Система фазового автофокуса появилась уже очень давно. Многие фотографы жалуются на работу автофокуса определенных моделей фотоаппаратов, но на самом деле проблема не в камерах, а в самой системе фокусировки. Если почитать старые обзоры фотоаппаратов 2000-х годов, то можно увидеть, что проблемы с автофокусировкой были с самого начала появления системы фазового автофокуса и по сей день. Чтобы узнать, в чем заключается проблема, нужно разобраться с принципом работы автофокуса. Об этом и пойдет речь в статье.
Как работают DSLR камеры
Чтобы разобраться в деталях фокусировки, нужно сначала разобраться с устройством цифровой зеркальной камеры .
- Световой поток
- Основное зеркало
- Второстепенное зеркало
- Затвор камеры и сенсор
- Диск для настройки основного зеркала
- Диск для настройки второстепенного зеркала
- Фазовый датчик
- Пентапризма видоискателя
- Видоискатель
Свет проходит через объектив и попадает на полупрозрачное основное зеркало. Оно отражает свет в пентапризму. Немного света проходит сквозь основное зеркало и попадает на второстепенное зеркало, которое отражает свет на фазовый датчик. В самом датчике находятся сенсоры. Для определения одной точки автофокусировки используется два датчика. Камера сравнивает сигналы, полученные с датчиков. При несовпадении сигналов автофокус подстраивает фокусировку, и сравнение производится еще раз.
Проблема фазового автофокуса заключается в том, что датчик подстраивает фокусировку таким образом, чтобы он получал оптимальное изображение, но основным датчиком камеры, на который производится запись изображения, является матрица, а она находится в другом месте. Для того, чтобы автофокус создавал идеальное изображение, которое будет записано матрицей камеры, расстояние от байонета до фазового датчика и до матрицы должно быть абсолютно одинаковым. Сдвиг на миллиметр приведет к неправильной работе автофокуса. Также работа автофокуса зависит от положения зеркал.
Принцип работы фазового датчика
Свет, попадая в датчик, проходит через линзы и попадает на светочувствительные сенсоры. Когда фокусировка правильная, свет из краев линзы сходится в самом центре каждого сенсора. Если на обоих сенсорах изображение одинаковое - это значит, что фокусировка правильная. При неправильной фокусировке свет сойдется не в центре, а в других частях сенсора.
Фокусировки: 1 - очень близко, 2 - неправильно, 3 - очень далеко, 4 - чересчур далеко
Зная, где свет сфокусировался в датчике, можно вычислить в какую сторону и на какое значение нужно поправлять положение линз объектива.
После того, как датчик определяет, находится ли объект съемки в фокусе, он делает поправку фокусировки в случае отрицательного ответа. Поправка фокусировки с помощью линз объектива производится столько раз, сколько нужно для достижения нормальной фокусировки. Система работает очень быстро, поэтому все действия занимают доли секунд. Когда система сфокусировалась, фотоаппарат подает соответствующий сигнал. после этого можно нажимать на кнопку спуска затвора.
Мы рассмотрели принцип работы одного датчика (точки) автофокусировки, но в современных фотоаппаратах их много. Сейчас не трудно найти камеры, которые имеют 41 или даже 61 точку автофокусировки. Надежность и точность датчиков увеличивается. Появились более стабильные крестовые точки автофокусировки. Современные камеры с легкостью могут не только быстро выполнять фокусировку, но и следить за движущимися объектами.
Недостатки фазового автофокуса
Основной проблемой является неточность при сборке камеры на заводе. Если в процессе производства произошел малейший сбой и датчик или один из элементов, влияющих на его работу, были установлены не точно, то система будет работать с погрешностью. Производители знают об этой проблеме, и поэтому была разработана система точной настройки системы фокусировки. Во время тестирования выявляются камеры, имеющие проблемы и производится их дополнительная настройка.
В процессе калибровки проверяется в отдельности каждая точка автофокусировки. Каждая точка подвергается точной калибровке, и все изменения записываются в программу камеры. Таким образом, устраняются проблемы автофокусировки в производственных условиях.
На заре своего появления системы автоматической фокусировки действительно являлись таким себе фокусом-покусом. Это сейчас мы не представляем себе жизнь без автофокуса, а ведь совсем недавно все пользовались и даже не предполагали о том, что автоматика сможет чётко зацепить объект съёмки.
Впервые об автофокусе заговорили в 70-х годах прошлого века. Тогда отличилась немецкая компания Leica , которая разработала и первый автофокусный объектив, и представила в 1976 г. первую фотокамеру, оснащённую системой автоматической фокусировки. Ею стала Leica Correfot , показанная в качестве прототипа на выставке Photokina-1976 .
Но производить автофокусные системы немецкая компания не спешила и продала технологию компании Minolta , которая благодаря эффективному внедрению автофокуса в свои зеркалки к середине 1980-х гг. стремительно вырвалась в лидеры по продажам фототехники. Параллельно разработкой систем автоматической фокусировки занимались другие корпорации (Canon, Seiko, Polaroid, Pentax и т.п.) и технология вышла в массы.
Сильно вдаваться в технические подробности работы систем автоматической фокусировки мы пока не будем. Но “на пальцах” попробуем рассказать о том, как же они функционируют.
На сегодняшний день существует два основных вида автофокуса: фазовый и контрастный , а такжеих симбиоз, который называется гибридным .
Фазовый автофокус
Этот вид фокусировки во всю используется в зеркалках. В его основу положен принцип разности фаз светового потока, который поступает в объектив. Разницу определяют специальные датчики, которые размещаются в непосредственной близости от матрицы фотокамеры.
Принцип действия системы фазовой автофокусировки наглядно продемонстрирован на картинке ниже. Световой поток поступает через противоположные края объектива на основное зеркало, где разделяется на части: часть уходит к видоискателю, а ещё часть – непосредственно к дополнительному зеркалу, которое отбивает лучи на датчики фокусировки. Если световые лучи после прохождения зеркала и фокусировочной линзы сфокусируются в одной точке, значит, объект съёмки находится в фокусе. Если объектив сфокусирован ближе или дальше объекта съёмки, расстояние между лучами соответственно будет меньше или больше. В этом случае в работу включается процессор, который вычисляет направление и величину, на которую нужно сдвинуть фокусировочную линзу.
Даже невооружённым глазом прослеживается прямая зависимость работы автофокуса от светосилы объектива. И действительно, чем больше света поступает на переднюю линзу объектива, тем больше его будет отбито и тем лучше сработают датчики автоматической фокусировки. При этом всё равно, на сколько вы прикроете диафрагму – она закроется до заданного значения только в момент спуска затвора, а в процессе фокусировки диафрагма будет открыта по максимуму. Т.е. имея в своём арсенале объектив со светосилой f/1.2-1.4, можно рассчитывать на более высокую скорость и точность фокусировки. С другой стороны, это нивелируется тем, что более светосильные объективы имеют более сложную и массивную систему линз, а значит, весь этот механизм мотору сложнее ворочать. Кроме того, большая светосила подразумевает гораздо меньшую глубину резкости, в которую нужно фазовым датчикам попасть. Яркий тому пример – один из самых медленных (если не самый медленный) объектив у Canon – EF 85mm f/1.2L II USM .
На следующей иллюстрации наглядно показаны такие явления, как бэк-фокус и фронт-фокус:
- фокус ближе – бэк-фокус ;
- фокус дальше – фронт-фокус .
Сами фазовые датчики могут быть линейными (горизонтальными и вертикальными ) и крестовыми (в т.ч. двойными крестовыми ). Остановимся на них подробнее в ближайших материалах.
Контрастный автофокус
Этот метод фокусировки вовсю используется в компактах и беззеркалках. Не стесняются ставить контрастные датчики и в зеркалки – они обеспечивают наводку на резкость в режиме LiveView, когда фазовые датчики работать не могут.
В основе работы системы контрастной автофокусировки лежит принцип сравнения контраста изображения, которое поступает на матрицу фотоаппарата. Процессор фотокамеры анализирует гистограмму и смещает линзы объектива, чтобы посмотреть, насколько изменится при этом контраст. Если уровень контраста пойдёт вниз – точка фокусировки начнёт смещаться в обратную сторону. Если контраст повысится – точка фокусировки продолжит своё смещение в данную сторону, пока не удастся достичь максимального значения контраста. Т.е. процесс продолжается до тех пор, пока точка фокусировки не достигнет максимального контраста и не вернётся к точке, после которой его уровень начал снижаться. В этом случае объект съёмки и будет сфокусирован. Большое преимущество контрастной фокусировки над фазовой – в том, что с ней не бывает бэк- и фронт- фокуса.
Для просмотра наведите курсор мыши в правый верхний угол и покрутите ползунок вперёд/назад (визуализация – http://graphics.stanford.edu/courses/cs178/applets/autofocusCD.html)
Гибридный автофокус
На сегодняшний день данный вид систем автоматической фокусировки становится всё популярнее. И не зря – он объединяет в себе преимущества обеих систем и нивелирует их недостатки.
Работает он примерно следующим образом: фазовые датчики, которые расположены непосредственно на матрице фотокамеры, обеспечивают первичную наводку на резкость. В дальнейшем подключаются контрастные датчики, которые корректируют разность контраста изображения и окончательно фокусируют камеру на объекте съёмки.
Пожалуй, одно из главных преимуществ гибридных систем автоматической фокусировки – отсутствие бэк- и фронт-фокуса. Это объясняется тем, что наводка на резкость происходит непосредственно на матрице фотоаппарата. Ещё один немаловажный плюс – компактные размеры гибридной системы автофокуса и отсутствие необходимости юстировки сего механизма. Но есть и ложка дёгтя – по скорости работы в следящем режиме гибридный автофокус всё ещё не дотягивает до фазового.
Если хотите более подробно узнать о работе систем автоматической фокусировки (с формулами и расчётами), отписывайтесь в комментариях. Если наберётся достаточное количество желающих, мы обязательно напишем отдельный материал на эту тему.
Статьи и Лайфхаки
Фазовый автофокус в современном смартфоне, или, как его называют в англоязычных спецификациях, PDAF, является наиболее актуальной системой фокусировки.
Несмотря на имеющиеся недостатки, он обеспечивает наилучшее качество снимков в большинстве случаев. Рассмотрим поближе, как работает эта технология.
Устройство и принцип действия
Согласно законам оптики, лучи, отраженные от точки, освещают противоположные участки объектива в одинаковой степени. Если точка находится не в фокусе, то данные лучи, как говорят, «расходятся по фазе».Величина этого расхождения позволяет процессору камеры оценить, насколько сместить линзы, чтобы сфокусировать оптическую систему на объекте.
Технически это выглядит следующим образом. В фотосенсор камеры встраиваются специальные датчики, на которые и направляются лучи из разных участков объектива.
Система корректирует положение линз до тех пор, пока световые пучки не будут сведены в точку.
В фотоаппаратах может использоваться до нескольких десятков таких датчиков, в смартфонах их несколько меньше.
Достоинства фазового автофокуса
Основным преимуществом данного типа фокусировки перед более простым и дешевым контрастным является скорость работы. Это позволяет избежать смазывания при съемке движущихся объектов или дрожании камеры.
Важно и то, что следящий автофокус, сопровождающий объекты по всему полю кадра, работает существенно лучше. Это достигается за счет использования не одного, а целой группы датчиков.
Недостатки
- Основным минусом является высокая сложность подобной системы. Все элементы аппаратной части должны быть очень точно согласованы, в противном случае не получится требуемой точности.
Не менее важно и программное обеспечение, требующее достаточного количества системных ресурсов.
- Другая проблема – зависимость точности работы системы от светосилы объектива и условий освещения.
Обычно датчики покрывают не всю поверхность кадра, а располагаются ближе к центру, в результате чего возможна недостаточная точность фокусирования на периферии снимка.
Альтернатива
В недорогих моделях гаджетов обычно используется более простой автофокус – контрастный. Он не требует отдельных датчиков, в качестве которых используется сама матрица камеры.
Электроника оценивает контрастность отдельных деталей и последовательно подстраивает фокус.
Главный минус – очень медленная скорость работы таких систем: в самом тяжелом случае фокусировка может занимать до 2-3 секунд. Это приводит к смазыванию объектов на снимках.
Недавняя новинка – , использующий тот же принцип, что и оптические дальномеры.
Он не зависит от освещенности, работает еще быстрее, чем фазовый, но действует на очень коротком расстоянии. Поэтому при съемке объектов, удаленных более чем на 3-4 м система переключается на использование других типов фокусировки.
В заключение
Наличие фазового автофокуса еще недавно было признаком флагманской модели, однако в последние годы он часто появляется и в девайсах среднего ценового сегмента.А специализированные программные алгоритмы с использованием искусственного интеллекта, появившиеся в последнее время, дополнительно повышают качество его работы.
Но, хотя в смартфонах используются более простые технические решения, чем в зеркальных фотоаппаратах, они всё же недостаточно дешевы, чтобы вытеснить другие виды фокусировки.
Фокусировка не может быть простой. Используя любой из основных режимов съемки - автоматический, портрет или пейзаж - ваша камера делает всю работу за вас. Но это слишком легко, и не профессионально. Казалось все просто, следует наполовину нажать на кнопку спуска затвора, сфокусироваться и сделать кадр. Тогда почему же многие снимки выходят смазанными и размытыми? Ответ заключается в том, что система автофокуса действительно работает, но не всегда так, как нам хочется.
Обычно, в зеркальном фотоаппарате, начального или среднего класса, есть девять точек фокусировки, которые разбросаны на определенном расстоянии друг от друга.
Всегда есть одна точка автофокусировки в центре, затем две точки сверху и снизу и по три точки с правой и левой стороны, две из которых находятся на одном уровне, а одна, прижата к краю кадра. Более продвинутые камеры имеют еще дополнительные шесть точек, хотя они, в отличие от первых девяти, не могут быть выбраны вручную.
Принцип работы Автофокуса
Для достижения автофокуса при съемке в различных режимах камеры, используется информация от всех девяти точках автофокусировки. Камера определяет расстояние от каждой части сцены из камеры, выбирает ближайший объект, который совпадает с точкой автофокусировки и блокирует автофокус в данном положении.
Это нормально и очень полезно, если вы хотите, сосредоточиться на ближайших объектах в кадре, но ведь так бывает не всегда, не так ли? Предположим, вы снимает красивый пейзаж, но при этом хотите сфокусироваться на цветке, который находится на переднем плане. Что делать в этом случае? - В таких случаях лучше выбрать режим ручной фокусировки.
Различные возможности фокусировки
Автоматический выбор точек
По умолчанию, ваша зеркалка использует все точки автофокусировки в каждом режиме съемки, но часто вы можете выбрать точки фокусировки вручную. Нажмите кнопку выбора точек автофокусировки, а именно кнопку в верхнем правом углу задней панели камеры (расположение может меняться в зависимости от марки камеры) и на экране появится подтверждение, что сейчас используется режим многоточечной автофокусировки Auto Select.
Одноточечный режим фокусировки
Для переключения между автоматическим режимом фокусировки и ручной фокусировкой нажмите на кнопку выбора точек фокусировки, как и в предыдущем шаге, но затем нажмите «Установить». Теперь камера перейдет в режим использования только одной точки фокусировки. Что бы вернуться в многоточечный режим проделайте все тоже самое.
Изменение точек фокусировки
Вы не ограничены в использовании только центральной точки фокусировки в ручном режиме управления. После переключения в автоматический режим по одной точке, вы можете использовать клавиши со стрелками, чтобы выбрать любую другую, доступную точку фокусировки. Чтобы вернуться к центральной точке снова нажмите кнопку «Установить».
Режимы фокусировки
Руководство по выбору точки фокусировки работает в любом режиме фокусировки, так что вы можете использовать или одну точку, или несколько в зависимости от того снимаете ли вы неподвижный, или движущийся объект. Выберите наиболее подходящий режим фокусировки.
Когда использовать ту или иную точку фокусировки
Автоматический выбор
Если вы хотите сфокусироваться на ближайшем объекте и вам необходимо быстро реагировать на происходящее вокруг, режим Auto Select будет для вас прекрасным вариантом. Это экономит время, так как в данном случае вы не будете заняты выбором той, или иной точки, кроме того, в этом режиме хорошо снимать движущиеся объекты.
Центральная точка фокусировки
Центральная точка фокусировки является наиболее чувствительной к освещению и наиболее точной из всех, поэтому она отлично подходит для использования при очень низком уровне освещения, или наоборот, при очень ярком свете. В то время, как использование других точек может привести к худшим результатам. Центральная точка также идеально подходит для тех случаев, когда основной объект находится в центре кадра.
Верхняя точка фокусировки
Когда вы фотографируете пейзаж, и для вас важно сделать акцент на более отдаленных объектах и областях сцены, а не на переднем плане, то лучше всего использовать верхнюю точку фокусировки. В данном случае, объекты переднего плана будут более размытыми, а объекты, находящиеся на большом расстоянии четкими и резкими.
Диагональ точек фокусировки
Портреты получаются особенно хорошо, когда объект съемки находится не в центре кадра, а немного сбоку. Снимая портрет, или в горизонтальной, или в вертикальной ориентации, выберите соответствующие точки фокусировки, расположенные по диагонали и сфокусируйтесь на одном из глаз объекта съемка. Если лицо ввернуто в три четверти, то фокусируйтесь на том глазе, который расположен ближе к камере.
Граничные точки фокусировки
Точки фокусировки, расположенные в дальней левой и правой стороне кадра очень удобны, в тех случаях, когда вы хотите, сделать изображение переднего плана более размытым, а определенные объекты, находящиеся более отдаленно, на границах снимка более четкими.
Как выбрать лучшую точку автофокусировки
В то время как для большинства из нас, девять возможных точек фокусировки будет более чем достаточно, такие высококачественные камеры как Canon EOS-1D X, оснащены невероятным количеством точек фокусировки, а именно 61 точкой. Вы можете выбрать даже несколько точек фокусировки в малых группах.
Когда точек фокусировки так много, выбор самой оптимальной точки, может оказаться сложным. Часто, кажется что, проще всего использовать центральную точку фокусировки, сфокусироваться, затем слегка нажать на кнопку спуска затвора для достижения фокуса.
Вы можете заблокировать настройки фокусировки, удерживая кнопку спуска затвора, создать композицию кадра, а затем полностью нажать на кнопку спуска затвора, чтобы сделать снимок. Это часто работает, но не всегда это может быть лучшим вариантом.
Основная проблема с использованием только центральной точкой фокусировки заключается в том, что информация об освещении и значение экспозиции устанавливаются одновременно. То есть, например, вы фокусируетесь сначала на объекте, который находится в тени, а затем быстро переключаетесь на объект, находящийся на солнце, то в этом случае изображение будет переэкспонированным.
Зафиксировать точку
Вы можете нажать на AE Lock, затем создать композицию кадра, благодаря этому камера будет учитывать постоянно меняющиеся условия освещения. При этом вам следует держать зажатой кнопку спуска затвора, чтобы сохранить фокус заблокированным.
Но это, как правило, легче выбрать точку автофокусировки, которая ближе к той области на которой вам требуется сфокусироваться, поэтому любое последующее движение камеры будет минимальными
Выбор наиболее подходящей точки автофокусировки не только обеспечивает более точный замер освещенности, он также уменьшает дрожание камеры, после того, как точка фокусировки была зафиксирована. Кроме того, точки фокусировки размещены на дисплее, соблюдая правило третей, которое способствует созданию правильной композиции.
Начнем, пожалуй, с того, что же такое автофокус. Это система, которая обеспечивает автоматическую фокусировку объектива фотоаппарата, видеокамеры на объект (или несколько объектов) съемки. Обозначают автофокус чаще всего как AF.
Существует два режима работы автофокуса: пассивный и активный . Смысл в том, что системе требуется определить расстояние от фокальной плоскости до объекта съемки, и активный автофокус добивается этого за счет элементов, взаимодействующих с объектом съемки (ультразвуковой или инфракрасный локаторы), а пассивный не взаимодействует с самим объектом и ничего не излучает — он лишь анализирует световые пучки, попадающие в камеру.
Всю свою работу автофокус выполняет за считанные мгновения и практически без непосредственного участия самого фотографа. Данное устройство предусмотрено во всех современных фотоаппаратах и различается по своему типу. Как правило, выделяются следующие виды:
- Фазовый автофокус
- Контрастный автофокус
- Гибридный автофокус
Рассмотрим каждый из них поподробнее. Работа фазового автофокуса основывается на использовании специальных датчиков, собирающих лучи света из разрозненных фрагментов, которые поступают к ним из разных точек кадра благодаря системам зеркал (в некоторых устройствах они заменены линзами). После этого весь свет разделяется на два потока и отправляется на светочувствительный сенсор. Окончательная наводка происходит в определенный момент, когда разделенные лучи будут находится на заданном устройством датчика расстоянии. Проведя расчет необходимой дистанции, устройство само определяет каким образом нужно изменить положение линз, для того чтобы был получено изображение лучшего качества. К неопровержимым достоинствам автофокуса фазового типа можно смело отнести точность и быстроту фокусировки, особенно это важно, если вы снимаете движущуюся сцену. Большое количество датчиков буквально следит за изображением, добиваясь максимального качества. Фазовый АФ применяется в зеркальных системах.
Следующий вид фокусировки – контрастный автофокус . Его работа основана на специальных светочувствительных элементах, которые проводят исследования контраста снимаемой сцены. Точная фокусировка происходит в тот момент, когда данное изображение обретет максимально отличающуюся от фона резкость и контрастность. Для достижение лучшего результата микропроцессор подобных устройств может смещать линзы из первоначального положения. К достоинства такого типа автофокуса можно отнести простоту, достаточно маленькие размеры и отсутствие необходимости в каких-либо дополнительных датчиках. Благодаря особенностям данной системы её используют в «мыльницах», камерах современных смартфонов и т.п.
Еще один вид, заслуживающий внимание фотографа – гибридный автофокус . Изначальная мысль заключалась в том, чтобы объединить пассивный и активный АФ. Современные же разработки гибридного автофокуса основаны на комбинации фазовой и контрастной технологии. Данный тип автофокуса сегодня внедряют в беззеркальные системы, где такой АФ показывает более убедительные результаты, чем контрастный, который использовался до этого.
Материалы
