Что такое фазовый фокус. Что такое гибридный автофокус в смартфоне

Дата публикации: 03.12.2015

Новый автофокус

Что такое гибридный автофокус?

Очередную часть этого теста я снова начинаю с короткой теории, чтобы показать революционность некоторых решений, примененных в Sony Alpha ILCE-7RM2. Гибридный автофокус этой камеры сочетает в себе две составляющие: контрастную и фазовую. Начнем с контрастной. Фокусировка по этому принципу осуществляется очень просто: камера шаг за шагом смещает на небольшую величину фокусировочный блок линз в объективе и оценивает микроконтраст изображения. Чем он выше, тем выше резкость. Если после какого-то шага достигнутый ранее высокий контраст начинает снижаться, камера возвращает фокусировочный элемент на несколько микрошагов назад - резкость достигнута!

Плюсов у этой технологии предостаточно. Точность фокусировки может быть потрясающе высокой, ведь камера ее оценивает по изображению с матрицы, то есть по будущей фотографии. Процессор еще в процессе фокусировки может распознавать сюжеты и задействовать дополнительные функции, например, фокусироваться и замерять экспозицию по лицам или другим сюжетно важным частям кадра.

Минусов у этого принципа всего два. Первый - не всегда высокая скорость. Автоматика каждый раз должна сделать сотни и тысячи микрошагов, оценивая резкость изображения после каждого из них. Это непростая задача даже для очень мощного процессора. И каждый шаг автоматика делает вслепую. Она не знает, расположен снимаемый объект ближе к камере или удален на бесконечность. Поэтому направление вращения кольца фокусировки может оказаться неверным, и тогда объектив начинает «рыскать», нащупывая заветную резкость, неизбежно проскакивая ее и тут же возвращаясь назад. Это второй минус.

ILCE-7RM2 / FE 90mm F2.8 Macro G OSS УСТАНОВКИ: ISO 400, F2.8, 1/1000 с, 90.0 мм экв.

Датчики фазовой детекции, расположенные непосредственно на матрице, призваны нивелировать оба недостатка контрастного автофокуса. Они подсказывают автоматике величину смещения и направление, в котором нужно вращать кольцо фокусировки для достижения резкости. Прецизионная доводка резкости может осуществляться по контрастному принципу. Это позволяет добиваться идеальных по точности результатов за короткое время. И заметьте, никаких проблем с фронт- и бэкфокусом здесь быть просто не может.

Без малого четыре сотни

Таких фазовых датчиков-помощников на матрице Sony Alpha ILCE-7RM2 ровно 399. Они настолько скромны, что вы их можете даже не заметить. В отличие от зеркалок выбрать один из 399 фазовых датчиков здесь нельзя. Да и как вы себе это представляете? Их же слишком много! Индикацию зоны кадра, покрытой фазовыми датчиками, вы можете включить в меню. А отдельные задействованные в данный момент точки подсветятся зеленым на экране лишь в режиме фокусировки AF-C, да и то при работе с широкими зонами АФ. Именно поэтому многие фотографы, взявшие в руки Sony Alpha ILCE-7RM2, даже не догадываются о наличии в ней фазовой автофокусировки.

Площадь, покрытая датчиками фазовой фокусировки, у Sony Alpha ILCE-7RM2 настолько велика, что трудно представить сюжет, в котором снимаемый объект вышел бы за нее (естественно, при следовании определенным законам композиции). Впрочем, даже в этом случае ничего страшного не произойдет: там его подхватит обычный контрастный автофокус. Например, у автофокуса зеркалок и площадь покрытия меньше, и подстраховки в виде контрастного автофокуса по краю кадра нет.

ILCE-7RM2 / FE 70-200mm F4 G OSS УСТАНОВКИ: ISO 100, F4, 1/640 с, 200.0 мм экв.

Цепкости датчиков достаточно, чтобы отследить даже достаточно быстрые объекты. Например, при очень плохом освещении мне без труда удавалось снимать картинг. А это непростая задача: малоконтрастный объект съемки на темном фоне, несущийся на фотографа с приличной скоростью. Кстати, чувствительность фазовых датчиков заявлена на уровне -2 EV, что соответствует уровню серьезной зеркалки.

ILCE-7RM2 / FE 70-200mm F4 G OSS УСТАНОВКИ: ISO 6400, F4, 1/125 с, 114.0 мм экв.

Смаз на снимках появлялся из-за слишком длинной выдержки, но не из-за промахов автофокуса. Здесь мне пригодилась и высокая скорострельность камеры (до 5 кадров/с), и широкий диапазон рабочих ISO.

ILCE-7RM2 / FE 55mm F1.8 ZA УСТАНОВКИ: ISO 6400, F1.8, 1/800 с, 55.0 мм экв.

Возвращаясь к теме датчиков фазовой детекции, нужно отметить, что все они сохраняют свою работоспособность и при установке оптики через переходник Sony LA-EA3. Такая же функция недавно появилась у Sony Alpha ILCE-7M2 благодаря последней версии прошивки. Но отметим, что в младшей модели камеры фазовые датчики покрывают куда более скромную площадь кадра.

Управление автофокусом

Чтобы комфортно и эффективно снимать на Sony Alpha ILCE-7RM2, вам придется от корки до корки прочитать инструкцию и одномоментно забыть целый ряд съемочных приемов, которые вы часто использовали при работе с зеркалками. Во-первых, отрываемся от видоискателя: автофокус и при визировании по экрану будет работать так же быстро и эффективно. Во-вторых, не бойтесь довериться автоматике. Она видит снимаемый сюжет всеми своими 42 миллионами пикселей, оценивает и распознает его в реальном времени, будь то лицо человека или просто доминирующий объект. Для сравнения: зеркалки для распознавания сюжет используют модуль экспозамера, имеющий в сотни раз меньшее разрешение даже в топовых моделях. При работе с широкой зоной автофокуса правильный объект для наведения резкости будет выбран в 90% случаев. Добрая половина тестовых снимков здесь сделана именно с широкой зоной автофокуса.

ILCE-7RM2 / FE 90mm F2.8 Macro G OSS УСТАНОВКИ: ISO 400, F4, 1/250 с, 90.0 мм экв.

Выбор вручную одной-единственной точки автофокуса остался в прошлом. Безусловно, он реализован в Sony Alpha ILCE-7RM2 и будет полезен при предметной или макросъемке. Но для большинства других сюжетов есть куда более продвинутые алгоритмы. Например, выделить снимаемый объект и включить слежение за ним можно буквально одной кнопкой. Дальше камера будет сама удерживать объект в резкости вне зависимости от его перемещений по площади кадра.

Наконец, в Sony Alpha ILCE-7RM2 появился просто потрясающий инструмент для любителей съемки портрета - Eye AF (фокусировка по глазам). В моей камере эта функция присвоена центральной кнопке задней панели. Вам достаточно нажать эту кнопку и удивиться, с какой точностью и скоростью автоматика выбрала один из 399 фазовых датчиков, совпадающий с ближним глазом модели. Вспомните, сколько действий нужно совершить для этого, снимая на зеркалку! А ведь у зеркалок еще и область покрытия автофокуса меньше, из-за чего часто приходится снимать с блокировкой автофокуса и перекадрированием. Все это в прошлом…

ILCE-7RM2 / E 85mm F1.8 УСТАНОВКИ: ISO 100, F1.8, 1/4000 с, 85.0 мм экв.

Проверяя фокусировку по глазам в деле, я использовал два системных объектива: Zeiss Batis 1.8/85 Sony E и очень хорошо справляющийся со съемкой портретов Sony FE 90mm f/2.8 Macro G OSS . Оба объектива способны обеспечить очень малую глубину резкости. Но ни с тем ни с другим в серии практически не было кадров с браком по фокусу. Я включил непрерывный автофокус, зажал центральную кнопку и дальше лишь наслаждался тем, насколько уверенно камера удерживает в фокусе лицо, а точнее, ближний к камере глаз модели.

ILCE-7RM2 / E 85mm F1.8 УСТАНОВКИ: ISO 100, F1.8, 1/640 с, 85.0 мм экв.

Нескольким предыдущим моделям Sony мы записали в минусы отсутствие возможности прямого выбора точки автофокуса (для этого нужно дополнительно нажимать одну из кнопок). И лишь после выхода Sony Alpha ILCE-7RM2 стало понятно: компания шаг за шагом приближалась к новому автофокусу, который работает иначе: более просто, более эффективно.

Автофокус, в том числе, и следящий, в сравнении с ручной наводкой резкости, является более предпочтительной настройкой. В руках опытного фотографа автофокус работает намного быстрее, а главное точнее, чем может действовать среднестатистический фотолюбитель. Однако же, автофокус это не такая простая штука, как может показаться на первый взгляд, но так же следует сказать, что это уже достаточно глубокие дебри, в которые заходят далеко не сразу.

Давайте же рассмотрим то, как пользоваться автофокусом, а так же те тонкости, которые позволят эффективно ним управлять и получать максимально возможный результат.

Для начала я рекомендую вам еще раз перечитать страницы инструкции вашего фотоаппарата, которые посвящаются автофокусу - это будет самое лучшее начало. Для нормального восприятия материала вам нужно знать и понимать где находятся и как действуют основные органы управления автофокусом и точками фокусировки.

Режимы автофокуса

Большинство фотоаппаратов, в том числе Canon и Nikon, оборудованы тремя видами режимов: одиночный, следящий и гибридный автофокус.

Покадровый или точечный автофокус

Этот режим предназначается для фотографирования неподвижных сцен, к примеру портрет, пейзаж, натюрморт и т.д. В этом режиме при полунажатии клавиши спуска, объектив начинает фокусироваться на объекте, который располагается в пределах выбранной точки фокусировки. После завершения наведения резкости, работа наводки фокуса блокируется, что позволяет вам изменить композицию кадра (при изменении расстояния до объекта фокус теряется) и сделать кадр.

Разбираясь в данной теме, необходимо понимать, что объектив фокусируется не на объекте съемки, а на определенном расстоянии. Из этого следует очень простой вывод. Если я навожу резкость на объект, который находится на расстоянии пяти метров, то соответственно и все остальные объекты, находящиеся на удалении пять метров попадают в зону резкости. Другими словами, после наведения фокуса и блокировки работы автофокуса, сохраняя расстояние до объекта съемки, я могу крутить камерой как угодно, получая ту композицию, которая мне нужна, при этом, не теряя фокуса.

Такой метод очень хорош в тех случаях, когда расстояние до объекта достаточно велико и измеряется метрами. На близких же расстояниях, особенно при макросъемке, перекомпоновка кадра, которая может повлечь за собой изменение расстояния на несколько сантиметров или миллиметров приводит к заметной потере фокуса, что еще более критично при узкой глубине резкости.

Режим следящего автофокуса

Этот режим еще называют непрерывным, он просто незаменим при фотографировании динамичных объектов – животные, спорт, автогонки и др. До тех пор, пока кнопка спуска находится в полунажатии, автофокус непрерывно работает, тем самым удерживая объект в зоне резкости. Естественно, блокировки автофокуса, как в предыдущем варианте не происходит, что обусловлено постоянным движением механизма объектива, который ловит фокус вслед за движением объекта съемки.

Напрашивается очевидный вывод. В этом режиме съемки вы не можете менять композицию. Это объясняется тем, что автофокус реагирует на объект расположенный перед определенной точкой фокусировки, если вы измените композицию, объект будет потерян и фокусировка будет произведена на что-то другое.

Итак, мы поняли, что такое следящий автофокус, теперь остался последний режим –автоматический или гибридный. Он создан для того, что бы самому решать нужно ли блокировать автофокус или нет. Этот режим, в отличие от других автоматических функций камеры, кажется мне странным и бесполезным, но это мое субъективное мнение, возможно, кто-то и найдет в нем полезность и удобство.

Приоритет спуска или фокуса

Для многих новичков, существование таких настроек покажется удивительным. Но они существуют и не обратить на них внимание, разбирая автофокус, просто не возможно. Первый из приоритетов (спуска) означает, что в момент полного нажатия кнопки спуска, резкость не имеет никакого значения, другими словами, контроль за этим полностью возложен на фотографа. Этот режим стандартно включен для следящего автофокуса.

Приоритет фокуса, означает, что после полного нажатия кнопки спуска должно быть попадание в резкость по определенной или определенным точкам фокусировки. Если такового не будет, то фотоаппарат не позволяет сделать кадр. Этот режим обычно включен при стандартных настройках в режиме одиночного кадра.

Контрастный и фазовый автофокус, какой лучше?

В цифровых камерах производители используют два вида автофокуса, как вы уже поняли из названия, это контрастный и фазовый автофокус. Будет очень хорошо, если мы разберемся в этих понятиях.

Контрастная система автофокуса

Этот способ автофокуса используется в так называемых цифромыльницах и в зеркальных фотоаппаратах, но только при включении функции «Live View». Этот вид автофокуса не требует дополнительных фокусировочных датчиков, так как для наведения фокуса он использует исключительно матрицу фотоаппарата. Картинка, которая поступает с матрицы фотоаппарата, анализируется процессором камеры на наличие изменения контраста. При необходимости более точной наводки на резкость процессор дает команду двигателю слегка изменить положение линз объектива в любом направлении. Если после этой манипуляции контраст изображения уменьшается, то направление движения линз меняется на противоположное. Движение в правильном направлении продолжается до тех пор, пока контраст снова не начнет падать, достигнув этого предела, процессор говорит мотору вернуть линзы к тому шагу, при котором был максимальный контраст. Достигнув этого значения, фокусировка считается законченной.

Как вы понимаете, в силу таких особенностей работы автофокуса (не известно в какую сторону следует вращать двигатель) совершается множество лишних движений. Что приводит к основным минусам этого способа фокусировки – низкая скорость, что не позволяет использовать его на профессиональных камерах. Второй минус, может и не настолько критичный – повышенное энергопотребление.

Плюсами данного способа, является простота конструкции и возможность сфокусироваться практически в любом месте кадра.

Фазовый автофокус

Как вы понимаете, производители фототехники уже давно ответили нам и себе на вопрос, какой автофокус выбрать. Конечно же, победила фазовая система. Разберем, почему так.

Этот вид автофокуса используется в зеркальных цифровых и пленочных камерах. Здесь присутствует небольшое вмешательство в оптическую систему передачи изображения, так кроме основного зеркала, камера оснащается дополнительным зеркалом, которое передает часть света на модуль фазового автофокуса. Любой световой луч, который проходит через светоделительную призму и микролинзы делится на два луча, каждый из которых потом направляется на датчик автофокуса. Если наводка на резкость точна, то лучи падают на датчик в строгом расстоянии друг от друга.

Если же расстояние между лучами меньше эталонного, то фокус наведен ближе, чем нужно (фронт-фокус).

Если же расстояние большее, то соответственно резкость наведена дальше (бэк-фокус).

При этом величина сдвига указывает расстояние от идеального фокуса. Таким образом, процессор сразу же получает данные о том, в какую сторону и насколько необходимо произвести подстройку.

Датчики фазовой системы автофокуса могут быть крестообразными и линейными. Линейные, так же разделяются на вертикальные и горизонтальные. Последние, чувствительны к вертикальным линиям (стволы деревьев, забор), а вертикальные более чувствительны к горизонтальным объектам (горизонт, дорога). Соответственно, крестообразные датчики являются универсальными, они восприимчивы к объектам любой формы. Узнать какие именно датчики и где они расположены вы можете из инструкции к вашему фотоаппарату, но самый чувствительный датчик располагается в центре кадра.

Главным положительным качеством фазового автофокуса является его скорость, которая делает его незаменимым при съемке динамичных сцен. Основными недостатком является сложность, громоздкость, необходимость тончайшей юстировки всех компонентов, меньшая точность, чем у контрастного автофокуса и малое число фокусировочных точек.

Гибридная система

Так же существует и третий вид автофокуса – гибридный. Из названия становится ясно, что это совмещенная система, включающая качества обоих описанных выше систем. Такие автофокусы используются в беззеркальных и некоторых зеркальных камерах.

Суть этой системы заключается в том, что датчики вмонтированы прямо в матрицу. Благодаря этому наводка на резкость происходит по следующей системе. Сначала, базовый фокус наводит фазовый автофокус, а затем на основании полученных данных начинает работать контрастный. При этом медлительность контрастного автофокуса уменьшается более чем на 75%. Фазовый автофокус не требует столь точной юстировки, а вся система занимает намного меньше места.

Разобрав все технические стороны работы автофокуса, хочу в завершение сказать еще пару слов о тех факторах, которые так же влияют на его работу:

Светосила объектива. Здесь все как всегда, чем выше светосила, тем лучше работает автофокус.

Фокусное расстояние. Здесь все достаточно запутано, но если в двух словах, то чем больше фокусное, тем виднее любой промах автофокуса. Кроме этого есть шевеленка, дыхание и прочие факторы. Делаю вывод, чем длиннее фокусное расстояние, тем хуже работает автофокус.

Детализация и освещенность изображения. Чем меньше деталей и света в зоне точки фокусировки, тем хуже работает автофокус.

Сам фотограф , а точнее ваше умение пользоваться своей техникой. Если человек умело обращается, то все работает, если же небрежно и не правильно, то даже самая современная система автофокуса будет промахиваться.

Самое главное в вашей работе с автофокусом – это практика. Правильный взвешенный подход к работе автоматики даст вам возможность быстро и качественно фокусироваться. Что собственно и необходимо.

Успешных вам фотографий!

Первые десятилетия фотографии камеры были большими и представляли собой простую, но громоздкую конструкцию в виде «гармошки», соединяющей объектив и кассетную часть с фотопластинкой. Перед съемкой на место фотопластинки вставлялось матовое стекло (фокусировочный экран), и фотограф вручную двигал объектив (обычно однолинзовый) для фокусировки изображения, накрывшись темным покрывалом для повышения яркости и контраста. Процесс этот был небыстрый, но и спешить особо было некуда: светочувствительность фотопластинок в то время была низкой, выдержка составляла минуты, так что снимали в основном статичные сцены — пейзажи, натюрморты и портреты людей, которым приходилось для этого сидеть неподвижно.

Ручная работа

К началу XX века чувствительность фотоматериалов увеличилась, формат уменьшился, камеры стали намного компактнее и удобнее, но сфокусировать объектив по изображению на маленьком фокусировочном экране стало сложно даже с помощью лупы. Эту проблему можно было решить несколькими путями. Во‑первых, сфокусировать объектив на гиперфокальном расстоянии, так, чтобы большая часть объектов в кадре изображалась резко. Во‑вторых, разметить шкалу расстояний на объективе и наводить резкость, выставляя нужные значения «на глаз». И, в-третьих, можно было применить принципиально новое решение, оснастив камеры устройством для измерения дистанции — дальномером. Этот несложный оптический прибор состоял из светоделительной призмы и поворотного зеркала, разнесенных на определенное расстояние (база). Фотограф, глядя в окошко дальномера, поворачивал зеркало до тех пор, пока изображения не совмещались. С помощью триангуляции, исходя из угла поворота и базы, можно было найти расстояние до объекта съемки и выставить эту дистанцию на объективе (вручную). Такими устройствами камеры начали оснащать с начала XX века, а в 1916 году в модели 3A Autographic Kodak Special конструкторы впервые механически объединили измерение расстояния с одновременной фокусировкой объектива. Настоящую популярность это приспособление получило благодаря компании Leica, которая начала снабжать свои камеры дальномерами начиная с модели Leica I (1925), — собственно, такие камеры и стали называться дальномерными.

Убрать раздвоение

В 1976 году на выставке Photokina компания Leica представила фотокамеру с системой Correfot (которую она разрабатывала с 1960 года) — первой системой автофокусировки в мире. По одной из легенд, несмотря на интерес публики, компания отказалась от ее выпуска, «потому что клиенты уже знают, как правильно фокусировать объектив». На самом деле система была просто слишком прожорлива (комплекта из шести батареек хватало менее чем на час съемок) и в целом «сырая». Поэтому первой серийной автофокусной камерой стала в 1977 году Konica C 35 AF, оснащенная системой Visitronic компании Honeywell. Система эта базировалась на классическом дальномере и триангуляции, только два изображения сводил вместе не сам фотограф, а электромеханическая автоматика, сравнивая сигналы с двух ПЗС-матриц.

Компания Canon пошла немного другим путем, решив обойтись без сложной электромеханики. В Canon AF35M (1977) появился активный автофокус, представлявший собой оптоэлектронную версию классического дальномера: светодиод излучал инфракрасный импульс, а расстояние определялось по углу его отражения от объекта, измеренного с помощью ПЗС-датчика. В следующей модели, Canon AF35ML (1981), уже использовалась пассивная автофокусировка, основанная на «твердотельной триангуляции»: никаких движущихся частей, а «сведение» изображений осуществлялось электронным способом — по разности сигналов на двух ПЗС-матрицах.

В первых дальномерных камерах фотограф совмещал изображения, считывал расстояние и выставлял полученное значение на фокусировочной шкале объектива. В камере 3A Autographic Kodak Special эти процедуры были объединены в одну.

Сдвиг по фазе

Первой автофокусной зеркальной камерой стала Minolta Maxxum 7000 (1985). В этой модели использовалась система фазовой автофокусировки (AF) через объектив (Through The Lens — TTL), которая широко применяется и сейчас. Принцип ее работы основан на том, что лучи, проходящие через две половины объектива, отражаются зеркалом и фокусируются в двух разных точках на датчике АФ — двух ПЗС-линейках. Расстояние между этими точками для идеальной фокусировки точно известно, и если измеренная дистанция между пиками не совпадает с этим значением, система управления начинает двигать объектив в нужном направлении до тех пор, пока пики не окажутся на нужных местах. В реальной жизни, конечно, все намного сложнее — изображение представляет собой не точку, может быть расположено не на оптической оси и т. п. Эти проблемы решаются введением различных масок и дополнительных конденсорных линз, но принцип тот же.

Автоматические дальномеры и настоящая АФ Konica C35 AF была оснащена электромеханическим дальномером с двумя ПЗС-датчиками. Сигналы с датчиков сравнивались, их совпадение означало точную фокусировку.

Фазовый автофокус очень быстрый (система сразу знает, в каком направлении нужно двигать объектив, и благодаря этому даже может отслеживать движение объекта в кадре), не требует большой вычислительной мощности и не имеет движущихся частей. Основной недостаток этой системы — ее неуверенная работа при низком освещении, а также то, что она работает только при опущенном зеркале: в момент съемки зеркало поднимается, и весь свет через объектив попадает на пленку или матрицу, а не на датчик АF. А значит, эта система не годится для тех случаев, когда кадр визируется по ЖК-экрану (LiveView), то есть для большинства компактных цифровых камер и смартфонов.

А первая настоящая АФ появилась в камере Minolta Maxxum 7000. Это была полноценная система фазовой автофокусировки через объектив (TTL) — предок всех современных фазовых систем АФ.

По образу и подобию

Для цифровых камер, которые с начала 2000-х заменили пленочные, пришлось придумывать новый принцип автофокусировки. Ну, не совсем новый. Как человек наводит объектив вручную? Крутит кольцо фокусировки, пока наблюдаемая картинка не станет резкой, то есть максимально контрастной. Контрастный автофокус работает точно так же: двигает объектив, добиваясь максимальной контрастности картинки на светочувствительной матрице.

Такая система работает с основной матрицей и не требует сложных оптических схем и дополнительных датчиков. Но, в отличие от фазовой автофокусировки, она не может определить заранее, в какую сторону следует двигать объектив, и начинает это делать в случайном направлении — точно так, как это делал бы человек. Поэтому скорость фокусировки иногда оставляет желать лучшего — особенно в условиях недостаточного освещения или при съемке малоконтрастных объектов, когда система просто не может «рассмотреть» резкие детали (в точности как человек). Тем не менее долгое время для компактных цифровых камер и особенно смартфонов альтернатив контрастной автофокусировке просто не существовало.

Камера Canon EOS 70D стала первой моделью, оснащенной системой типа Dual Pixel CMOS AF. В отличие от гибридной системы АФ, которая использует специальные выделенные фотодиоды на общей КМОП-матрице, АФ с «двойными пикселями» и для фокусировки, и для фотосъемки задействует все фотодиоды матрицы.

Гибридный подход

В 2010 году компания Fujifilm выпустила камеру FinePix F300EXR с новой, гибридной системой автофокусировки. На матрице камеры, помимо обычных светочувствительных фотодиодов (пикселей), были равномерно разбросаны два типа специализированных — «правые» и «левые», то есть воспринимающие свет только от правой или левой части объектива (другая часть закрыта непрозрачной маской). Система АF сравнивала изображение на субматрицах, образованных «левыми» и «правыми» пикселями. Точное совпадение этих двух изображений говорит о точной фокусировке, а смещение показывает, насколько и в какую сторону следует сместить объектив. Похоже на фазовую АF, не так ли? Почти, но не совсем: разрешающая способность субматриц существенно меньше, чем всей матрицы, и при очень малых отклонениях от точной фокусировки система неспособна увидеть разницу, так что на финальном этапе используется фокусировка по контрасту.

Ничего лишнего

Гибридный автофокус выгодно сочетает достоинства фазовой и контрастной систем АF, однако имеет и недостатки. Для улучшения работы АФ нужно увеличить количество пикселей, которые «работают» только на 50%, а это приводит к уменьшению общей светочувствительности матрицы. Но разработчики матриц придумали остроумный способ обойти это ограничение.

В 2013 году в камере Canon EOS 70D была впервые опробована система Dual Pixel CMOS AF. А в 2016 году на рынке появился первый смартфон с камерой, оснащенной системой Dual Pixel, — флагман Samsung Galaxy S7.

Существует способ сделать так, чтобы «всё было резко» вовсе без автофокусировки. В эпоху пленочных камер дешевые модели обычно снабжались простым объективом с фиксированной фокусировкой (focus-free) на гиперфокальном расстоянии. Такой объектив позволяет более-менее резко изображать все объекты, находящиеся на расстоянии от половины гиперфокального (обычно 0,5−1 м) до бесконечности. Подобными же объективами снабжались и дешевые цифровые камеры, и первые смартфоны с камерами. Однако этот принцип применим только для дешевых широкоугольных объективов с большим минимальным значением диафрагмы. Другой случай — это использование пленоптической камеры, или «камеры светового поля». Она фиксирует не только распределение освещенности в фокальной плоскости, но и направление пришедших лучей (световое поле). Такое изображение можно позднее «перефокусировать» любым нужным образом (в любой плоскости). Идея подобных камер была выдвинута в 1908 году, а несколько лет назад компания Lytro решила производить цифровые версии, хотя особого распространения они пока не получили.

Каждый пиксель матрицы Dual Pixel состоит из двух отдельных фотодиодов — «правого» и «левого». Таким образом, при автофокусировке вся матрица делится на две субматрицы, «правую» и «левую», с таким же разрешением, как и основная матрица. Сравнение сигналов с двух половинок обеспечивает точность выше, чем у гибридных, а скорость гораздо выше, чем у контрастных систем АF (скажем, в Samsung Galaxy S7 время фокусировки составляет менее 0,2 с). Поскольку Dual Pixel является фазовой системой АF, она позволяет отслеживать движение объекта в кадре. А в момент съемки обе субматрицы работают как единое целое, не происходит никакого падения светочувствительности, что важно для смартфонов с их небольшими матрицами. Поэтому такая система на сегодняшний день представляет собой вершину эволюции систем АF. Конечно, до тех пор, пока инженеры опять не придумают что-нибудь новое.

Сонары, радары и лидары

Отдельную ветку на эволюционном древе автофокусировки занимают внешние (относительно оптической системы камеры) дальномеры с прямым измерением расстояния. Одной из первых фотокамер с системой автофокусировки стала модель Polaroid SX-70 Sonar OneStep (1978), оснащенная, как понятно из ее названия, дальномером на основе ультразвукового сонара. Архаика? Вовсе нет, сонарные дальномеры для камер существуют и сейчас. Их выпускает, например, компания RedRockMicro — правда, не для автоматической, а для дистанционной ручной фокусировки профессиональных камер. Более новый принцип определения расстояния, лазерная локация, сейчас активно используется не только в строительной и военной технике, но и в некоторых смартфонах (LG G3) — в дополнение к обычной системе контрастной автофокусировки. В патентах Sony упоминается радарная автофокусировка, но серийных образцов подобного типа на рынке не представлено.

Редакция благодарит Markus Kohlpayntner за помощь в подготовке статьи.

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.