カメラはXperia GX/SXと同様の1300万画素裏面照射型CMOSセンサーだが、サイバーショットでもおなじみの「プレミアムおまかせオート」が追加された。これは従来のシーン自動認識機能を拡張したもの。プレミアムおまかせオートではHDR撮影機能が追加され、明暗差があるシーンで明るい写真と暗い写真の2枚を合成して、白飛びや黒つぶれを抑えた1枚を残せる。夜景など明かりの少ないシーンでは、4枚の画像を重ね合わせてノイズを除去した1枚を作成できる。HDR撮影機能を備えた機種は多いが、手動で設定するのは少し面倒。プレミアムおまかせオートなら、手動での設定不要で、撮影環境に応じて自動でHDRがオンになるので便利だ。プレミアムおまかせオートは初期状態ではオンになっている。
静止画の撮影間隔はXperia GX/SXの0.5秒から0.3秒に短縮され、より高速で撮影し続けられる。最近は高速連写をウリにする機種も増えているが「連写をすると、すべての写真に手ブレ補正が効かないこともある」(ソニーモバイル)ため、1枚ずつ手動で撮った方が鮮明な写真を残しやすい。
新たに用意された「ピクチャーエフェクト」では、ノスタルジック、ミニチュア、カラフル、フィルター、魚眼レンズ、スケッチ、パートカラー、ハリスシャッター、万華鏡のエフェクトをかけて撮影できる。特徴的なのは、これら9種類のエフェクトを1画面でプレビューできること。撮影効果を1種類ごとに確認せずに済むので時間を短縮できる。なお、ピクチャーエフェクト使用時の撮影サイズは2Mとなる。
残念ながらシャッターキーは搭載されていないが、ロック解除画面のカメラアイコンをスライドさせて起動のみ、または起動&撮影ができる「クイック起動」は継承している。Xperia AXではさらに、動画の起動または起動&撮影もクイック起動から行えるようになった。ボディの小型化に伴い、インカメラはXperia GXの130万画素CMOSから31万画素CMOSにダウンしている(SXのインカメラは同じく31万画素CMOS)。
外部機器との連携機能も充実させた。新たにNFCをサポートし、Xperia AXで再生している音楽を、対応ヘッドフォンやスピーカーにワンタッチでBluetooth接続して再生したり、NFC端末同士をかざしてデータを交換したりできる。ドコモが2013年から開始予定の、NFCによる決済サービスも利用可能だ。海外ではNFCを使った周辺アイテム「SmartTags」も発売している。これは、あらかじめ端末にタグを登録し、特定の機能やアプリを呼び出せるショートカットを登録すると、NFC端末にタグをタッチするだけで、その機能が起動するというもの。便利なアイテムだが、日本での展開は現在は予定していないとのこと。
著作権保護付きのコンテンツを転送できる「DTCP-IP」もサポートし、ソニーのネットワークレコーダー「nasne」や、今後発売予定のソニーのBlu-ray Discレコーダーに録画した番組を、Xperia AXに転送して持ち出せる「ワイヤレスお出かけ転送」も利用できるようになった。Micro HDMI端子は搭載していないが、MHLに対応しているので、MHL変換アダプターとHDMIケーブルを使ってXperia AXと対応テレビを接続し、AXの表示内容を出力できる。また、ケーブルを介さずWi-Fi対応テレビにXperia AXの表示内容を出力できる「Screen mirroring」にも新たに対応する。
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