Как работает автофокус камеры телефона

Еще несколько лет назад камеры на смартфонах были скромными по характеристикам и простые в устройстве. Сегодня флагманы рынка имеют в своем составе камеры с оптической стабилизацией изображения, высокой светочувствительностью, состоящие из большого количества линз. Рассмотрим работу автофокуса в телефоне.

Фокусировка методом катушек

Если смотреть на работу автофокуса со стороны механики, то рассмотрим пример.

Блок линз, представляет в сборке один модуль, свободно расположен в корпусе камеры. Для свободного передвижения (очень маленькие расстояния) блока линз используют пластиковые шарики, которые вмонтированы в этот внешний корпус камеры. По этим шарикам и перемещается блок линз.

По бокам блока линз в корпусе камеры расположены миниатюрные катушки из тонкого медного провода, такие катушки можно использовать как электромагниты.

В блоке линз вмонтированы несколько миниатюрных магнитов. Получается, что на катушки подается напряжение от системы автофокуса, создается магнитное поле, которое действует на магниты в блоке линз и модуль с линзами перемещается.

Это магнитное поле заставляет двигаться блок линз по шарикам в корпусе, о которых мы говорили выше. Возвратное движение обеспечивают пружины. Так достигается нужное положение линз в пространстве, чтобы объект оказался в фокусе на снимке или сработала стабилизация.

В положении покоя линзы размещены так, что фокус настроен на бесконечность.

При автофокусировке процессор вычисляет в фокусе ли объект по показаниям максимального контраста или фазовых датчиков или по лазерному дальномеру. И дает электронике указание подать на катушки электромагнита такое напряжение, чтобы сместить блок линз на нужное расстояние по отношению к матрице.

При использовании катушек (метод VCM) для создания магнитного поля есть свои недостатки:

• Электромагнитные материалы имеют такую характеристику, как гистерезис. Это физическое явление приводит к замедлению, неточности фокусировки, особенно на видео.
• Второй недостаток — это большая потребляемая мощность, обычно больше 100 мВт. Это разряжает батарею, выделяется тепло на катушках.
• И третий недостаток — это наклон и децентрирование линзы, который вносит погрешности в фокусировку.

И все эти недостатки усугубляются при увеличении количества пикселей, и уменьшении размеров камеры. Что и происходит сегодня.

MEMS в фокусировке камеры

Второй способ механической реализации фокусировки является использование MEMS приводов.

Микроэлектромеханические системы (МЭМС) — устройства, объединяющие в себе микроэлектронные и микромеханические компоненты.

Технология в MEMS-камере обеспечивает ультрабыструю фокусировку: в 7 раз выше (обычно в 3–4 раза), чем обладают другие камеры на смартфонах.

При этом приводы автофокуса камеры MEMS потребляют менее, чем 1 мВт. Это способствует продлению службы срока аккумулятора и сокращает тепловую нагрузку на датчик изображения, на объектив и другие прилегающие компоненты.

Технология MEMS позволяет объединить все три части линейного привода в единый компонент. Это блок для обеспечения вертикального перемещения, пружина для обеспечения возвратной силы и электростатический гребенчатый привод для перемещения блока.

Гребенчатый привод представляет собой пару электропроводящих гребенок, расположенных таким образом, что встречные зубья никогда не соприкасаются. При подаче постоянного напряжения результирующий заряд развивает силу притяжения, которая заставляет гребни соединяться вместе. Прикрепив линзу в центре, можно создать кремниевый привод MEMS с автофокусировкой.

Собранный МЕМС привод

При таком методе, перемещается только первая линза, а остальные крепятся в модуле, который остается неподвижным.

Камера с MEMS приводом

Преимущества:

• Передвигается только одна линза весом 3,5 мг, тогда как электромагниты в первом способе перемещают блок линз весом 45 мг. Из-за этого повышается скорость работы.
• В методе с катушками (VCM) нужно передвигать весь модуль на расстояние 250 мкм, а в случае использования МЕМС только 80 мкм.
• У МЕМС намного меньше влияние гистерезиса. Если здесь погрешность <1 мкм, то в случае использования электромагнитных катушек погрешность 10–20 мкм. Это приводит к фокусировке в несколько этапов с использованием обратной связи. У МЕМС фокусировка в один этап, а это скорость.

Общий размер камеры MEMS получается меньше, а долговечность больше.

Вам также может понравиться

Как работает автофокус в смартфоне?

Как работает автофокус в смартфоне? На этот вопрос нет простого ответа. Нужно разобраться с каждой разновидностью автофокуса, изучить особенности конкретной технологии фокусировки. Только после этого можно делать хоть какие-то выводы. Поэтому сейчас мы поговорим и о разновидностях технологий автоматической фокусировки, и о достоинствах и недостатках каждой из них.

Что такое фокус и автофокус камеры

Тут все просто: линза объектива преломляет лучи и собирает весь свет в одной точке – фокусе. И если в этой точке находится сенсор матрицы, то кадр получается более детализированным и качественным. Естественно этим физическим явлением пользуются все фотографы. Они помещают «в фокус» какую-либо часть кадра, настраивают объектив вручную и акцентируют внимание зрителя на переднем или заднем плане, главном объекте или второстепенной детали. Остальная часть картинки окажется размытой.

Ну а начинающие фотографы могут воспользоваться системой автоматической фокусировки, когда автоматика захватывает «в фокус» один или несколько объектов в кадре, управляя и объективом, и матрицей. И эти объекты (или объект) получаются максимально резкими и детализированными. И никакого мастерства и чувства кадра здесь уже не нужно.

Вероятно, именно поэтому цифровая фотография стала более популярной, чем пленочно-бумажная версия искусства. Ведь автофокус в камере телефона или дешевого фотоаппарата позволяет сделать детальный снимок без лишних усилий. Весь процесс сводится к простому правилу: «наводи и щелкай».

Разновидности автофокусов и базовые принципы их работы

Линза камеры фокусирует лучи, отраженные от предмета, расположенного в пространстве перед объективом. При наведении фокуса камера ориентируется на расстояние до объекта и на интенсивность свечения, исходящего от него. На сегодня существует две разновидности режимов автоматической фокусировки:

1. Активный вариант – он базируется на измерении расстояния с помощью локатора-дальномера.
2. Пассивный вариант – он работает со световым пучком, замеряя его интенсивность.

Первый (активный) режим использует лазерное инфракрасное или ультразвуковое излучение с известной скоростью распространения волны в воздухе. Модуль-излучатель испускает направленный поток, который отражается от объекта и улавливается модулем приемником через некоторый промежуток времени. Далее вычислитель автофокуса умножает это время на известную скорость распространения волны и делит результат на два, получая точное значение расстояния. Направив излучатель на нужную область, пользователь получает оптимальную фокусировку, ориентируя внимание зрителя именно на этот участок фотографии.

Второй (пассивный) режим устроен несколько иначе. Он использует особые датчики (фотодиоды), измеряющие интенсивность свечения и специальный процессор, который определяет фокус по величине этого параметра. На практике это выглядит вот так: датчики фиксируют интенсивность свечения, далее процессор сдвигает фокус, после этого происходит повторный замер интенсивности, если плотность потока увеличилась, то фокусировка считается приемлемой. Если нет – происходит повторное смещение фокуса. И так до обнаружения максимальной интенсивности. В матрицах серьезных камер присутствует до 40-60 фотодиодов.

На основе этих принципов работают самые известные системы фокусировки: фазовая, лазерная, контрастная и dual-pixel. И далее по тексту мы каждый вариант, оценив попутно их базовые достоинства и недостатки.

Достоинства и недостатки лазерного автофокуса

В этом случае в модель камеры телефона встраивают лазерный излучатель и приемник. Первый генерирует узконаправленный луч, второй принимает отраженный сигнал. В итоге скорость наведения фокуса сокращается до тысячных долей секунды. Обычно речь идет о 250-300 миллисекундах, поскольку лазер распространяется со скоростью света.

Основное достоинство лазерного фокуса – высокая скорость реакции модуля, а основной недостаток – частые сбои. Узконаправленный лазерный излучатель иногда «стреляет» мимо цели, а отраженный сигнал легко теряется, особенно на открытых пространствах. Поэтому лазерный автофокус в камере смартфона в большинстве случаев работает в паре с фазовым или контрастным вариантом наведения.

Особенности фазовой фокусировки

Технология основана на дроблении луча, проходящего сквозь объектив на два потока. Это делается для того, чтобы замерить расстояние между потоками, проходящими сквозь противоположные края объектива. Если это расстояние укладывается в определенные величины, заданные в массиве данных, картинка считается сфокусированной. Для фиксации расстояния используются особые датчики, реагирующие на свет. Их сигналы обрабатываются процессором, который сравнивает считанные параметры с базовым массивом данных и дает сигнал сдвинуть фокус в нужную сторону.

Основное достоинство технологии – готовность поймать в фокус движущийся объект. Кроме того, этот вариант работает быстрее контрастного автофокуса. А еще эту систему можно использовать для подсчета такого параметра, как глубина резкости.

Главный минус фазовой технологии – сложная реализация. Система призм, зеркал, линз требует сверхточной физической юстировки и не менее скрупулезной программной настройки. Кроме того, точность такого фокуса зависит от светосилы объектива, а у мобильных телефонов с этим параметром бывают большие проблемы.

Плюсы и минусы контрастного фокуса

Технология не меняет ни матрицу, ни оптическую систему камеры смартфона. В качестве датчика тут используют либо весь фотосенсор, либо его часть. Процессор считывает текущую гистограмму с сенсора и оценивает контрастность кадра. А потом объективу дается команда сместить фокус, после чего происходит новое считывание гистограммы с переоценкой контрастности. И весь цикл повторяется до достижения максимального уровня контрастности в выбранной области кадра, на которую наводится фокус.

Главное достоинство технологии – это сочетание простоты реализации, дешевизны конструкции и компактных размеров. Такими автофокусами пользуются все производители бюджетных смартфонов.

Ключевой недостаток данного варианта – очень медленная скорость работы. Иногда процессор уходит в режим вечной «охоты за фокусом», которая кончается потерей редкого кадра.

Технология Dual Pixel

Такая технология фокусировки используется в дорогих зеркальных камерах. В мобильных устройствах ее пока применяют лишь во флагманских моделях Samsung, намеренно занижая разрешение фотографической матрицы с одновременным увеличением ее физических габаритов.

На эти ухищрения идет из-за желания привязать к каждому пикселю фотографического сенсора индивидуальный датчик, реагирующий на интенсивность свечения. Потом сигналы от датчиков обрабатывают и по фазовому и по контрастному алгоритму фокусировки, добиваясь не только идеально резкого, но и максимально контрастного изображения.

Если в случае с классическим фазовым фокусом на долю датчиков приходится не более 10% от общего числа пикселей в камере, то в случае с Dual Pixel они делятся в пропорции 50/50. Проще говоря, каждый пиксель является светочувствительным элементом и датчиком одновременно. Данная технология обеспечивает более точную и быструю фокусировку.

Из недостатков Dual Pixel следует отметить очень сложную реализацию подобных решений. Такими фокусами оснащают только флагманские устройства, например, аппараты из S-серии компании Самсунг (от седьмой модели и выше). Нечто подобное есть в последних iPhone (от шестой модели и выше), но у Apple эта технология фокусировки называется Focus pixels, и она ближе к обычному фазовому автофокусу, чем к Dual Pixel.

Читайте также: Что такое HDR, и как он работает в камере смартфона?

Автор статьи: Андрей

Как работают камеры смартфонов?

Первый мобильный телефон с камерой приземлился на берегах Америки в 2002 году. С тех пор OEM-производители стремятся производить лучшие мобильные камеры. На заре эры смартфонов в 2008 году и рост популярности социальных сетей наличие хорошей камеры в телефоне стало обязательным для всех, кто хочет не отставать от семьи Джонсов. Но до того, как мобильные камеры начали делать большую часть фотографий в мире, снимки делались с помощью устройств, которые были больше, чем почти все мобильные устройства, пришедшие им на смену. Как это возможно? Что происходит внутри нашего телефона, который позволяет делать 200-мегапиксельные фотографии?

Все камеры смартфонов состоят из трех основных частей. Первый — это линза, которая направляет свет в камеру. Второй — датчик, преобразующий сфокусированные фотоны света в электрический сигнал. И третье — это программное обеспечение, которое преобразует эти электрические сигналы в фотографию, готовую для Instagram. Рассмотрим подробнее каждую из этих частей.

Линзы

Прежде чем свет достигнет датчика изображения, он должен пройти через линзу. А перед этим проходит через небольшое отверстие в корпусе телефона. Размер этого отверстия называется апертурой, и он определяет, сколько света попадает на датчик камеры. Как правило, большая апертура — это хорошо для мобильных камер, потому что это означает, что камера может работать с большим количеством света.

Диафрагма измеряется в диафрагменных ступенях, которые представляют собой отношение фокусного расстояния камеры к физическому диаметру апертуры, поэтому апертура f/1,7 шире, чем апертура f/2.

Как только свет попадает в модуль камеры, объектив собирает входящий свет от вашего снимка и направляет его на датчик. Камеры смартфонов состоят из множества пластиковых линз, называемых элементами. Из-за природы света световые волны различной длины (цвета) преломляются (изгибаются) под разными углами при прохождении через линзу. Это означает, что цвета вашей сцены проецируются на датчик вашей камеры с нарушением выравнивания. Камеры нуждаются в нескольких линзах для передачи четкого изображения на датчик, чтобы исправить этот и другие подобные эффекты.

Источник: OnePlus. Некоторые приложения камеры позволяют вручную управлять фокусом камеры. Тем не менее, большинство из них управляют им с помощью программного обеспечения, используя датчик, дополнительное оборудование, такое как лазерный дальномер, или их комбинацию.

Программная автофокусировка (известная как пассивная автофокусировка) использует данные датчика изображения, чтобы определить, находится ли изображение в фокусе, и регулирует линзы для компенсации. Обычный метод пассивной автофокусировки основан на определении контраста изображения и настройке фокуса до тех пор, пока он не станет максимальным. Этот метод полностью основан на программном обеспечении, что делает его самым дешевым вариантом. Тем не менее, он медленный и не работает в условиях низкой освещенности.

Немного более быстрый метод называется фазовой автофокусировкой. Это гарантирует, что одинаковое количество света достигает двух близко расположенных датчиков на фотодатчике. Традиционные системы PDAF полагаются на специальные фотосайты на датчике (около 5% всех фотосайтов) для измерения света, исходящего либо с правой, либо с левой стороны объектива. Изображение находится в фокусе, если фотосайты, обращенные вправо, измеряют ту же интенсивность света, что и их аналоги, обращенные влево. Если они не измеряют одинаковую интенсивность света, можно рассчитать, насколько камера не в фокусе, что делает системы PDAF быстрее, чем методы обнаружения контраста. Современные системы PDAF (например, на датчике изображения Isocell HP2 на Samsung Galaxy S23 Ultra) используют 100% фотосайтов на датчике изображения и используют фотосайты, обращенные вверх и вниз, в дополнение к фотосайтам, обращенным влево и вправо.

Активный автофокус использует дополнительное оборудование для определения расстояния от телефона до цели. Первые системы активной автофокусировки использовали сонар, аналогичный Soli в Google Pixel 4. Изменения в системах активной автофокусировки добавили маломощный инфракрасный лазер для оценки расстояния, но его можно обмануть другими источниками ИК-излучения, такими как огонь или другие смартфоны.

Датчик

Датчик представляет собой тонкую кремниевую пластину. Его единственная задача — превращать фотоны (свет) в электроны (электрические сигналы). Это фотогальваническое преобразование происходит на миллионах фотосайтов на крошечной поверхности сенсора. Если фотоны не достигают фотосайта, датчик регистрирует этот пиксель как черный. Если на фотосайт попадает много фотонов, этот пиксель белый. Количество оттенков серого, которые датчик может зарегистрировать, называется его битовой глубиной.

Источник: Huawei

Итак, как ваш телефон делает цветные фотографии? Поверх каждого фотосайта наложен цветной фильтр, который пропускает только определенные цвета света. Массив цветовых фильтров Байера является наиболее распространенным, и он делит каждый квадрат фотосайтов 2 × 2 на один красный, один синий и два зеленых фильтра (RGGB). Датчики Huawei SuperSpectrum являются заметным исключением из традиционных RGGB CFA. Huawei использует желтые фильтры (RYYB) вместо зеленых, чтобы пропускать больше света и улучшать данные о яркости. Эта мозаика цветовых и световых данных должна быть преобразована в полноцветное изображение постфактум с помощью сложных алгоритмов демозаики.

Следует обратить внимание на две метрики сенсора: размер и размер пикселей. Размеры сенсора измеряются в долях дюйма. Вообще говоря, датчик большего размера (например, датчик 1/1,31 дюйма в Google Pixel 7 Pro) дает более качественные изображения, потому что у него больше и больше фотосайтов.

Фотосайты (количество которых составляет потенциальное количество мегапикселей камеры) измеряются в микрометрах (мкм). Большие фотосайты лучше собирают свет, что делает их идеальными для условий низкой освещенности. Меньшие фотосайты не обязательно означают фотографии более низкого качества. Тем не менее, это показатель, который вы можете учитывать, если планируете использовать камеру телефона в условиях низкой освещенности. Samsung компенсирует маленькие фотосайты (это единственный способ уместить 200 миллионов из них на чипе) путем «объединения» нескольких фотосайтов. На своих последних датчиках он обрабатывает квадраты 4 × 4 из 16 фотосайтов как один «пиксель», что позволяет собирать больше данных о яркости.

Стабилизация изображения

При попытке сделать хороший снимок одним из основных компонентов является устойчивая платформа. Производители смартфонов знают, что у вас вряд ли будет штатив в кармане, поэтому они оснащают свои телефоны технологиями, максимально уменьшающими движение камеры. Стабилизация изображения бывает двух основных видов: оптическая и электронная.

Оптическая стабилизация изображения (OIS) основана на гироскопе для обнаружения движения телефона и крошечных двигателях или электромагнитах для перемещения линз и сенсора для компенсации. OIS идеально подходит для условий слабого освещения, когда датчику изображения требуется больше времени для сбора света.

Электронная стабилизация изображения (EIS) зависит от акселерометра телефона, который определяет любые движения. Вместо того, чтобы перемещать части камеры, он перемещает кадры изображения или экспозиции. Поскольку экспозиции выравниваются на основе содержимого изображения, а не кадра датчика изображения, конечное изображение или видео имеет уменьшенное разрешение.

Многие новые модели телефонов используют комбинацию обеих систем, иногда называемую гибридной стабилизацией изображения. Совместное использование обеих систем дает вам лучшее из обоих миров, особенно для видеоматериалов.

Программное обеспечение

После того, как датчик изображения выполнил свою работу и преобразовал свет, попадающий на него от линз, в электрический сигнал, задача процессора сигналов изображения (ISP) состоит в том, чтобы преобразовать эти 1 и 0 в достойные Snapchat изображение.

Данные, отправляемые интернет-провайдеру, по сути являются черно-белыми изображениями (изображениями в формате RAW). Первая задача интернет-провайдера — вернуть данные о цвете на основе известного расположения CFA. Теперь у нас есть изображение, но его пиксели имеют разную интенсивность красного, зеленого или синего (или красного, желтого и синего для телефонов Huawei).

Следующим шагом является процесс, называемый демозаикой. Именно здесь интернет-провайдер изменяет цвета пикселей на основе цветов своих соседей. Если, например, в области много зеленых и красных пикселей, но мало синих, алгоритм демозаики преобразует их в желтые.

4 Изображения

Наконец-то у нас есть фото! Большинство интернет-провайдеров применяют шумоподавление и повышение резкости после демозаики. Тем не менее, у каждого OEM есть свой конвейер и алгоритмы для создания конечного изображения. Google, в частности, известен тем, что использует алгоритмы, разработанные искусственным интеллектом, для создания одних из лучших фотографий смартфонов.

Готовы сделать несколько фотографий?

Теперь, когда вы лучше понимаете, как работает ваша камера, пришло время выйти и сделать больше снимков. И, говоря о большем количестве фотографий. Воспользуйтесь нашими советами и рекомендациями по работе с Google Фото, чтобы укротить свою коллекцию фотографий. И если вы ищете телефон с более красивой камерой, знание того, как работает камера телефона, поможет вам решить, какой телефон с камерой вам подходит.

Камеры для смартфонов решают проблемы автофокусировки, стоимости и фокусного расстояния в очень маленьком пространстве_6/7/20

Вертикальный разделитель

Он не только защищает очень мягкие пластиковые элементы, но и предотвращает попадание пыли в системы со стабилизацией изображения. В большинстве стабилизированных телефонных линз перемещается не оптический элемент или сенсор, а весь объектив/камера в сборе. Таким образом, он должен быть свободным внутри модуля камеры, что допускает возможность скопления пыли, если он не закрыт спереди.
 
Рис. 2. Отлом объектива iPhone

Даже при 6 мм, если производители телефонов хотят «портретный» объектив, возможно, даже телескопическую/телеобъектив, это может привести к тому, что корпус камеры будет толще, а матрица меньше. . Например, в iPhone 11 Pro все три камеры оснащены 12-мегапиксельными сенсорами. Тем не менее, портретная камера использует объектив 6 мм f/2,0 с сенсором 1/3,4″, в то время как основная широкоугольная камера использует объектив 4,25 мм f/1,8 с сенсором большего размера 1/2,55″.

Необходимость сделать телефон тонким определяет размер объектива смартфона по сравнению со специальной камерой, поэтому используется несколько камер, тогда как даже дешевая камера типа «наведи и снимай» использует зум-объектив (также известный как переменное фокусное расстояние). .
 
Рис. 4. Камера «наведи и снимай»

 
Объектив с переменным фокусным расстоянием по своей сути более сложен и состоит из большего количества элементов. Хотя термин «зум» используется неправильно в контексте современных камер смартфонов, единственный реальный зум — это программный трюк для переключения между камерами и промежуточной программной интерполяции между несколькими камерами. Единственные оптические зумы, встречающиеся в телефонах, были в гибридных телефонах и камерах, таких как Samsung Galaxy Zoom K. Более толстый корпус этого телефона в значительной степени сделал его провальным на рынке. Мы требуем от наших телефонов хороших карманных компьютеров, камеры почти всегда второстепенны.

 
Камеры смартфонов плохо работают с широкоугольными и особенно сверхширокоугольными объективами. Если объектив не является объективом типа «рыбий глаз», ожидается, что он будет «прямолинейным» — прямые линии останутся прямыми. Поскольку смартфон почти всегда обрабатывает изображения, часть формулы успеха камеры основана на цифровой коррекции дефектов объектива. На сверхширокоугольных камерах Samsung коррекцию можно включить или выключить. Некоторые современные электронные объективы, например, для Micro Four Thirds, могут включать данные о характеристиках объектива, которые позволяют вносить аналогичные исправления, хотя и не такие серьезные. Но, как и в случае со смартфонами, недорогие сверхкомпактные потребительские объективы по-прежнему дают пользователю приемлемые результаты. К ним относятся прямолинейные искажения, хроматические аберрации и другие дефекты объектива.
 
Рис. 5. Объектив «рыбий глаз»

В телефонах используются различные способы фокусировки объектива, но он всегда электронный. Нет телефонов с ручкой фокусировки. В некоторых телефонах для автофокусировки используются двигатели с линейной звуковой катушкой, но самая популярная новинка — фокусирующие устройства MEMS (микроэлектромеханическая система). MEMS AF имеет тенденцию быть быстрее, чем LVCM, по крайней мере, в телефонах.

 
Рис. 7. Блок автофокусировки MEMS

Некоторые телефоны также управляют автофокусировкой с помощью лазерных дальномеров. Они просто предоставляют информацию системе автофокусировки, но камеры обычно имеют свои собственные альтернативные средства фокусировки. В ранних смартфонах не было никаких средств фокусировки. Благодаря меньшим датчикам, более узкой апертуре и, в частности, отсутствию пользовательского спроса на телефоны, которые можно было бы использовать в качестве замены потребительским камерам типа «наведи и снимай», это продолжалось в течение нескольких лет. Когда телефоны получили автофокус, это было сделано не для любительской фотографии, а для увеличения полезности камеры.