Две стороны медали
Камера Nikon D5200. Высочайшая точность 39-точечной системы АФ с девятью крестообразными датчиками обеспечивает исключительную резкость изображений благодаря четкой фокусировке на выбранном объекте.
В современных камерах сейчас, как правило, используются так называемые пассивные принципы работы автофокуса - фазовый и контрастный. К слову сказать, существуют еще и активные - ультразвуковой и инфракрасный, но их применяют очень мало (в камерах с моментальными снимками и для некоторых компактов).
Фазовый автофокус
Фазовый автофокус традиционно используется в зеркальных фотокамерах (иногда в компактных), тогда как контрастный изначально применяют в незеркальных моделях. В обоих случаях для удачного наведения фокуса главную роль играет контрастность фокусной точки.
Главную функцию в обеспечении работы фазового автофокуса выполняют специальные датчики. Их число варьируется в зависимости от модели фотоаппарата, например, в Nikon D3200 их одиннадцать, тогда как в Nikon D800 - пятьдесят один. С помощью специальных зеркал датчики ловят световые потоки и распределяют их на светочувствительные сенсоры. Датчики фиксируют расстояние между потоками, и если оно соответствует определенному стандартному параметру - наводка точная, если расстояние больше или меньше - нужно фокусироваться еще раз. Таким образом, при наведении объектива камера изначально определяет, верно ли наведен фокус, если нет, то в каком направлении его нужно изменить для достижения наилучшего результата. Скорость фокусировки у фазовой системы высокая и главным образом зависит от расторопности мотора объектива.
Nikon Advanced Multi-CAM 3500FX - наиболее продвинутый модуль автофокусировки на данный момент. 51 датчик, 15 из которых - повышенной точности. Он дает возможность индивидуального выбора и конфигурации настроек зоны покрытия в 9, 21 и 51 точку.
Количество сенсорных датчиков ограничено, они покрывают лишь некоторую часть кадра. Наиболее распространены два типа датчиков - вертикальные и горизонтальные. Совмещая оба варианта, получаем наибольшую точность фокусировки. Последний подход достаточно дорог и технически сложен, так что количество таких датчиков обычно не столь велико, как вертикальных. Также существует нюанс с подбором объектива. И здесь модели с более высокой светосилой (например, f/2.8) предпочтительнее. Высокая светосила позволяет увеличить точность фокусировки, тогда как использование объективов с более низкой светосилой, наоборот, снижает ее скорость фокусировки и порой приводит к тому, что объектив начинает издавать характерные звуки, которые в профессиональном жаргоне часто именуют "рысканьем".
Рассмотрим систему автофокуса на примере Nikon D800. Она насчитывает 51 датчик, из которых 15 - крестообразные. Они расположены вертикально по центру в три ряда. Все 15 действуют с объективами с максимальной диафрагмой не более f/5.6. При диафрагмах f/5.6 - f/8.0 их становится девять, а при значении f/8.0 - всего один крестообразный (центральный) и десять обычных. Схема расположения датчиков аналогична системе автофокуса Nikon D4.
Отметим, что число активных вертикальных датчиков также варьируется в зависимости от диафрагмы объектива, чем "темнее" объектив, тем их меньше. Без автофокуса можно остаться, используя телеконвертеры, например, Nikon TC-20E III с коэффициентом увеличения 2.0х. Если взять объектив с диафрагмой f/5.6, актуальное значение параметра при использовании упомянутого телеконвертера уменьшится на два полных стопа и составит f/11. В этом случае уже придется наводить фокус вручную.
Контрастный автофокус
А что же контрастный автофокус? В последние годы он получил большую популярность в незеркальных цифровых фотокамерах. Суть работы довольно проста: система считывает картинку с матрицы, анализируя степень контрастности точки фокуса, далее принимает решение о корректировки фокуса объектива, для поиска оптимального значения. Процесс повторяется до тех пор, пока система не найдет наилучшее значение контрастности. Все это занимает время, усложняет ситуацию тот факт, что автофокус в начале процесса может ошибочно пойти вперед или назад, это отнимет еще немного времени. Думаем, многим доводилось наблюдать, как камера фокусируется в одном крайнем положении, потом в другом и только после этого начинает "опознавать" объект съемки. Есть и другой момент - пока камера считывает информацию с сенсора, проходит некоторое время. В итоге можно наблюдать ситуацию - кнопку спуска нажали, кадр делается с некоторой задержкой, и момент упущен. Но нет худа без добра: простая рабочая схема (сенсор и объектив) делает ее дешевле и много компактнее, кроме того этот подход обеспечивает более точную работу автофокуса.
Система Nikon 1 совмещает в себе фазовую и контрастную систему автофокуса, что обеспечивает высокую скорость и точность фокусировки везде и всегда.
Отвлечемся от DSLR-камер и вспомним о том, что инженеры Nikon сумели совместить оба подхода в линейке Nikon 1. В камерах серии J и V используется гибридная система автофокуса: в хороших условиях съемки задействуется фазовый подход, при ограниченном освещении - контрастный. Это позволило реализовать полноценную систему следящего автофокуса и существенно ускорить сам процесс.
Бывают случаи, когда ни один из подходов не поможет, возможности сфокусироваться из-за минимального освещения и/или низкого уровня контрастности нет. На такие случаи жизни камеры снабжаются системой активного автофокуса, а именно подсветкой. Она существенно снижает скорость процесса фокусировки, зато позволяет сделать успешный снимок.
Принципы работы системы автофокуса.
Фокусировка – больной вопрос для большинства фотолюбителей (да и профессионалов тоже). Поверьте, или проверьте: любой фотографический форум убедит Вас, а тесты фотоаппаратов обязательно содержат раздел, посвященный исключительно работе автофокуса.
Обсуждения же автофокуса на фотографических форумах чаще всего заканчиваются взаимными обвинениями в невежестве или виртуальным хватанием за лацканы пиджака с криками «А ты кто такой?!». Подумалось мне заняться самообразованием и разобраться - на бытовом уровне, как работает автофокус в современных цифровых фотоаппаратах. Оказалось, что материалов в сети очень немного, а понятных человеку без специального образования – еще меньше. Результаты поисков и компилирование информации (спасибо ЛензРенталз!) изложены ниже.
В современных цифровых фотоаппаратах используются две системы автофокуса: контрастный автофокус и фазовый автофокус. Давайте начнем с более простой (и менее распространенной в «зеркалках») системы автофокуса: контрастного автофокуса.
Контрастный автофокус
Контрастный автофокус работает следующим образом: процессор оценивает гистограмму, получаемую с матрицы фотоаппарата, немного перемещает линзы объектива – смещая точку фокусировки, затем производит переоценку, чтобы увидеть, повысился или снизился контраст. Если контраст повысился, фотоаппарат продолжает смещать точку фокусировки в выбранном направлении, пока изображение не станет максимально контрастным. Если же контраст снизился, объективу дается указание смещать точку фокусировки в другую сторону. Процесс повторяется до достижения максимального контраста (что по существу означает продвижение точки фокусировки чуть дальше положения максимального контраста и возврат к точке, после которой контраст начал снижаться). «Сфокусированное» методом контрастного автофокуса изображение – это изображение с максимальным контрастом.
Если ваша камера показывает гистограмму в режиме Live View можно вручную фокусироваться по контрасту.
При контрастном автофокусе оценивается изображение с небольшого участка матрицы – используемого в качестве датчика и совпадающего с точкой фокусировки, выбранной фотографом. Это позволяет выбрать объект, на котором нужно сфокусироваться, и избавляет процессор фотоаппарата от необходимости оценивать контраст всего изображения – оценивается контраст только в выбранных точках автофокусировки.
Недостатки контрастного автофокуса
Основным недостатком контрастного автофокуса является его неторопливость. Многоходовый процесс «сдвиг точки фокусировки/линз объектива – оценка – сдвиг – оценка» требует времени, да и фотоаппарат может начать с перемещения точки фокусировки в неправильном направлении – потом нужно будет возвращаться. Из-за крайне невысокой скорости и невозможности следящей фокусировки, контрастный автофокус мало подходит для динамичных сюжетов. Медлительность усложняет даже съемку неподвижных объектов. Контрастный автофокус значительно более чем фазовый зависит от хорошего освещения, да и - что очевидно - требует хорошей контрастности объекта, на котором производится фокусировка.
Преимущества контрастного автофокуса
Есть у контрастного автофокуса и преимущества, благодаря которым он не только до сих пор используется в фотоаппаратах, но и увеличивает свое присутствие. Во-первых, система контрастного автофокуса проще. Она не требует дополнительных датчиков и микросхем, которые нужны для фазового автофокуса. Простота снижает стоимость и (а для многих цена важнее скорости) является основной причиной использования контрастного автофокуса в компактных цифровых фотоаппаратах. (Другая причина состоит в том, что глубина резкости у компактных фотоаппаратов изначально больше и требования к точности автофокуса существенно ниже).
Простота системы контрастного автофокуса уменьшает ее размер. Например, появившиеся недавно беззеркальные цифровые фотоаппараты со сменной оптикой стремятся к миниатюрности, а система контрастного автофокуса не требует «отводить» изображение в сторону от матрицы фотоаппарата: значит не нужны призмы, зеркала и линзы, необходимые для системы фазового автофокуса. Миниатюрность - одно из важнейших преимуществ беззеркальных фотоаппаратов со сменной оптикой - все они используют контрастный автофокус.
Второе преимущество состоит в том, что в системе контрастного автофокуса используется матрица фотоаппарата. Нет необходимости «отвода» пучка света через специальные призмы и зеркала на дополнительные датчики, которые могут быть неотюстированы по отношению к матрице фотоаппарата. При контрастной автофокусировке оценивается реальное изображение на матрице фотоаппарата, а не отдельное изображение, которое должно быть (а «должен» еще не значит, что так и есть) точно выверено на соответствие с матрицей.
Именно по этой причине контрастный автофокус обеспечивает более точную автофокусировку, чем фазовый. Подчеркну: "при использовании матрицы для контрастной фокусировки". В зеркальных фотоаппаратах Olympus и Sony для контрастного автофокуса в режиме Live View используется дополнительная, меньшая матрица, а значит - как и в любой системе, требующей юстировки - остается возможность неправильной юстировки.
В целом, система контрастного автофокуса проще, дешевле, меньше по размерам, и теоретически более точна, чем фазовый автофокус. Но она намного медленнее. Производители прилагают все усилия, чтобы ускорить контрастный автофокус, есть успехи, но в ближайшем будущем он будет оставаться более медленным.
Фазовый автофокус
Основные принципы
Систему фазового автофокуса (также известного как phase matching) предложила фирма Honeywell в 1970-х годах; впервые серийно ее использовали в фотоаппарате Minolta Maxxum 7000. Honeywell подала на Minolta иск за нарушение патентых прав и выиграла дело; так что производителям пришлось заплатить Honeywell за право использовать фазовую систему автофокуса.
Фазовый автофокус основан на принципе, согласно которому, исходящие/отраженные от точки, находящейся в фокусе, лучи будут в равной степени освещать противоположные стороны объектива («будут находиться в фазе»). Если объектив сфокусирован перед или позади этой точки, эти лучи света по-разному проходят через края объектива («находятся не в фазе»).
Большинство существующих систем фазового автофокуса используют зеркала, линзы или призмы (разделители пучка), чтобы разделить лучи, проходящие через противоположные края объектива на два луча; и вторичную систему линз, чтобы снова сфокусировать эти лучи на датчике автофокуса (как правило, CCD). Этот датчик определяет, куда падают лучи света проходящие через противоположные края объектива. Если точка находится в фокусе, лучи попадают на датчик на определенном расстоянии друг от друга. Если объектив сфокусирован ближе или дальше требуемой точки, расстояние между этими лучами будет меньше или больше. Много слов, давайте попробуем посмотреть на графическое отображение процесса - (рис. 1).
Рис. 1 Принцип работы фазового автофокуса
Сразу оговорюсь: описание и рисунок дают очень упрощенное объяснение принципа работы фазового автофокуса – для того лишь, чтобы получить представление о том, «как это работает». Физика и механика процесса, описание которых заняло бы не одну страницу, полную формул, цифр и других непонятностей, остались «за кадром».
На рисунке ясно видно, что процессор фотоаппарата в системе фазового автофокуса сразу определяет, сфокусирован объектив слишком близко или слишком далеко от объекта, так что один из недостатков контрастного автофокуса (камера не знает, в какую сторону смещать точку фокусировки) изначально отсутствует - вместо перемещения вперед и назад и определения в каком направлении лежит большая контрастность, в фазовом автофокусе процессор сразу видит, в какую сторону смещать точку фокусировки.
А дальше идет процесс. Каждый автофокусный объектив оснащен микропроцессором, сообщающим фотоаппарату о своем присутствии и состоянии, например, "Я объектив 50/1.4 и мой фокусирующий элемент находится в положении на 20% ближе, чем бесконечность" - или нечто подобное. Когда Вы нажимаете на кнопку затвора наполовину, происходит следующее:
Фотоаппарат считывает данные с датчика автофокуса, сверяется с массивом данных, содержащих сведения о свойствах автофокусных объективов этого производителя, делает некоторые расчеты и говорит объективу что-то вроде "Передвинь точку автофокуса вот настолько к бесконечности".
В объективе есть датчики и микросхемы, измеряющие либо количество тока, поданного на моторчик фокусировки, либо насколько передвинулся фокусирующий элемент. Объектив смещает фокусировочный элемент и посылает сигнал фотоаппарату "почти у цели".
Фотоаппарат перепроверяет данные с датчиков автофокуса, и отправляет сигнал объективу к более точной настройке; процесс точной фокусировки может повторяться несколько раз, пока объектив не сфокусируется «точно в цель». Если что-то идет не так, происходит печально известное "рысканье" объектива.
После фокусирования, фотоаппарат приказывает объективу зафиксировать фокус, и информирует фотографа (звуком и индикатором в видоискателе). Весь процесс занимает толику секунды. Очень быстро.
Схема фазового автофокуса
Датчик автофокуса не может находиться перед матрицей, поэтому производители используют частично прозрачные области в зеркале, пропускающие свет на вторичное зеркало, от которого он и отражается на датчик автофокуса (рис. 2).
Рис. 2 Схема фазового автофокуса
Обычно датчик автофокуса располагается под основным зеркалом (рис. 3) вместе с датчиками экспозамера. Красной стрелкой показан датчик автофокуса фотоаппарата Canon EOS 5D. Изображение взято с сайта Canon, USA
Рис. 3 Расположение датчика автофокуса
Типы датчиков фазового автофокуса
Каждый датчик способен оценить лишь небольшую часть изображения. Горизонтальные датчики точнее работают с вертикальными деталями. В большинстве изображений вертикальные детали преобладают, поэтому горизонтальных датчиков больше. Есть и вертикальные датчики, как правило, расположенные крестообразно с горизонтальными (рис. 4). Некоторые фотоаппараты оборудованы даже диагональными датчиками фазового автофокуса.
Некоторые датчики автофокуса (почти всегда располагаются в центре), с помощью различных линз и размера самого датчика, достигают большей точности автофокуса, особенно при использовании светосильных объективов. Чаще всего они включаются в работу только при использовании объективов со светосилой f/2.8 или светлее. На рисунке 4, например, показано, что при использовании объектива f/2.8 будет использоваться крестообразный датчик, а для более темных объективов будет задействован лишь один менее точный датчик автофокуса.
Рис. 4 Крестообразный датчик автофокуса
В первых системах фазового автофокуса (и в некоторых современных фотоаппаратах среднего формата) был только один датчик в центре изображения. С ростом вычислительной мощности и инженерного мастерства добавлялись все новые и новые датчики. Сейчас у большинства фотоаппаратов их от семи/девяти и до 52. Можно – в зависимости от требований снимаемой сцены - выбрать один, все, или группу датчиков. Можно сообщить фотоаппарату какой датчик/датчики использовать.
Многочисленные датчики фазового автофокуса , совместно с процессором фотоаппарата, способны на замечательные вещи. Определяя, в каких датчиках движущийся объект находится в фокусе и как это изменяется – измеряя перемещение объекта и считывая показания через кратчайшие промежутки времени – фотоаппарат может предсказывать, где будет находиться движущийся объект через определенный промежуток времени. На этом основана работа следящего автофокуса.
Влияние светосилы объектива
Независимо от типа датчика, автофокус будет более точным при использовании светосильных объективов. В процессе фокусировки фотоаппарат максимально открывает объектив, закрывая диафрагму до выбранного вами значения только в момент открытия шторок. Фазовый автофокус тем точнее, чем шире угол лучей света. На приведенной схеме угол лучей, полученных от объектива f/2.8 (синие линии), будет больше, чем от объектива f/4 (красные линии), которые в свою очередь больше, чем от объектива f/5.6 (желтые линии). При использовании объектива с максимальной диафрагмой f/8, только самые точные датчики способны работать, но фокусировка будет медленной и менее точной. Именно по этой причине прекращают автофокусироваться объективы f/5.6, когда мы пытаемся использовать телеконвертер, снижающий их максимальную светосилу до f/8 или f/11.
Преимущества фазового автофокуса
Основные преимущества фазового автофокуса мы уже упомянули:
Он много быстрее контрастного - достаточно быстр для съемки движущихся объектов.
Фотоаппарат способен использовать группу датчиков для оценки движения объекта, что дает нам следящий/предикативный автофокус.
Есть и менее явные преимущества. Группы датчиков фазового автофокуса могут использоваться для "электронного ГРИП " – предварительной оценки глубины резкости. Некоторые фотоаппараты (правда, их немного) оснащены функцией автофокусной ловушки (trap autofocus) – они делают снимок в момент, когда что-то попадает в активную точку фокусировки. Если датчики обнаруживают движение в статической сцене, они могут сообщить о недопустимом шевелении фотоаппарата. Но – основное - скорость и следящий автофокус
Недостатки фазового автофокуса
Во-первых, система фазового автофокуса требует физической юстировки . Путь света к матрице фотоаппарата должен быть согласован с путем света к датчику автофокуса так, чтобы предмет, находящийся в фокусе на датчике автофокусировки был в фокусе и на матрице. Каждый объектив должен содержать микросхему, обеспечивающую обратную связь с фотоаппаратом и сообщающую ему информацию о точном положении фокусирующего элемента, о том, на какое расстояние элемент перемещается при подаче определенного тока на моторчик автофокуса. Все это должно быть точно согласовано и выверено таким образом, чтобы объектив смещал точку фокусировки именно туда, куда ему указал фотоаппарат, а фотоаппарат знал точное положение этой точки. Малейшая несогласованность приводит к неточной фокусировке.
Во-вторых, система требует программной настройки . Каждый фотоаппарат и объектив программируются производителем, в память вносится большое количество данных. Благодаря этим данным обеспечивается согласованная работа фотоаппарата и объектива, а точность автофокуса иногда может быть улучшена путем обновления прошивок. Такие обновления часто выпускаются вслед за появлением новых объективов.
Производители скрывают алгоритмы работы своих систем фазового автофокуса. Сторонние производители объективов вынуждены экспериментальным путем считывать и декодировать сигналы, которыми обмениваются фотоаппарат и объектив и на основе этих данных разрабатывать свои микропроцессоры и свои алгоритмы. Из-за этого точность автофокуса при использовании объективов сторонних производителей может быть ниже. Изменение алгоритмов производителями фотоаппаратов приводит к тому, что автофокус на объективах сторонних производителей отказывается работать (их нужно перепрограммировать, как недавно произошло с Sigma AF 120-300/2.8 и Nikon D3X).
Как уже упоминалось, светосила объектива влияет на точность фазового автофокуса. Светосильные объективы способны фокусироваться в более сложных условиях. Обычно зависимость от светосилы не вызывает проблем, потому что у темных объективов большая глубина резкости. Однако, есть значения максимальной светосилы (как правило, f/5.6 или f/8), когда фазовый автофокус просто отказывается работать. (Помните, речь идет о максимальной светосиле объектива - фотоаппарат автоматически полностью открывает диафрагму объектива в процессе фокусировки, поэтому установленное значение не оказывает влияние на автофокус, если максимальная диафрагма объектива соответствует возможностям фотоаппарата).
Поскольку свет попадает на датчики автофокуса только когда зеркало опущено, они перестают работать в момент снимка, и не начинают работать до того, пока зеркало не вернется в исходное положение. Именно поэтому фазовый автофокус не работает в режиме Live View, а следящий автофокус может ошибаться при серийной съемке.
Есть и другие проблемки, которые мы не замечаем. Линейные поляризационные фильтры мешают фазовому автофокусу. Линейных поляриков сейчас осталось немного, но бывает, что купив его «по-дешевке» владелец потом удивляется неточности автофокуса. Фазовый автофокус может просто «сдуться» на некоторых сюжетах (типа шахматной доски или решетки), а контрастный легко справляется с ними.
Live View:
Я выделил режим Live View, потому что именно он заставляет производителей работать над усовершенствованием контрастного автофокуса и над созданием гибридных систем. Как уже упоминалось, контрастный автофокус обладает определенными преимуществами, а преодоление его ограничений будет на пользу всем фотографирующим.
Olympus и Sony уже создали системы, которые разделяют пучок света, отправляя часть в видоискатель, а часть – на дополнительный датчик изображения. Такая система позволяет пользоваться фазовым автофокусом даже в режиме Live View. Но и риск неточной фокусировки возрастает, ведь используется не матрица, а вспомогательный датчик.
Canon описал систему, которая использует фазовый автофокус на начальном этапе, а затем тонко подстраивает фокусировку при помощи контрастного автофокуса.
Nikon кажется, подал заявку на патентование принципа, когда определенные пиксели матрицы фотоаппарата будут использоваться в качестве датчиков фазового автофокуса. Это – по-моему – будет просто революцией.
FujiFilm уже выпустил линейку компактных цифровых фотоаппаратов с гибридной системой автофокуса.
Поживем, увидим. Но очевидно, что впервые за последние годы изменения систем автофокуса могут быть революционным, а не эволюционными. Что – согласитесь – таит для фотолюбителей много интересного и захватывающего.
Статья очень полезная! Спасибо!
И еще раз огромное спасибо за добрые слова и отзывы! Очень рад, если материал показался полезным и интересным.
А вопрос можно?
Чувствителен ли датчик к спектральному составу света, и как это влияет на точность фокусировки?
Спасибо.
написано в заголовке "ПРОСТО об автофокусе", где ж тут блин просто? конечно написано доступно, но оооочень сложным языком, ни грамма упрощения
Статьи и Лайфхаки
Общеизвестно, что гибридный автофокус, будучи использован в смартфоне или фотоаппарате позволяет достичь куда лучших результатов, чем любой другой метод фокусировки в отдельности.
Рассмотрим, какие бывают варианты этой технологии, на каком принципе они работают, и основные их преимущества.
Основные разновидности автофокуса
На сегодняшний день в смартфонах используются три технологии, использующие совершенно разные физические принципы. Идеальной ни одну из них назвать нельзя: собственно, именно поэтому возникла идея их «скрещивания».Контрастный афтофокус работает путем последовательных микроперемещений линзы, после каждого из которых процессор камеры производит анализ контрастности полученного изображения.
Плюсы :
- Отсутствие сложной аппаратной части.
- Высокая точность работы.
- Низкая стоимость производства.
- Чрезвычайно медленная скорость работы.
- Перемещение фокуса осуществляется «вслепую», путем последовательного перебора позиций.
Фиксируемая таким образом разница фаз позволяет быстро определить направление и величину требуемого смещения фокуса.
Плюсы :
- Более высокая скорость работы по сравнению с контрастным АФ.
- Возможность слежения за движущимися объектами.
- Сложность аппаратной и программной частей системы.
- Дороговизна, увеличивающая стоимость устройства в целом.
- Зависимость от условий освещения и светосилы объектива.
- Проблемы с фронт- и бэк-фокусом.
Плюсы :
- Ультимативно высокая скорость работы, позволяющая выполнить фокусировку за доли секунды.
- Отсутствие зависимости от освещенности.
- Достаточно простая конструкция.
- Ограниченное расстояние, на котором возможно использование этого типа АФ.
Контрастный плюс фазовый
Эта схема позволяет добиться высокой скорости работы в сочетании с точностью и минимальной зависимостью от освещенности. Несколько десятков датчиков фазовой детекции встраиваются в поверхность фотосенсора.
Их роль – «пристрелочная» фокусировка, благодаря которой положение фокуса определяется приблизительно, но зато очень быстро. Это избавляет необходимости от последовательного перебора большого количества позиций и связанных с этим потерь времени.
Окончательная доводка производится контрастным методом, не требующим высокой , но зато обеспечивающим хорошую точность.
Заодно снимается проблема фронт- и бэк-фокуса, вызванная неравномерным расположением датчиков на матрице.
Понятно, что такое сочетание требует филигранной работы программного обеспечения, но в современных устройствах с этим никаких сложностей не возникает, особенно с широким распространением искусственного интеллекта, для которого именно камеры стали основным местом приложения.
Фазовый плюс лазерный
Это сочетание правильнее будет назвать не гибридизацией, а комбинированием. Две системы аппаратно никак не связаны между собой – просто происходит «разделение обязанностей».
На коротких расстояниях задействуется лазерный АФ, а если до объекта съемки слишком далеко, чтобы он мог корректно работать, камера переключается на PDAF.
Известно и сочетание лазерного и контрастного типов фокусировки, а в некоторых моделях можно встретить все три варианта.
В заключение
Очень многие решения, используемые в камерах смартфонов, приходят из арсенала разработчиков фотоаппаратов.Тот же фазовый автофокус еще несколько лет назад использовался только в «зеркалках», и только недавно появился в флагманских моделях некоторых производителей.
То же самое касается и гибридного АФ: перед тем, как дебютировать на Samsung Galaxy S5, сочетание фазового и контрастного методов активно применялось в профессиональных камерах .
Совмещение нескольких типов автофокуса позволяет получить лучший результат работы и устранить проблемы, отдельным его видам, но при этом увеличивает стоимость аппаратной части.
Поэтому в настоящий момент подобные системы используются только в топовом сегменте мобильных устройств.
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.
Резкость — одна из важнейших составляющих качественной фотографии. Будучи достаточно резким, снимок может передать сюжет в мельчайших подробностях и деталях.
За резкость фотографии отвечает прежде всего фокусировка. О том, что это такое и как с ней работают современные фотоаппараты, мы сегодня и поговорим.
НЕМНОГО ТЕОРИИ И ИСТОРИИ
Объектив фокусируется не на конкретном объекте, а на определённой дистанции. Объектив, как и любой оптический прибор (например, проектор, бинокль, микроскоп, увеличительное стекло), может быть сфокусирован только на определённом расстоянии. И только объекты, находящиеся на этой дистанции, будут в кадре резкими. На некоторых объективах даже предусмотрена специальная шкала, показывающая дистанцию фокусировки в метрах. Во время фокусировки в объективе туда-сюда двигается блок линз, подобно тому, как мы двигаем обычную лупу, разглядывая мелкие предметы: лупа покажет их резкими только тогда, когда будет находиться на нужном расстоянии от них.
Nikon D810 / Nikon 85mm f/1.4D AF Nikkor
При наведении на резкость мы настраиваем объектив на определённую дистанцию фокусировки.
Nikon D810 / Nikon 85mm f/1.4D AF Nikkor
Ошибка с этим параметром грозит тем, что главный объект снимка получится нерезким.
Интересное следствие из предыдущего пункта: если в кадре есть несколько объектов, которые расположены на разных дистанциях, то просто так на всех них сфокусироваться не получится. Но есть решение: уместить все объекты в глубину резкости . О том, как с ней работать, мы писали в отдельных уроках . Отметим, что на устройствах с очень маленьким по размеру сенсором (например, на смартфонах или компактных фотоаппаратах) глубина резкости будет очень большой. Именно поэтому на такие устройства легко сделать кадр, где резким получится как передний, так и задний план. Но по этой же причине с ними практически невозможно размыть фон на снимке.
Раньше фотографы самостоятельно фокусировали объектив. Сегодня функция ручной фокусировки сохранилась практически в любой фотокамере. А в зеркальной фототехнике она присутствует всегда. Минус ручной фокусировки в том, что для точного наведения на резкость вам потребуется много времени. А если ваш объект ещё и двигается, то ручная фокусировка превращается в настоящее испытание нервов, координации и зрения фотографа. Начиная с 80-х годов прошлого столетия стали развиваться системы автоматической фокусировки. Тогда компания Nikon представила свою первую камеру , наделённую автофокусом — Nikon F3AF.
Фотоаппарат Nikon F3AF — первая автофокусная зеркальная камера от Nikon.
Nikon FM10 — единственная зеркалка Nikon без автофокуса, которую можно до сих пор купить не только на вторичном рынке, но и в официальных магазинах. И да, к тому же это плёночная фотокамера.
C тех пор фотокамеры, наделённые функцией автофокуса, вытеснили более простые модели, лишённые её. Сегодня практически не выпускают фотоаппараты без автоматической фокусировки.
Nikon D7200 — современная камера с продвинутой системой автофокуса.
Можно говорить о том, что в наши дни автофокус стал неотъемлемой частью современной фотокамеры. Системы автоматической фокусировки совершенствуются с каждым годом, становясь всё быстрее, чувствительнее и гибче в работе.
КАК РАБОТАЕТ АВТОФОКУС?
Система автоматической фокусировки — это комплекс датчиков и механизмов. Аппарату нужно оценить будущий кадр, понять, на какой дистанции нужно сфокусироваться, а после этого ещё и соответствующим образом передвинуть блок линз в объективе так, чтобы он проецировал на сенсор резкое изображение.
По принципу работы различают два основных типа систем автофокуса.
ФАЗОВАЯ ФОКУСИРОВКА
Проверенный временем тип автоматической фокусировки. Такой тип автофокуса является основным для зеркальных фотоаппаратов. Мы знаем, что ключевой элемент зеркальной камеры — это, собственно, зеркало. Благодаря ему мы можем видеть изображение, получаемое прямо через объектив аппарата. Но на этом функции зеркала не заканчиваются. И кстати, зеркало в камере не одно: там имеется целая система зеркал. Она устроена таким образом, что часть отражённого света отправляется в видоискатель, а часть попадает на специальный модуль, на котором установлены датчики. Современный модуль автофокуса может содержать десятки таких датчиков. Производители стараются располагать датчики так, чтобы они покрывали максимально возможную площадь кадра, дабы фотограф мог сфокусироваться на любом фрагменте будущей фотографии.
Перед фотографом эти маленькие датчики предстают как точки фокусировки в видоискателе. Думаю, они знакомы всем. Фотограф волен выбрать самостоятельно нужную точку (читай «отдельный датчик на модуле фокусировки»), а может доверить этот выбор автоматике аппарата.
Красный квадратик — выбранная точка фокусировки. Выбрав её, фотограф «приказал» фотокамере задействовать при фокусировке соответствующий ей датчик на модуле автофокуса.
Для анализа изображения каждый датчик оснащён собственной миниатюрной матрицей шириной в 1 пиксель и длиной в несколько десятков пикселей. При этом некоторые датчики оснащаются двумя такими матрицами, установленными крестом. Датчики крестового типа более чувствительны, поэтому они размещаются в ключевых местах, а вокруг них располагаются обычные. К примеру, по центру кадра почти всегда располагается датчик крестового типа. Фотографы знают, что центральная точка автофокуса — самая цепкая и чувствительная.
Модуль фазовой фокусировки фотоаппарата Nikon D750 оснащён 51 датчиком, 15 из которых крестового типа.
Система автофокуса вступает в работу тогда, когда вы нажали кнопку спуска наполовину. Также на некоторых аппаратах существует специальная кнопка активации автофокуса. Модуль фокусировки сообщает фотокамере, на какую дистанцию нужно сфокусировать объектив, чтобы получить резкое изображение в выбранной точке. Для этого запускается специальный моторчик, который двигает линзы объектива, наводясь на резкость.
Теперь фотокамере остаётся сфокусировать объектив, и когда это произойдёт, можно будет делать снимок.
ПЛЮСЫ ФАЗОВОГО ТИПА ФОКУСИРОВКИ:
· Скорость работы. Данный тип фокусировки является самым быстрым на сегодняшний день. Отметим, что скорость работы всей системы автофокуса будет зависеть и от прочих факторов (к примеру, от скорости привода фокусировки в объективе).
· Высокая чувствительность. Датчики фазовой фокусировки могут работать даже при очень скудном освещении.
Nikon D810 / Nikon AF-S 50mm f/1.4G Nikkor
Слабое вечернее освещение не помешало мне быстро сфокусироваться там, где я пожелал.
· Высокая точность и скорость следящего автофокуса. Благодаря чувствительным датчикам и продвинутой электронике современные аппараты в режиме следящей фокусировки позволяют не терять из фокуса даже очень быстро двигающиеся объекты, следя за ними по всему полю кадра.
Nikon D810 / Nikon 70-200mm f/4G ED AF-S VR Nikkor
Благодаря высокой скорости работы фазовый тип автофокуса отлично подходит для съёмки динамичных сюжетов, в том числе с участием детей и животных.
МИНУСЫ ФАЗОВОГО ТИПА ФОКУСИРОВКИ:
· Возможность работы только через оптический видоискатель. Ведь только когда зеркало фотокамеры опущено, свет попадает и в видоискатель, и на датчики фокусировки.
· Из первого пункта вытекает второй: невозможность использования фазового автофокуса в момент записи видео.
· Из-за сложности всей системы фокусировка фазового типа может страдать от бэк- и фронт-фокуса. При этом камера будет систематически фокусироваться чуть-чуть дальше объекта съёмки или немного перед ним. Итог один: сам объект, на котором камера фокусировалась, в итоге окажется немного нерезким. Проблема бэк- и фронт-фокуса решается настройкой оборудования в сервисном центре. В случае продвинутых фотокамер (начиная с Nikon D7200) настроить фокусировку можно самостоятельно прямо в меню аппарата.
· Неполное покрытие датчиками фокусировки площади кадра. Наверняка вы замечали, что все точки фокусировки обычно расположены ближе к центру кадра, тогда как с краю нет ни одной. Это связано с конструктивными особенностями всей системы фазовой фокусировки. Тут общая закономерность проста: чем более продвинутая камера у вас в руках, тем, как правило, больше датчиков фокусировки в ней установлено, и тем большая площадь кадра ими покрыта. Впрочем, стоит сказать, что некоторые профессионалы часто используют вообще одну-единственную центральную точку фокусировки и другими почти не пользуются. Ведь центральная точка фокусировки самая чувствительная, а после фокусировки по центру кадра снимок всегда можно перекомпоновать.
КОНТРАСТНЫЙ ТИП ФОКУСИРОВКИ
Этот тип фокусировки устроен проще: для него не нужен специальный отдельный модуль и система зеркал, ведь «датчиком фокусировки» выступает сама матрица фотоаппарата. Электроника камеры анализирует картинку, получаемую матрицей, и оценивает её контраст в выбранной точке. Если контраст не максимальный, она пытается перефокусировать объектив так, чтобы контраст увеличился. Так автоматика постепенно добивается максимальной детализации картинки в выбранной точке.
В современных зеркальных фотокамерах этот тип фокусировки используется при работе в режиме Live View. В беззеркальных же камерах он является основным.
ПЛЮСЫ КОНТРАСТНОГО ТИПА ФОКУСИРОВКИ:
· Простота и надёжность конструкции. Для реализации этого типа фокусировки не требуется дополнительных датчиков, зеркал и прочего. Именно благодаря такой простой конструкции беззеркальные аппараты, где используется только контрастный автофокус, столь компактны: из них убрали систему зеркал и модуль фазовой фокусировки. К тому же, поскольку аппарат ориентируется не на показания отдельно расположенного модуля фокусировки, а непосредственно на матрицу фотокамеры, при контрастной фокусировке исключены случаи бэк- и фронт-фокуса.
· Фокусироваться можно по всему полю кадра, а не только в пределах имеющихся точек фокусировки. Модули фазового автофокуса часто грешат тем, что все их (пусть и многочисленные) датчики находятся аккурат в центре кадра. Это не даёт сфокусироваться по краю снимка — там просто нет ни одной точки фокусировки. Таких проблем не знает контрастная фокусировка. Здесь мы можем выбрать любое место на плоскости будущего снимка для наводки на резкость (даже с самого края), ведь есть возможность задействовать в фокусировке любую область матрицы фотокамеры.
Экран Live View камеры Nikon D810 . Точку контрастного автофокуса (красный квадратик в левом верхнем углу) можно перемещать по всему полю кадра, в том числе «загоняя» её впритык к краям кадра. Такого не позволит сделать фазовый автофокус.
Но тут стоит сделать оговорку: в беззеркальных камерах функция контрастного автофокуса реализована так, что всё же выбор точек фокусировки несколько ограничен, они не покрывают абсолютно всей площади кадра.
· Возможность реализации дополнительных функций фокусировки, таких как распознавание лиц.
· Возможность использования автофокуса в момент видеозаписи. Однако пока эта возможность есть не во всех аппаратах, оснащённых контрастной фокусировкой.
· Теоретически высокая точность фокусировки. Сам принцип контрастной фокусировки позволяет добиться идеального качества фокусировки. Однако касательно её точности есть ряд оговорок, зависящих от реализации системы в конкретных аппаратах. Об этом мы поговорим в «минусах».
МИНУСЫ КОНТРАСТНОГО ТИПА ФОКУСИРОВКИ:
· Медленная скорость работы. Наверняка все владельцы зеркалок замечали, что в режиме Live View камера фокусируется медленнее. Всему виной как раз контрастный автофокус, использующийся в этом режиме. Пускай с каждым следующим поколением фотокамер скорость работы фазового автофокуса увеличивается, пока что по этому критерию он уступает фазовому типу.
· Требовательность к освещению. Скорость работы контрастной фокусировки упадёт ещё сильнее, если снимать при недостаточном освещении.
· Практическая реализация контрастного автофокуса не всегда идеальна. Мы уже говорили о том, что практическое исполнение в различной фотоаппаратуре контрастного автофокуса не всегда раскрывает его теоретические достоинства. И вот ещё одна особенность: некоторые модели фотокамер предлагают фотографу фокусироваться не по конкретной точке изображения, а по крупной рамке, перемещаемой по плоскости кадра. Внутри неё может уместиться множество разных деталей, а значит, возможны и ошибки фокусировки: кто знает, на что именно внутри этой рамки захочет сфокусироваться камера?.. Поэтому недорогие беззеркалки (в которых такая ситуация и случается) не очень удобно использовать со светосильной оптикой. Прежде всего, они созданы для работы с универсальными китовыми объективами, не обладающими высокой светосилой. Поэтому, имея недорогую беззеркальную камеру, не спешите дополнять комплект светосильной портретной оптикой: вполне возможно, большинство ваших снимков будет не совсем резкими. C другой стороны, если фотокамера позволяет фокусироваться по очень малому участку кадра, наоборот, можно добиться точной наводки на резкость при работе со светосильной оптикой.
Экран фотокамеры Nikon D810 . Красный прямоугольник — зона фокусировки контрастного автофокуса. Она достаточно маленькая для точной фокусировки даже со светосильной оптикой.
· Ограниченные возможности по съёмке быстрого движения ввиду медленной работы всей системы контрастного автофокуса. Она просто не будет успевать за объектом в движении.
АВТОФОКУС В СОВРЕМЕННЫХ ЗЕРКАЛЬНЫХ ФОТОАППАРАТАХ. КОГДА КАКОЙ ИСПОЛЬЗОВАТЬ?
На сегодняшний день в зеркальных камерах используются оба типа фокусировки. Фазовый тип используется при обычной съёмке через оптический видоискатель, он быстр, точен, чувствителен. Переключаясь в режим Live View, вы задействуете контрастный автофокус. Таким образом, вы можете выбирать тот тип фокусировки, который наиболее оптимален в данной съёмочной ситуации. К примеру, я использую фазовый автофокус при съёмке динамичных сюжетов, при работе с недостаточным освещением. Во время съёмки натюрмортов или пейзажей я предпочитаю контрастный автофокус в режиме Live View: он позволяет фокусироваться в том месте кадра, в котором я захочу, без последующей перекомпоновки.
Вместо заключения хотелось бы напомнить о том, что в 90% случаев размытые кадры получаются не по вине техники и системы автофокуса, а по вине фотографа. Ведь мало иметь мощный инструмент, нужно научиться с ним работать. Автоматическая фокусировка имеет множество параметров и настроек, существует большое количество приёмов работы с автофокусом. О них мы поговорим в следующих уроках.