快功耗低抗扰强,比如佳能3U5MGXS可以做到8通道867MB/s。

但显然,随着对速度的要求越来越高,这个传输率有点不太够看了,所以引入了一堆新的接口,比如索尼的SLVS-ES,单通道就有2.3Gbps(294.4MB/s),8通道方案就能满足2355.2MB/s的传输需求(通过上面的示意图不难看出,1个231万像素60Hz、12bit RAW数据流通过4通道SLVS-EC输入,可实现原RAW数据USB3.0捕捉的同时,在监控器上以全高清60Hz,24but RGB实时观看)。

除此之外也有减少通道但让通道加速的节能方案,比如CSI-2系列的MIPI接口,单通道就能实现2.1Gbps,268.8MB/s,只用2/4通道就能满足大多工控领域的带宽需求,除此之外还明显节能且封装更小巧。总的来说就是先让接口不是瓶颈,这话跟想致富先修路有几分异曲同工之妙。

当然,作为机内图像处理最后一个环节,处理器速度自然也十分重要,毕竟从前端传过来的都是基本未经处理的RAW域数据,影像处理器的性能主要就取决于各家的算法和优化了,可以说是各有所长

。而整个流程最后的文件存储方面,单反选择面更多一点,因为厚度较大,易于使用CF等存储卡,除此之外还有CFast2.0和XQD,而在无反端还是多以SD为主,不过实际上就主流方案来说,最新的6.0版CF卡也不过167MB/s的上限(PATA UMDA Mode 7),UHS-II型SDXC读写可到300、260MB/s,而1DX2支持的CFast2.0读写为525、450MB/s(SATA3),D4/D5支持的 XQD读写为440、400MB/s,随着机内数据流的不断增大,未来的发展一定是走向PCI-E总线,但对功耗和发热的相关设计也会提出很高的要求。

当然,存储卡的速度,跟机身写卡速度是两码事,比如RX100 M6的写速就只有40MB/s左右,UHS-II也奈何不了,而索尼A9、佳能1DX2和尼康D5这些速度旗舰的写卡速度都在110MB/s左右,而高速写卡的需求还是主要面向高分辨率同时取消主要为国外博士生和博士后设置的奖学金系统视频,尤其是ProRES或CinemaDNG等原始格式。

所以,相机的速度突破在无反时代是牵一发动全身的,因为在单反结构里原本是独立的对焦、测光、取景等主要功能模块也全都塞到了传感器上,而这些都与传感器速度直接相关。尤其是对焦,能否在速度上超越独立对焦模块纯粹看的就是传感器列并行模数转换速度,目前在堆栈DRAM的前提下A9可以做到1/160秒(0.00625秒),在20fps连拍(0.05秒)时,每帧间隔有7/160秒(0.04375秒)可以用来对焦,这比起14fps连拍、在幕帘遮挡下同步速度1/250秒的1DX2的0.06743秒还是有一点差距。所以提速,会是无反时代所有厂商最重要的功课,也是没有幕帘遮羞后佳能亟待填补的一个大坑(耐克8月底就要发全画幅无反了,观音加点儿劲儿好么!?)。

同时,整个传感器结构的速度提升也有利于更大画幅、更大比例的视频超采样,今年将发布的A7S3一定会用上堆栈式传感器,6K超采4K(也就是2000万像素以上),同时4K HDR 60p会是标配,希望内录能上10bit 422(实在不行就外录吧,那希望外录12bit 422)所以总有人说这些年索尼静态打不过,就在动态上剑走偏锋,但事实上视频功能只是传感器提速的一个表现方面而已,而且恰好这又是传统数码相机不太擅长(或者说不是主要卖点)的区域,所以显得索尼好像在剑走偏锋,当然,现在的索尼已经把这原本的副作用当主菜在上了,未来的无反市场之争应该会相当精彩吧,想想就有点小激动呢。


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