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时间:2024-05-09 14:43:39 编辑: 来源:

卡西歐EX-F1,1200FPS的“怪物”

2017年的這個5月,索尼半導體推出了『IMX382』的圖像傳感器。這款傳感器在制造上采用了積層構造(日文漢字:積層型),這種代表了時代發展高度的先進制造技術。

這款傳感器像素只有127萬,分辨率是1304x976,規格尺寸是1/3.2英寸,單像素大小是3.5x3.5μm。

『IMX382』最大的特色,在于一個頗有廣告效應數字 —— 1000fps,它可以在640x470 4bit的模式下以這樣的速度讀取圖像。

然而在9年前的2008年,卡西歐公司生產過一臺民用定位的機器,其最高速度可以達到1200fps,相比這款傳感器的1000fps,居然還高出了一些。

也就是本文主角,全名為 EXILIM Pro EX-F1 的機器。

這臺機器發布于2008年年初。

2008年,是一個相機的大年。這一年,佳能尼康索尼分別發表了自己的全畫幅數碼單反產品。

而現在風靡的無反,也在這一年以MFT系統的建立而宣告誕生。

在這樣一個激情迸發的年份里,

卡西歐,以EX-F1這款相機,交上了自己的答卷。

EX-F1是一臺類單反造型的橋式相機。

這類相機,以2005年索尼R1的推出作為高潮,盛極而衰。

F1仍然堅持做這類相機,只是,為這略顯頹勢的機型,加入了新的看點。

在機型設計上,值得一提的還有閃光燈結構。

彈出式的閃光燈結構中,除了常見的氙氣燈,還配置了LED。

這是考慮了在高速拍攝中,氙氣閃光燈回電速度跟不上,而特別用常亮的LED補光的策略;同時也可以照顧視頻補光的需求。

許多年后,VDSLR和無反普及大潮流下,閃光燈設計中也開始加入LED。

順帶一提,由于卡西歐沒有成規模的系統,所以熱靴處僅有單觸點。

卡西歐是一個很有意思的生產廠商。

我們今天談論的所謂老牌光學企業里,是沒有卡西歐的位置的,

但是它在數碼攝影發展中扮演很重要的角色。

比如說在卡西歐內部的會議中,言必稱1995年的 QV-10 。

這臺機器是世界上第一臺實現 實時取景 (Live View) 的數碼相機;

同時,也許作為非光學廠商,卡西歐沒有那么多桎梏,幾乎很快意識到LV取景時可以帶來極大的自由度,QV10被設計為具有旋轉功能 —— 在之后的歲月里,其他廠商受該設計影響很大,甚至90s后期,家家都是(有)這樣的造型。

2002年,卡西歐又在造型上扔了一波炸彈。

EX-S1做到了11.3mm厚,頗為方正卡片式的造型,

形成里一個新的系列『EXILIM CARD』,并擴大,成為后來漢語中的專屬稱謂“卡片機”。

有興趣的話,可以 移步閱讀另外一篇文章 ……

在數碼相機制造上,卡西歐更像一個集成商,而非全能的生產廠。

而且它自己也清晰地認識到這一點,所以在賣點和定位上也會更清晰一些。

光學鏡頭設計制造,求助于其他廠商,對卡西歐并不是丟人的事,而是為了更大的、整體目標服務的必經之路。

2004年,Exilim Pro系列的開山作P600,鏡頭就十分坦誠地表明佳能制造。

這樣的優勢,就在于可以盡可能自由地挑選最適合產品的原料,而不受到同公司同集團產品的制約

—— 許多年以后做相機的三星似乎沒有繞過這個門檻 ——

而更專注于做出理想中的機型。

這還關乎,理想有多大多遠。

也許冥冥之中,決定了只有卡西歐最適合做出這臺高速機。

為什么這款相機可以實現高速呢?

限制高速的,有三個因素:

DP Review的團隊進行了一個猜測,也就是說,EX-F1使用的就是2007年年初時候,索尼實際生產的『IMX017CQE』 傳感器 DPR 。這個猜測相當普遍,IMX017生產的消息是2007年年初,而卡西歐在2007年下半就提出了高速機的設計概念,并且已經有提供原型機出來,部分 日本媒體也有探訪到 。

最終F1的60fps讀出,也與IMX017的參數符合。

當時登載的兩個關于IMX017CQE的地址:

都已經失效了,現在的索尼半導體網站已經遷移到 sony-semi買粉絲n.買粉絲.jp ,而且似乎沒有EXMOR品牌之前的產品信息了。

順帶一提,2007年索尼單反α700的『IMX021』是第一批Exmor品牌的圖像傳感器 —— α700發布于2007年9月,而IMX021的披露是在2007年的7月,兩款產品似乎互為映襯;但是IMX017在2007年2月發表,并不能在EXMOR列表里,來得早沒趕上聚光燈和大虎皮。

第一塊EXMOR是IMX035,一款1/3英寸的安保用傳感器

以及作為背景知識,如果你需要查詢Exmor品牌產品信息: 工業用 、 移動平臺 、 相機 。

這里有在產的EXMOR傳感器信息規格可供比較。

于是以官方信息查詢傳感器信息的可能,被叫停。

Chipworks 上有很詳盡的文章,可惜買不起;

以及找到了 TechInsights 的文章 ,同樣買不起。

所以根據已有的信息,IMX017大約如此:

IMX017,相比之前的傳感器產品,得以實現高速,秘密即在于上文加重的部分。每一列有了單獨的AD轉化器,帶來了兩個影響:ADC如同CPU,分散在每列的處理量小了,自然頻率不需要太高;數字傳輸的起點提前,不容易受到干擾 —— 最終增強了畫質,因為最終的噪聲降低了。

ADC,模擬-數字轉化器;我們的世界宏觀來看是連續的,但是要用數字化(分離量)進行表達,就需要處理,具體而言,就是ADC的功能

這種將ADC放置在每一列的結構,在邏輯上即所謂的“內置”。相比其他傳感器廠家,索尼這樣做稍晚 —— 但仍然領先于佳能。

而作為自己第一款列并列ADC的傳感器,IMX017大概多少也有一些不計成本的意味,許多指標都是不可思議的高,今天看起來,都有些許技術炫耀的感覺。

當然,走入聚光燈下的,仍然是那枚IMX021……

據說修訂后的IMX021,即成為了尼康公司D90上的IMX038,畢竟還有一個高清攝像的任務在,不修改大概是無法使用的。

DPR自己論壇中也有關于IMX017的 只言片語 ,在一篇叫做《Time has 買粉絲e! ( Is Sony sleeping? )》 (時機已到,索尼還™在睡覺? ) 的熱血帖子中有討論到……。

在IMX017的相關信息無果后,我轉向了當時對于EX-F1的報道。

DC Watch Impress 在2004年創建,但在EX-F1上似乎還沒有進行開發的采訪;

DP Review 似乎也沒有對F1這樣的機器太過深剖。

不過還好,日經技術 (NikkeiBP) 有一篇關于F1的拆解 ,展現了EX-F1的內部。

EX-F1在原料上沒有采用節約成本的設計,而是盡可能以“實現”為目的進行布置。

例如在處理器上,使用了來自索尼和卡西歐自己的兩塊產品,索尼的負責對接圖像傳感器第一手數據——可能是高速化芯片的特殊需求,卡西歐芯片則進行后置處理。

圖中即是卡西歐 EX-F1 的基板,這是一款10層PCB。

512MB的Buff區是一件蠻神奇的事,或許作為對比,

2017年款的徠卡M10,配置了2GB的Buff,仍然讓人感到“很神秘” —— 多少因為,M10是一臺手動對焦機器。

2007年由于DDR2的產能過剩,其實添置大緩存倒是沒花太多成本。

還有值得一提的就是SONY的『CXD4109AGG』,這顆基于ARM的芯片在其后也多有活躍;例如在2009年世代,索尼推出的 HX1、WX1、TX1三款“X世代”的機型上,想來便是裝配了該圖像處理芯片。 后兩款還配置了新款背照式Exmor R傳感器

當然,出現的名字不是冷冰冰的貨號,而是具有商業名稱的『BIONZ』。

相比在α700時代第一次登場的BIONZ前輩,X世代的機型很明顯地增加了一些前所未有的功能:全景拍攝、手持夜景、多張降噪、HDR合成等,幾乎都是對于連拍/多幀利用的延伸,這就要求處理芯片有強大的能力,可以對多張拍攝的圖像進行糾偏(這些功能強調不需要配合三腳架,用戶手持即可),之后快速處理多圖片的大量數據,并輸出到存儲卡。

『CXD4109AGG』的威力 —— 當然,應該是改進版,延伸到了更大幅面的機型上,例如同樣在2009年誕生的α550,以及在多拍應用表現上更為迅捷的2010年款α55,多張合成HDR的能力達到了6Ev擴展;這一功能同樣在同樣也是2010年款的NEX-5上出現,并且在后續E卡口機型中配置。

索尼,在戰爭中,改造了戰爭。

讓原本光學的魔法園,轉變為了半導體的競速場。

此處請腦補配圖 姨夫的圍笑.jpg

日經技術上刊載,大槻智洋 撰寫的采訪標題『本當はカメラにシャッターなんていらない』(There Is No Need for Camera Shutter),大意是相機的快門構造可以取消 —— 需要了解的是,這里談論的不是具體的技術問題,諸如全局快門的解決等;而是在整體上探討相機設計未來的方向。

在高速的拍攝實現中,排除了傳感器的困難之后,剩下的,就是機械快門的迷思。

至少在2000~2015的世代中,大部分的,定位中高端的機器,即便是較新出現的以實時取景為取景方式的無反機型,多采用電子控制縱走式簾幕快門。

這樣的快門構造,適配的是膠片時代的顯像方式。

而在圖像傳感器的初期,因為電荷清零等問題尚未完美解決,沿用了這樣的設計。

而隨著圖像傳感器的不斷升級,這種實體快門結構的必要性就在下降,另外一方面,就是對高速拍攝的阻礙。

例如前文提及的α700,它使用的IMX021傳感器,可以實現10FPS讀取,但是因為反光鏡、實體快門簾幕的限制,僅能實現5fps拍攝。

在卡西歐F1的開發者訪談中,已經提及,現有的實體快門結構之必要性已經動搖;

而其對于靜態照片的高速拍攝的阻礙是客觀存在的。

電子快門成為了高速拍攝的必需。

當然,電子快門其實還有自己的技術牽絆,Rolling Shutter 就是用來描述畫面不同步的術語,與之相對的詞是 Global Shutter ,翻譯作 全局快門 ,相對的 Rolling Shutter 似乎并沒有對應翻譯,而是按照對應關系稱呼作 非全局快門 。

對于一些快門類型而言,一張照片并不是精確地在 “同一時間內” 完成全畫面的曝光,而是隨時間推移,在一個方向“逐漸”完成曝光 —— 多數情況下并不會有什么問題,但是遇到了高速運動的物體,往往就要出現失真。

篇幅所限,電子快門的問題簡直應該另文撰述,不妨看看圖片來源的 DPR文章

所以,雖然說看起來和之前的數碼橋式機一樣,F1只是“仍然應用了電子快門”,但是在其背后,是一種有意識的選擇與判斷。

高速度的實現,仿佛是在黑暗中,點亮的一絲螢火。

在EX-F1誕生后的一段時間,其成為了Youtube上的新寵。

關于它,以及用它來拍攝的視頻,充斥了08~09,乃至2010年的時間段。

例如 高爾夫揮桿 ,可以發現,受益于高速傳感器和配套的高速處理器,常見于視頻中高速移動物體的果凍效應 (Jello Effect ) ,并不明顯。

STEM,除了數學之外,其他基本還是要靠具體可感的實驗來驗證構想。

而一些短時間內的發生的反應,不容易看清過程,就給“觀察”帶來了困難。

F1作為一款,相對低價的機器(其實也不便宜,差不多兩臺D40X的價位,但又是民用消費級里最快的),就給了理科教學一個窗口。

很自然地,用于體育的慢速拍攝,其慢速回放可以幫助運動員解析運動過程,提升動作姿態。

除了卡西歐刊載的日本本土的弓道回放應用,我在中國大陸體育科學學會上也找到了應用EX-F1進行運動數據采集的論文( 《高爾夫球運動員旋轉爆發力訓練對髖關節旋轉速度影響的研究》 );以及在[寶島Mobile01的介紹文](Need For Speed!CASIO EX-F1高速攝影機能參上!)中,也有回復表示對于高爾夫運動的互動很有價值。

在后來的發展中,卡西歐還專門走了高爾夫定制款的路線……后文詳

『決定性瞬間』,在日文漢字中作『決定的瞬間』。最早的用法,大家可能會想到傳奇攝影師布列松。這個名字來源于其著作《Images à la Sauvette》,不過法語名字和這個概念關系不大,英文版譯名《The Decisive Moment》造就了這個被后輩不斷提及的概念。

“拍攝的那一秒是個充滿創造力的瞬間,你所構建和表達的是生活本身所提供給你的,并且你必須憑直覺判斷何時按下快門。按下快門的那一瞬,便是攝影師所創作的,哦......是的,就是那一瞬!一旦你錯過,它將不復存在。” ——1957年,布列松接受《華盛頓郵報》采訪時的發言。

EX-F1的60FPS連拍,也帶來一個疑問,就是如果攝影師在預感到“那個瞬間”來臨,而采用機關槍的連射以求命中,會對這樣的一個體系有什么沖擊。

事實上,每一臺現代單反相機,體內都活著一臺Pellix,沒有半透明反光鏡,就無法在單鏡頭反射取景照相機上實現今日的鏡后測光(TTL)與自動對焦。

爭議是顯而易見的,高階的機器功能無疑降低了富于經驗攝影師的必要性——這個沖擊在上個世紀半透明反光鏡的誕生時就已經出現了。但在另外一個方面,現如今的體育/商業/戰爭攝影,雖然也有很高階的連拍武器,但是似乎人們并沒有降低對于資深攝影師和圖片編輯的評價。

凡事都有后來,只是人們或已不再追問

故事就好比幾名角色相交時的碰撞與結晶,在之后,則有了各自不同的歷程:

相比起卡西歐公司的 QV-10上的旋轉式鏡頭設計,以及EX-S1的超薄卡片外形被業界接納并效仿而造成的流行不同 —— 高速化的影響,并不那么明顯。

卡西歐自己單獨劃分出一個系列,HIGH SPEED,高速,作為賣點。

將高速的機型融入了更小的卡片式的機身中。

在之前的討論中也提及,這類機型其實天生就有一個擅長領域——運動。

卡西歐也特別地,對日本高階人士喜愛的高爾夫運動專門推出高速機型。除了高速作為基礎賣點,更是針對性地加入了運動輔助分析與矯正功能 —— 卡西歐在打包“應用”上,確實與傳統相機廠商不太一樣。

如FC500S這樣 專門針對高爾夫 , 專門在日本發售 的機型已經難得了。2016年,卡西歐還推出了『EX-SA10 GSET』,簡單來說就是FR100款的重包裝產品 —— 這次還加上了 專門app支持 ……

不過火爆的TR系完全蓋住了這些事,一般玩家根本不會去探究這些脈絡……

在2017年,索尼發布了其旗艦產品, ILCE-9 。

對于搞不清也不愿意搞清復雜產品體系的用戶,更愿意稱之為 α9 。

這款相機,向傳統的制造商們所生產的旗艦單反,諸如佳能EOS 1系以及尼康的單數機型發起了速度挑戰,大量使用了電子快門,帶來了20FPS的全像素拍攝速度。

其背后是索尼半導體的不懈努力。

但也許不太會有人想起中山仁先生在F1推出后,關于快門必要性的討論。

也有廠商開始動起了越來越高分辨率視頻的主意 —— 在EX-F1許多年以后的2014年,隨著GH4的誕生,松下公司為他們的機器裝配了4K視頻功能,順便開發了一個小功能叫做『4K PHOTO』 4K Photo ,具體而言就是調用視頻功能,記錄4K規格的靜態畫面,每秒可以30幀,剛好就對應30FPS的視頻能力。

4K的分辨率,尺寸3840x2160,換算為靜態圖像的分辨率,表述差不多為829萬像素,作為記錄用途的普通規格打印輸出和屏幕瀏覽,應該足夠使用。

在2017年,松下推出了GH5,具備了6k@30fps的能力,這項功能也進化到了『6K Photo』。

6K即是1080p規格的9倍,差不多是18MP規格,這樣的分辨率即便需要后期的裁剪或者縮圖,也仍然具有余裕。

不嚴謹地說,索尼的半導體部門比相機業務部門有更大貢獻;誠然,后者也推出了 過渡性的SLT設計 、方便的口袋機,以及今日被大多數用戶接受數字無反的E/FE系統,但是也要看到,半導體產品幾近碾壓的優勢,確立了這些相機設計順利推廣。

例如,最近的五年,中國的手機廠商們似乎越來越依賴于宣稱自己的產品采用了索尼的『IMX???』作為標榜 —— 這在通常的產品行銷里是不常見的。

這相當危險,因為索尼自己也做手機……

半導體部門將CIS圖像傳感器與處理器作為整體處理。

例如之前多幀合成的HDR功能,現在變成了 DOL-HDR ,Digital Overlap High Dynamic Range,或許可以直譯作『數字重疊/合成高動態影像』

這樣技術的需求起源可能是安防監控領域(安防里似乎喜歡稱作WDR),但似乎是在2009年的消費市場得到了靜態圖片上的實現。

除了靜態影像,索尼目前還實現了HDR動態影像。這種技術,SME-HDR(Spatially Multiplexed Exposure HDR),是基于其自有的堆疊式的傳感器結構(Stacked CMOS,商品名為 Exmor RS),較為有名的如 IMX378 ,在2016年的 Google Pixel 和小米5S上配備。

這種方式,與前述DOL-HDR不同,也與曾經介紹過的 Dual ISO 的實現不相一致;從結果來看,SMR-HDR不會造成分辨率下降(Dual ISO式的損減一半)或者幀率下降(連續兩幀合并一幀)。

但是索尼并沒有披露這種實現方式,而 Shree K. Nayar 在論文中給出了一種可能的猜測,被認為接近這樣的技術實現。

高幀率的視頻記錄也成為了市場的熱點,一個里程碑一樣的存在,就是蘋果公司于2014年9月發布的 iPhone 6 產品。

值得一提的是,智能手機多年的發展,攝像頭總成在各類評測中占據的比重……或者說眼球比重越來越大。

iPhone6 支持720p分辨率下的240fps采樣,其實和今天大多數4k@30fps的機型的運算速率近似等效的,不過蘋果選擇了先邁出速度的這條腿,之后才是在iPhone6S上加入了4K攝像規格支持。

iPhone 在智能手機業內,有甚高的影響力,作為4k支持的副產品,很多手機,甚至相機也紛紛加入慢動作支持。這其中既有簡單的“整代硬件成熟”的影響,具體來看,又和個別的標桿性的產品宣傳密不可分。

而在敘事的另外一端,是同在2014年,6月發布(這可比iPhone6早),7月售賣的 松下 LUMIX DMC-FZ1000 ,雖然支持3840x2160 @30fps的“標準”4k規格,但是在慢動作上,僅僅開放到了全高清@120fps的規格 —— 棋差一招。

4k產品其實應該追溯到2014年年初的GH4,但是松下也僅僅提供了96fps的選項。松下后來將自己大量的無反產品都推上了4k規格,甚至是入門級的產品,可以說相當有開拓性。

另一方面,成為不可換鏡頭數碼相機的新標桿的索尼RX100系列,在歷次的迭代中,保持著初代就確定的20mp“黃金分辨率”。雖然分辨率一直不變,但是傳感器的更新暗流涌動。

2014年5月出品的RX100 M3,沒趕上檔期,也可能是市場定位的關系,沒有加入4K規格。次年的IV,伴隨傳感器的升級,加入了4K支持,也自然帶來了慢動作。最高為960fps采樣(800x270分辨率),或者在480fps下得到1136x384畫面,以及接近全高清規格的1824x1026 @240fps。在兩個極端的采樣速率下,也和卡西歐的F1一樣,采用了狹長的畫面比例。

1" 規格的傳感器,更像是索尼自己任性的試驗場,其上成就了索尼對于圖像傳感器種種創想。在達成了堆疊式的構筑后,2017年,索尼也開始研制3層堆疊CMOS的制造 DRAMを積層した3層構造 。

但要說 “1200FPS” 的挑戰,可能還要看尼康公司的 1系列 產品。該系列使用1英寸傳感器,并且選擇了交換鏡頭設計,不過市場反饋平平。

但排除這些因素,在一些指標上有很高的規格,比如內嵌相位點對焦 (2010年 該技術剛出現 ,2011年尼康即在可換鏡頭系統上裝配,作為對比,索尼在2012年才在NEX-6上部署,且對焦速度一般),60fps連拍以及支持1200fps的320x120的視頻拍攝 —— 這兩個數字是不是聽著和EX-F1的指標很類似?

話又說回手機,2017年索尼的旗艦機型『Xperia XZ Premium』與『Xperia XZs』,也達到了960fps的指標。

再回過頭看看開頭提到的工業用傳感器,感受一下這個時代的速度。

毎秒1,000フレームで対象物の検出と追跡を実現する高速ビジョンセンサーを商品化

買粉絲s://買粉絲.sony.買粉絲.jp/SonyInfo/News/Press/201705/17-051/index.買粉絲

關于索尼的IMX382傳感器的介紹

卡西歐EXILIM Pro EX-F1 — 維基百科

買粉絲s://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%8D%A1%E8%A5%BF%E6%AC%A7EXILIM_Pro_EX-F1

EX-F1 - Casio

買粉絲://arch.casio.jp/dc/procts/ex_f1/

EX-F1 - DPReview

買粉絲s://買粉絲.dpreview.買粉絲/articles/6924593847/casiof1

Sony 1/1.8" high speed CMOS sensor - DPReview

買粉絲s://買粉絲.dpreview.買粉絲/articles/6589529003/sonyhighspeedcmos

2007年索尼IMX017CQE的新聞

EXMOR在產傳感器:

工業用 、 移動平臺 、 相機

部分款型,如α9配置的并沒有列出,可能是專屬供應關系。

「本當はカメラにシャッターなんていらない」,カシオの超高速機,その狙いと先にあるもの(前編)

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「本當はカメラにシャッターなんていらない」,カシオの超高速機,その狙いと先にあるもの(後編)

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EX-F1を分解,DRAMはやはり“特盛”

大槻 智洋

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