Принципи роботи системи автофокусу.
Фокусування - болюче питання для більшості фотолюбителів (та й професіоналів теж). Повірте, або перевірте: будь-який фотографічний форум переконає Вас, а тести фотоапаратів обов'язково містять розділ, присвячений виключно роботі автофокусу.
Обговорення ж автофокусу на фотографічних форумах найчастіше закінчуються взаємними звинуваченнями в невігластві або віртуальним хапання за лацкани піджака з криками «А ти хто такий ?!». Подумалося мені зайнятися самоосвітою і розібратися - на побутовому рівні, як працює автофокус в сучасних цифрових фотоапаратах. Виявилося, що матеріалів в мережі дуже небагато, а зрозумілих людині без спеціальної освіти - ще менше. Результати пошуків і компіляція інформації (спасибі ЛензРенталз!) Викладені нижче.
У сучасних цифрових фотоапаратах використовуються дві системи автофокусу: контрастний автофокус і фазовий автофокус. Давайте почнемо з більш простий (і менш поширеною в «зеркалках») системи автофокусу: контрастного автофокусу.
контрастний автофокус
Контрастний автофокус працює наступним чином: процесор оцінює гистограмму, одержувану з матриці фотоапарата, трохи переміщує лінзи об'єктива - зміщуючи точку фокусування, потім виробляє переоцінку, щоб побачити, підвищився або знизився контраст. Якщо контраст підвищився, камера продовжує зміщувати точку фокусування в обраному напрямку, поки зображення не стане максимально контрастним. Якщо ж контраст знизився, об'єктиву дається вказівка зміщувати точку фокусування в іншу сторону. Процес повторюється до досягнення максимального контрасту (що по суті означає просування точки фокусування трохи далі положення максимального контрасту і повернення до точки, після якої контраст почав знижуватися). «Сфокусоване» методом контрастного автофокусу зображення - це зображення з максимальним контрастом.
Якщо ваша камера показує гістограму в режимі Live View можна вручну фокусуватися по контрасту.
При контрастному автофокусі оцінюється зображення з невеликої ділянки матриці - використовуваного в якості датчика і збігається з точкою фокусування, обраної фотографом. Це дозволяє вибрати об'єкт, на якому потрібно сфокусуватися, і позбавляє процесор фотоапарата від необхідності оцінювати контраст всього зображення - оцінюється контраст тільки в обраних точках автофокусування.
Недоліки контрастного автофокусу
Основним недоліком контрастного автофокусу є його неквапливість. Багатоходової процес «зрушення точки фокусування / лінз об'єктива - оцінка - зрушення - оцінка» вимагає часу, та й фотоапарат може почати з переміщення точки фокусування в неправильному напрямку - потім потрібно буде повертатися. Через вкрай невисокою швидкості і неможливості стежить фокусування, контрастний автофокус мало підходить для динамічних сюжетів. Повільність ускладнює навіть зйомку нерухомих об'єктів. Контрастний автофокус значно більше ніж фазовий залежить від хорошого освітлення, та й - що очевидно - вимагає хорошої контрастності об'єкта, на якому проводиться фокусування.
Переваги контрастного автофокусу
Є у контрастного автофокусу і переваги, завдяки яким він не тільки до цих пір використовується в фотоапаратах, а й збільшує свою присутність. По-перше, система контрастного автофокусу простіше. Вона не вимагає додаткових датчиків і мікросхем, які потрібні для фазового автофокусу. Простота знижує вартість і (а для багатьох ціна важливіше швидкості) є основною причиною використання контрастного автофокусу в компактних цифрових фотоапаратах. (Інша причина полягає в тому, що глибина різкості у компактних фотоапаратів спочатку більше і вимоги до точності автофокусу істотно нижче).
Простота системи контрастного автофокусу зменшує її розмір. Наприклад, з'явилися недавно беззеркальние цифрові фотоапарати зі змінною оптикою прагнуть до мініатюрності, а система контрастного автофокусу не вимагає «відводити» зображення в сторону від матриці фотоапарата: значить не потрібні призми, дзеркала та лінзи, необхідні для системи фазового автофокусу. Мініатюрність - одне з найважливіших переваг бездзеркальних фотоапаратів із змінною оптикою - всі вони використовують контрастний автофокус.
Друга перевага полягає в тому, що в системі контрастного автофокусу використовується матриця фотоапарата. Немає необхідності «відводу» пучка світла через спеціальні призми і дзеркала на додаткові датчики, які можуть бути неотюстіровани по відношенню до матриці фотоапарата. При контрастної автофокусування оцінюється реальне зображення на матриці фотоапарата, а не окреме зображення, яке повинно бути (а «повинен» ще не означає, що так і є) точно вивірене на відповідність з матрицею.
Саме з цієї причини контрастний автофокус забезпечує більш точне автофокусування, ніж фазовий. Підкреслю: "при використанні матриці для контрастної фокусування". У дзеркальних фотоапаратах Olympus і Sony для контрастного автофокусу в режимі Live View використовується додаткова, менша матриця, а значить - як і в будь-якій системі, що вимагає юстирування - залишається можливість неправильної юстирування.
В цілому, система контрастного автофокусу простіше, дешевше, менше за розмірами, і теоретично більш точна, ніж фазовий автофокус. Але вона набагато повільніше. Виробники докладають усіх зусиль, щоб прискорити контрастний автофокус, є успіхи, але в найближчому майбутньому він буде залишатися більш повільним.
фазовий автофокус
Основні принципи
Систему фазового автофокусу (також відомого як phase matching) запропонувала фірма Honeywell в 1970-х роках; вперше серійно її використовували в фотоапараті Minolta Maxxum 7000. Honeywell подала на Minolta позов за порушення патенту прав і виграла справу; так що виробникам довелося заплатити Honeywell за право використовувати фазову систему автофокусу.
Фазовий автофокус заснований на принципі, згідно з яким, вихідні / відбиті від точки, що знаходиться у фокусі, промені будуть в рівній мірі висвітлювати протилежні сторони об'єктива ( «будуть перебувати у фазі»). Якщо об'єктив сфокусований перед або позаду цієї точки, ці промені світла по-різному проходять через краю об'єктива ( «перебувають не в фазі»).
Більшість існуючих систем фазового автофокусу використовують дзеркала, лінзи або призми (роздільники пучка), щоб розділити промені, що проходять через протилежні краю об'єктива на два променя; і вторинну систему лінз, щоб знову сфокусувати ці промені на датчику автофокусу (як правило, CCD). Цей датчик визначає, куди падають промені світла проходять через протилежні краю об'єктива. Якщо точка знаходиться у фокусі, промені потрапляють на датчик на певній відстані один від одного. Якщо об'єктив сфокусований ближче або далі необхідної точки, відстань між цими променями буде менше або більше. Багато слів, давайте спробуємо подивитися на графічне відображення процесу - (рис. 1).
Мал. 1 Принцип роботи фазового автофокусу Відразу обмовлюся: опис та малюнок дають дуже спрощене пояснення принципу роботи фазового автофокусу - для того лише, щоб отримати уявлення про те, «як це працює». Фізика і механіка процесу, опис яких зайняло б не одну сторінку, повну формул, цифр та інших незрозумілостей, залишилися «за кадром».
На малюнку ясно видно, що процесор фотоапарата в системі фазового автофокусу відразу визначає, сфокусований об'єктив занадто близько або занадто далеко від об'єкта, так що один з недоліків контрастного автофокусу (камера не знає, в який бік зміщувати точку фокусування) спочатку відсутня - замість переміщення вперед і тому і визначення в якому напрямку лежить велика контрастність, в фазовому автофокусі процесор відразу бачить, в який бік зміщувати точку фокусування.
А далі йде процес. Кожен автофокусний об'єктив оснащений мікропроцесором, який повідомляє фотоапарату про свою присутність і стані, наприклад, "Я об'єктив 50 / 1.4 і мій фокусує елемент знаходиться в положенні на 20% ближче, ніж нескінченність" - або щось подібне. Коли Ви натискаєте на кнопку затвора наполовину, відбувається наступне:
Фотоапарат зчитує дані з датчика автофокусу, звіряється з масивом даних, що містять відомості про властивості автофокусних об'єктивів цього виробника, робить деякі розрахунки і каже об'єктиву щось на кшталт "Передвинь точку автофокусу ось настільки до нескінченності".
В об'єктиві є датчики і мікросхеми, що вимірюють або кількість струму, поданого на моторчик фокусування, або наскільки пересунувся фокусує елемент. Об'єктив зміщує фокусировочний елемент і посилає сигнал фотоапарату "майже у мети".
Фотоапарат перевіряє ще раз дані з датчиків автофокусу, і відправляє сигнал об'єктиву до більш точного налаштування; процес точного фокусування може повторюватися кілька разів, поки об'єктив не сфокусується «точно в ціль». Якщо щось йде не так, відбувається сумнозвісне "рискання" об'єктива.
Після фокусування, фотоапарат наказує об'єктиву зафіксувати фокус, і інформує фотографа (звуком і індикатором в видошукачі). Весь процес займає дещицю секунди. Дуже швидко.
Схема фазового автофокусу
Датчик автофокусу не може перебувати перед матрицею, тому виробники використовують частково прозорі області в дзеркалі, пропускають світло на вторинне дзеркало, від якого він і відбивається на датчик автофокусу (рис. 2).
Мал. 2 Схема фазового автофокусу Зазвичай датчик автофокусу розташовується під основним дзеркалом (рис. 3) разом з датчиками визначення експозиції. Червоною стрілкою показаний датчик автофокусу фотоапарата Canon EOS 5D. Зображення взято з сайту Canon, USA
Мал. 3 Розташування датчика автофокусу Типи датчиків фазового автофокусу
Кожен датчик здатний оцінити лише невелику частину зображення. Горизонтальні датчики точніше працюють з вертикальними деталями. У більшості зображень вертикальні деталі переважають, тому горизонтальних датчиків більше. Є і вертикальні датчики, як правило, розташовані хрестоподібно з горизонтальними (рис. 4). Деякі фотоапарати обладнані навіть діагональними датчиками фазового автофокусу.
Деякі датчики автофокусу (майже завжди розташовуються в центрі), за допомогою різних лінз і розміру самого датчика, досягають більшої точності автофокусу, особливо при використанні светосильних об'єктивів. Найчастіше вони включаються в роботу тільки при використанні об'єктивів з світлосилою f / 2.8 або світліше. На малюнку 4, наприклад, показано, що при використанні об'єктива f / 2.8 буде використовуватися хрестоподібний датчик, а для більш темних об'єктивів буде задіяний лише один менш точний датчик автофокусу.
Мал. 4 Хрещатий датчик автофокусу У перших системах фазового автофокусу (і в деяких сучасних фотоапаратах середнього формату) був тільки один датчик в центрі зображення. З ростом обчислювальної потужності і інженерного майстерності додавалися все нові і нові датчики. Зараз у більшості фотоапаратів їх від семи / дев'яти і до 52. Можна - в залежності від вимог сцени, що знімається - вибрати один, все, або групу датчиків. Можна повідомити фотоапарату який датчик / датчики використовувати.
численні датчики фазового автофокусу , Спільно з процесором фотоапарата, здатні на чудові речі. Визначаючи, в яких датчиках рухомий об'єкт знаходиться у фокусі і як це змінюється - вимірюючи переміщення об'єкта та зчитуючи показання через найкоротші проміжки часу - фотоапарат може передбачати, де буде знаходитися об'єкт, що рухається через певний проміжок часу. На цьому заснована робота стежить автофокусу.
Вплив світлосили об'єктива
Незалежно від типу датчика, автофокус буде більш точним при використанні светосильних об'єктивів. У процесі фокусування фотоапарат максимально відкриває об'єктив, закриваючи діафрагму до обраного вами значення тільки в момент відкриття шторок. Фазовий автофокус тим точніше, чим ширше кут променів світла. На наведеній схемі кут променів, отриманих від об'єктива f / 2.8 (сині лінії), буде більше, ніж від об'єктива f / 4 (червоні лінії), які в свою чергу більше, ніж від об'єктива f / 5.6 (жовті лінії). При використанні об'єктива з максимальною діафрагмою f / 8, тільки найточніші датчики здатні працювати, але фокусування буде повільною і менш точною. Саме з цієї причини припиняють автофокусіроваться об'єктиви f / 5.6, коли ми намагаємося використовувати телеконвертер, що знижує їх максимальну светосилу до f / 8 або f / 11.
Переваги фазового автофокусу
Основні переваги фазового автофокусу ми вже згадали:
він багато швидше контрастного - досить швидкий для зйомки об'єктів, що рухаються.
Фотоапарат здатний використовувати групу датчиків для оцінки руху об'єкта, що дає нам стежить / предикативний автофокус.
Є й менш явні переваги. Групи датчиків фазового автофокусу можуть використовуватися для "електронного ГРИП" - попередньої оцінки глибини різкості. Деякі фотоапарати (правда, їх небагато) оснащені функцією автофокусної пастки (trap autofocus) - вони роблять знімок в момент, коли щось потрапляє в активну точку фокусування. Якщо датчики виявляють рух в статичної сцені, вони можуть повідомити про неприйнятний ворушіння фотоапарата. Але - головне - швидкість і стежить автофокус
Недоліки фазового автофокусу
По-перше, система фазового автофокусу вимагає фізичної юстирування. Шлях світла до матриці фотоапарата повинен бути узгоджений з шляхом світла до датчика автофокусу так, щоб предмет, що знаходиться у фокусі на датчику автофокусування був у фокусі і на матриці. Кожен об'єктив повинен містити мікросхему, що забезпечує зворотний зв'язок з фотоапаратом і що повідомляє йому інформацію про точному положенні фокусирующего елемента, про те, на яку відстань елемент переміщається при подачі певного струму на моторчик автофокусу. Все це повинно бути точно погоджена і вивірено таким чином, щоб об'єктив зміщує точку фокусування саме туди, куди йому вказав фотоапарат, а фотоапарат знав точне положення цієї точки. Найменша неузгодженість призводить до неточної фокусуванні.
По-друге, система вимагає програмної настройки. Кожен фотоапарат і об'єктив програмуються виробником, в пам'ять вноситься велика кількість даних. Завдяки цим даним забезпечується злагоджена робота фотоапарата і об'єктива, а точність автофокусу іноді може бути поліпшена шляхом поновлення прошивок. Такі оновлення часто випускаються слідом за появою нових об'єктивів.
Виробники приховують алгоритми роботи своїх систем фазового автофокусу. Сторонні виробники об'єктивів змушені експериментальним шляхом зчитувати і декодувати сигнали, якими обмінюються фотоапарат і об'єктив і на основі цих даних розробляти свої мікропроцесори і свої алгоритми. Через це точність автофокусу при використанні об'єктивів сторонніх виробників може бути нижче. Зміна алгоритмів виробниками фотоапаратів призводить до того, що автофокус на об'єктивах сторонніх виробників відмовляється працювати (їх потрібно перепрограмувати, як недавно сталося з Sigma AF 120-300 / 2.8 і Nikon D3X).
Як уже згадувалося, світлосила об'єктива впливає на точність фазового автофокусу. Светосильние об'єктиви здатні фокусуватися в більш складних умовах. Зазвичай залежність від світлосили не викликає проблем, тому що у темних об'єктивів велика глибина різкості. Однак, є значення максимальної світлосили (як правило, f / 5.6 або f / 8), коли фазовий автофокус просто відмовляється працювати. (Пам'ятаєте, мова йде про максимальну світлосилі об'єктива - фотоапарат автоматично повністю відкриває діафрагму об'єктива в процесі фокусування, тому встановлене значення не надає вплив на автофокус, якщо максимальна діафрагма об'єктива відповідає можливостям фотоапарата).
Оскільки світло потрапляє на датчики автофокусу тільки коли дзеркало опущено, вони перестають працювати в момент знімка, і не починають працювати до того, поки дзеркало не повернеться в початкове положення. Саме тому фазовий автофокус не працює в режимі Live View, а стежить автофокус може помилятися при серійній зйомці.
Є й інші проблемки, які ми не помічаємо. Лінійні поляризаційні фільтри заважають фазового автофокусу. Лінійних полярик зараз залишилося небагато, але буває, що купивши його «по-дешевці» власник потім дивується неточності автофокусу. Фазовий автофокус може просто «луснути» на деяких сюжетах (типу шахової дошки або решітки), а контрастний легко справляється з ними.
Live View:
Я віділів режим Live View, тому что именно ВІН змушує віробніків працювати над удосконалення контрастного автофокусу и над Створення гібрідніх систем. Як уже згадувалося, контрастний автофокус має певні переваги, а подолання його обмежень буде на користь всім фотографують.
Olympus і Sony вже створили системи, які поділяють пучок світла, відправляючи частина в видошукач, а частина - на додатковий датчик зображення. Така система дозволяє користуватися фазовим автофокусом навіть в режимі Live View. Але і ризик неточною фокусування зростає, адже використовується не матриця, а допоміжний датчик.
Canon описав систему, яка використовує фазовий автофокус на початковому етапі, а потім тонко підлаштовує фокусування за допомогою контрастного автофокусу.
Nikon здається, подав заявку на патентування принципу, коли певні пікселі матриці фотоапарата будуть використовуватися в якості датчиків фазового автофокусу. Це - по-моєму - буде просто революцією.
FujiFilm вже випустив лінійку компактних цифрових фотоапаратів з гібридною системою автофокусу.
Поживемо побачимо. Але очевидно, що вперше за останні роки зміни систем автофокусу можуть бути революційним, а не еволюційним. Що - погодьтеся - таїть для фотолюбителів багато цікавого і захоплюючого.
серпень 2010 року
Обговорення ж автофокусу на фотографічних форумах найчастіше закінчуються взаємними звинуваченнями в невігластві або віртуальним хапання за лацкани піджака з криками «А ти хто такий ?