近在眼前的8K,看到Qoocam 8K全景相机深度测试与分析

春节前我曾发布过一段视频让大家猜使用了多少拍摄器材,有兴趣的朋友们可以回过头去翻一翻,事实上这段视频只使用了一种器材——双目鱼眼镜头全景相机:看到Qoocam 8K。相信看完一定会有朋友好奇:视频中运动相机、无人机、穿梭机等诸多效果是如何通过单一器材实现的呢?今天的话题就从这里展开吧。


在此前关于全景相机的文章里我曾大致解读过双目鱼眼镜头的成像原理和各种优缺点,简单来说就是将2个视场角超过180度的镜头所成的球面像,通过等距柱状投影映射为平面像,再对边缘拼接配准所形成。


从上图可以看到即便是以负角度观察,也能观察到入瞳,体现了鱼眼的视角覆盖能力。而正因它接近于全视角取景,所以对拍摄视频的先天优势之一就是大幅降低前期运镜难度,只需要控制机位(透视主点)位置,就不再需要随时调整镜头朝向,比如我视频里的无人机效果,就只是单纯把接驳在延长自拍杆上的全景相机沿预想运动轨迹移动而已,通过后期APP,就可以对自己想要的局部区域取景,再加上拍摄高帧率片段做变速调整,就能实现投影变换、画面缩放、旋转、物体跟踪、子弹时间等视觉效果。
一个简单的例子,同一段视频的3种不同比例、运镜方式:







除此之外,全景相机因为主要依赖后期运镜,像面不需要大幅度摆动,所以即便是平面取景有剧烈横移也无需担心卷帘快门果冻效应的影响,可以很任性地实现各种物体跟踪,防抖也借由全空间成像裁切而有着先天优势。除此之外,Qoocam 8K的2个传感器均为旋转90度竖置设计,因此它的电子快门相对水平成像来说就变成了横走式,可参考下图:


这个设计的好处显而易见,即便拍摄时有不受控的剧烈水平摆动,也不会因卷帘快门果冻效应导致画面变形,再加上它本身8K 30p时读取速度也有并不算太慢的1/33秒,而且超大视场角也决定了非常低的放大倍率,所以可以任性地边跑边拍。
综合来说,全景相机对使用者的拍摄技术要求明显比其他器材要更低,大多数情况下限制其效果的仅仅只有用户的脑洞。
虽然全景相机可以实现各种功能,甚至可以结合运动相机的设计特点来做高IP级别防护,但却是建立在牺牲成像素质的前提下。考虑到全景至少要双目(反射式环带全景除外),这意味着它的硬件成本就是同规格普通相机的近2倍,因此全景相机的单目规格往往并不会特别高,如果要做高规格,体型和价格都难以控制,所以现有的全景相机市场基本呈两极化趋势,民用端以接地气的小型双目型为主,商用端则主打大底多目型(比如六/八目M43)。
那么,如何在不妥协体型的情况下提升成像素质?最直观的第一步方案就是采用更大面积、更高像素的传感器,我这次选择的看到Qoocam 8K就是代表,它配置了两颗200度视场角F2鱼眼镜头+两片1/1.7英寸堆栈式传感器的组合,1/1.7英寸也是目前民用全景相机最大的传感器,目测可能是索尼IMX204,各自原生2016万像素(5184x3888)。




当我刚拿到Qoocam 8K时的第一感觉就是:这家伙怎么这么大!?上图是它与iPhone 11的对比,145mmx57mmx33mm的长宽厚再加上245g的体重,远比其他双目全景相机庞大。但换个角度来看,它依然是目前最小的8K相机之一,绝对便携性依然很高,而且它的体型相对较大并不仅是因为传感器和镜头模组较大,还因为他选择了一块很大的2.4英寸触控LCD,以及一块内置式3000mAh容量电池。虽未标注电压,但这个容量的锂电池标称电压一般在3.7V左右,所以功率应该在10Wh以上,也比其他双目全景相机要大了一倍有余,体型自然也不会小……
考虑到球形投影的全景拼接就只能采用圆形鱼眼,所以实质上它的成像圈直径只等于传感器宽边而非对角线,因此单目只利用到了传感器中心部分以3840像素为直径的圆域,原始图像看起来就是这个样子:


通过软件渲染,输出2:1矩形投影+拼接后,即可得到7680x3840分辨率平面8K:


这里就要解读一个概念了,全景相机的分辨率,比如Qoocam 8K的8K是指上图这种全景全域的分辨率,实用平面输出必然会有裁切,显然,全域分辨率越高输出就越有利于裁切,所以Qoocam 8K可实现4K平面输出,而其他如5.7K全景就只能输出片平面3K,4K全景就只能输出平面全高清,细节表现差距一目了然:


上图为相同时刻另一全景相机拍摄的全高清平面输出,而下图是Qoocam 8K的4K平面输出,细节差距大家自己判断吧。简单来说Qoocam 8K应该就是目前成像细节最出色的双目全景相机。


体验方面,机身操控只需要拍摄几段就能适应,2.4英寸LCD便于直观调整参数和基本的取景回放,WiFi控制也很简单,整体来说是很容易上手的,在这里就不啰嗦了,主要挑几个重点聊聊吧。
首先最重要的是Qoocam 8K等全景相机基本只有在延长自拍杆上才能算“完全体”,手持拍摄会不可避免的拍到手指手掌,后期处理时会明显影响观感,而且全景拍摄的诸多视觉效果都需要在延长杆上才能实现,再加上细长的延长杆正好处于摄像头下方盲区内,所以能够实现“自拍杆隐形”。


其次,当遇到光线条件不算特别好的时候,比如室内、夜景等等,拍摄视频就一定要注意快门速度,建议最好手动保持在拍摄帧率倒数的2倍,也就是180度快门角,比如30p就使用1/60秒,下限是1/30秒,否则很容易产生画面拖尾、抖动,但而Qoocam 8K的手都模式是直接全手动,选择手动就不能自动ISO了,在明暗交替环境下比较容易吃亏。而且1/30秒快门,固定F2光圈的硬件门槛决定了弱光下它必然需要使用高ISO,对1/1.7英寸还要全分辨率30p输出的传感器来说,噪声是一个比较严峻的挑战,也限制了它在弱光环境下的视频应用面。


最后也是最重要的,在这种小形态+高密度硬件布局的前提下进行无时间限制8K视频流输出,就一定意味着会有比较明显的发热,所以Qoocam 8K在机身内加装了2个涡轮风扇,分别位于机身左右侧,上图可以看到用于增大散热面积的鳍片式金属边框和出风口,这也是继松下S1H之后又一个内置风扇的民用级相机。
风扇模式有一直开启和拍摄时关闭两个选项,我的建议是选择一直开启并通过3.5mm外接麦克风的方式来实现双赢,否则要么拍摄一段时间后机身温度很高,主要集中在两面的中上部位以及两侧(事实上它的温度耐性只能说是一般,官方标准是0~35℃),要么就得把非常明显的风扇噪音收录到素材中。当然外接麦克风的安装位置最好也与机身拉开一点距离,不然既可能收录到风扇噪音,也会影响后期运镜,这对兔笼的设计要求就比较高了。


续航方面,在10℃左右室温下待机20分钟,电量从75%下降到50%;关闭风扇拍摄8K 30p素材10分钟,电量从48%下降至32%,从侧面反映出硬件平台的功耗相当高,所以才配备了大功率电池。但只要做好拍摄计划,一次充电拍摄一小时左右素材没什么问题,而且预告的新固件据说可以将续航提高到100分钟,到时候可以再试试。除此之外,Qoocam 8K支持USB Type-C边充边拍,官方自拍杆附送了一套夹具,可以把移动电源夹在自拍杆上。
提高成像素质,尤其是全景视频素质的第二个关键点就是SoC,它决定了输出规格的天花板,也直接影响实时拼接的工作效率。Qoocam 8K基于海思3559方案,这个A73/A53大中小核设计的SoC规格还不错,视频输出最高10bit位深4:2:0色度8K 30p和3840x1920 4K 120p(4倍慢动作),都是现有双目全景相机的最高规格。


不过堆栈式传感器理论上应该可以做更高帧率的硬件输出,但Qoocam 8K只能在PC端利用Qoocam Studio软件以算法插帧实现960p,这应该也是受SoC所限制的关系。
能机内对输入源编码并不意味着能实现机内渲染,尤其是高码率+高精度拼接的硬件开销非常大,事实上Qoocam 8K的原始数据跟照片一样,也是两个独立的圆形鱼眼MOV视频流,所以如果是想在PC端进行剪辑,首先需要使用Qoocam Studio软件来实现双目鱼眼视频的2:1平面标定和拼接,在该软件里可以进行视角的平移、倾斜和滚动调整,并设置数字防抖级数、算法插帧慢动作等,完成后就能渲染为8K平面MP4了,输出时可以选择H.264、H.265、ProRes等编码器和码率(最高200Mbps)。


海思3559的片外存储接口支持比较丰富,Qoocam 8K选择的是性价比较高的64GB eMMC,考虑到SoC支持的最大输出码率为200Mbps,eMMC 5.1是完全够用的,Qoocam 8K也是目前少有的内置存储相机设备,除此之外还可以扩展TF卡。
拍摄效果方面,支持10bit位深让每个颜色YUV通道有1024个位阶,比8bit的256位阶显然更精确,在遇到坡度很大的渐变色块时,10bit可更有效的避免断层的问题,同时在映射RGB分量受整数化+量化的损失后,也依然能保持较高精度,但不支持Log曲线还是有点遗憾的,希望后期能加上。除此之外,显示器等播放设备支持10bit会效果更好,如果显示器是8bit或6bit面板,那至少要回放软件支持抖动输出才更有意义。
不过在全景拍摄时也会遇到几个鱼眼镜头难以避免的困扰,首先是眩光鬼影,因为视场角极大,存在很多大入射角光线,再加上光学材料表面面型精度较低(比如采用塑料材质)就会进一步增加反射率,而其中的偶次菲涅尔反射就能引发眩光。考虑到现有校正手段基本都只能针对20度以内的小入射角,所以这基本算是不可避免的问题。


可以看到当拍摄环境中有强光源时,即便裁切避开直视区域,其他区域也会受影响导致明显的对比度下降。
第二个问题是轴外倍率色差,对于每个空气-材料界面,有倍率色差S正比于:


I为该表面主光线入射角,n为材料折射率,v为材料阿贝数,可见为了减小倍率色差S就应该使用高阿贝数材料,但因为鱼眼镜头的前组负镜要负责增大视场角,并产生系统所需的大部分畸变,所以又需要高折射率材料来快速收敛轴外光线,这样一来,材料的选择面就变得很窄,而考虑到成本和设计因素,自然是优先照顾视角,Qoocam 8K就是这样的设计。


当然,如果设计成本相对宽裕,也可以通过采用镧系、人造蓝宝石等材料制备前组,并在后组以胶合等设计来更好的校正轴外倍率色差和轴上二级光谱。不过据说Qoocam Studio以及手机Qoocam APP很快就会放出支持色差校正功能的版本,那轴外倍率色差就不再是问题了(当然到时候我也会具体测试一下),而且但别忘了全景的好处就是后期运镜很自由,在剪辑时可尽量规避或缩小高光比区域,这样一来影响就可以降到最低。
除此之外,双目成像虽然会严格使用相同的拍摄参数,但在部分情况下特别是拼接位置会出现一些小瑕疵,比如朝上的摄像头会受直接入射光眩光影响,而朝下的则不会,这时候在拼接位置就会出现比较明显的明暗差。解决方案就是拍摄时尽量让镜头左右布局,这样会让拼接边缘过渡更自然。


在PC端视频工作流程上,Qoocam Studio软件的调整功能现阶段相对还比较简单,无法满足专业视频剪辑的需求,所以接着下一步就是导入到Premiere等第三方编辑器并使用Gopro VR等插件实现再剪辑和与其他片段的混剪。相对而言这种“两步走”的工作流程是比较复杂的,如果能通过专用插件直接将原始数据导入Premiere进行拼接,或者Qoocam Studio功能再全面一点,应该可以节约不少工作时间。


而且Qoocam Studio的8K拼接渲染对PC硬件要求非常高,耗时也较长,这是因为鱼眼镜头本身的制造误差就相对较高,背向安装的两个鱼眼成像系统也必然存在视差,再加上输出分辨率越高,优化边界和拼接的精度需求就越高,所以整个配准、拼接、渲染过程会不可避免的繁琐,想要快速合成,代价往往就是用速度换精度。
一般来说,矩形变换后的的双目成像交叉区域会通过算法提取特征点,如果不在意实时性而强调高精度的话,可以采用比如经典的基于尺度不变特征转换算法,这个算法也就速度偏慢这个缺点,但优点是鲁棒性非常强,对各种不同质量的数据源都能实现很可靠的特征点提取,然后再进行图像配准融合,就能实现高品质平面输出了。


当然,提取特征点的方法还有很多,比如加速稳健法、渐变法、方向加权模型等等,虽然不知道Qoocam 8K使用的哪种方案,但硬件开销是相当大的,我使用Core i7 9750H+RTX 2070+32GB双通道DDR4内存+512GB NVMe SSD的硬件配置,在散热全开的高性能模式下,H.265编码200Mbps码率8K 30p渲染输出的效率大概是3.5~4.5fps,也就是1秒的素材就需要渲染约7、8秒,1分钟8K素材输出需要近10分钟。
边缘拼接在很仔细检查的情况下可以看到一定程度的瑕疵,但都在可接受范围内。


当然,Qoocam 8K的高品质输出并非只能在PC端剪辑(但双目拼接的平面8K只能在PC端Qoocam Studio输出),手机Qoocam APP可以通过剪辑下载到手机的4K全景素材做代理,再套用到相机内8K全景原素材的方式,实现高品质4K平面视频输出。对大多数人来说,触控调整剪辑要比键鼠直观得多,可玩性也很强,而且耗时相对PC端要短不少。


而且Qoocam APP里有不少的预设运镜效果可以直接调用到已有素材当中,再结合自己的创意,让同一段素材可以有无限多不同的运镜呈现方式,这与非全景手持设备有本质上的区别,后者在使用预设效果时只能现拍现用,而且一段素材只能使用一种效果,大大限制了自由性,在大家都是4K平面输出的情况下,全景的优势比较明显。
但和PC端类似的是,Qoocam APP对手机SoC性能的要求也比较高,使用iPhone 11处理效率还不错,安卓机型我尝试了骁龙855和麒麟990 5G平台,也没有什么问题。不过苹果目前只能无线传输素材,未来会上到有线,而安卓则支持有线,有附送to Micro USB、to Type-C和to Type-A三种线材,考虑得比较周全,但注意只有to Type-A可用于充电,不支持C to C充电协议。


在手机端将一个个片段各自输出后,就能继续使用第三方视频剪辑APP来进行混剪了(我使用的是InShot),与PC端的差别在于,Premiere利用插件可以直接修改全景视频效果,而手机混剪不能直接修改,如果对某个片段效果不满意的话就需要重新回到Qoocam APP进行调整、输出并重新导入第三方视频剪辑APP,要稍微麻烦一点。综合而言,从混剪自由度、最终输出效果等方面来看显然是PC端的天花板更高,但对于大多数视频爱好者来说,Qoocam 8K的手机剪辑效率和效果都更实用。


全景除了拍视频,也能拍照片,分辨率依然是7680x3840。除了常规拍摄模式之外,Qoocam 8K还有个DNG8模式,其实就是连拍8帧均值输出,不过机内不能直接实现RAW堆栈,只会给你8个连续DNG序列和1个用于查看的JPG,需要使用PC端官方RAW+软件来对这8个DNG序列进行堆栈输出DNG格式图像。但注意,RAW+软件只能堆栈不能调整,而Qoocam Studio不支持DNG,所以,需要先使用你习惯的后期软件对RAW+输出的圆形DNG调整后,再导入Qoocam Studio拼接为平面8K JPG,过程比较繁琐。
但从效果来说,DNG8堆栈可明显提升输出图像的动态范围,增加后期调整空间,比如以ISO 100拍摄夜景时,单帧RAW后期暗部+70时,画面会出现明显的噪声:


而使用DNG8堆栈输出的RAW文件在相同操作下,噪声明显要小很多:


所以如果希望获得最大宽容度,在脚架稳定的前提下使用DNG8格式是最佳选择,不过要稍微注意存储空间,因为DNG8模式单次拍摄就需要约450MB空间,内置的64GB存储可拍145张左右。
除此之外,延时自然也是必备功能,除了可选择间隔时间之外,其余与普通拍照模式并无区别,可以选择自动/手动曝光、白平衡、JPG/DNG文件格式、曝光补偿等操作,延时照片可以在机内自动生成视频,后续操作与此前的8K全景视频无异。


一不小心写了一大篇,差不多把这款8K全景相机摸了个透,事实上在软件端Qoocam 8K还有一些细节需要调整优化,但总体来说它糅合了专业和民用两方面的特点,商业视频团队完全可以将其纳入到拍摄方案之中,普通民用也可以用它来记录生活。后续希望视频规格更丰富一点,比如单目4K 60p输出,此时另一摄像头保持工作但主要目的是防抖补偿……
这次因为新冠肺炎的影响,响应国家号召,基本上1月22号之后就没再出门拍过素材,所以部分效果演示的图片也不够精致,4K 120p的慢动作也没有拍太多,还望大家海涵。但疫情之后我保证会多拍多发,还望到时候大家再多多指教,顺祝各位身体健康啦!

发布于 02-10

文章被以下专栏收录