Контрастный и фазовый автофокус / Съёмка для начинающих / Уроки фотографии

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.

Как работает фазовый автофокус

Когда дело доходит до технологии DSLR, кажется, есть некоторая путаница в том, как именно работает автофокус с определением фазы. Фотограф Назим Мансуров (Nosim Mansurov) в этой статье рассказывает, как и почему у камеры может быть проблема с автофокусом, и что происходит внутри нее с точки зрения автофокуса, когда делается снимок.

Большинство фотографов, не понимают, что основная проблема необязательно связана с конкретной моделью или типом камеры, а скорее с конкретным способом фокусировки этих камер. Проблемы с передним и задним фокусом в современных камерах, не являются чем-то новым — они существуют с тех пор, как была создана первая зеркалка с датчиком фазового обнаружения. 

Как работают зеркальные камеры

Чтобы разобраться в этом вопросе более подробно, важно сначала узнать, как работает зеркальная камера. Обычно на иллюстрациях показывается только одно зеркало, расположенное под углом 45 градусов. Однако за ним есть также вторичное зеркало, отражающее часть света на фазовый датчик.

Взгляните на упрощенную иллюстрацию ниже, которую Назим сделал на примере Nikon D800.

1. Луч света.
2. Главное/Отражающее зеркало.
3. Вторичное зеркало, также известное как «Дополнительное».
4. Затвор камеры и датчик изображения.
5. Эксцентриковый штифт (шестигранник 1,5 мм) для регулировки главного зеркала.
6. Эксцентриковый штифт (шестигранник 1,5 мм) для регулировки вторичного зеркала.
7. Датчик определения фазы (датчик AF).
8. Пентапризма.
9. Видоискатель.

Давайте посмотрим, что происходит внутри камеры, когда делается снимок. 

Лучи света попадают в объектив (1) и в камеру. Частично прозрачное главное зеркало (2) расположено под углом 45 градусов, поэтому оно отражает большую часть света вертикально в пентапризму (8). Пентапризма «волшебным образом» преобразует вертикальный свет обратно в горизонтальный и переворачивает его, так что вы видите именно то, что получаете, когда смотрите в видоискатель (9). Небольшая часть света проходит через главное зеркало и отражается вторичным (3), которое также наклонено под углом (54 градуса на многих современных камерах Nikon, как показано выше). Затем свет достигает датчика фазового обнаружения / автофокусировки (7), который перенаправляет его на группу датчиков (два датчика на точку автофокусировки). 

Затем камера анализирует и сравнивает изображения с этих датчиков (аналогично тому, как оценивается фокусировка на дальномере), и, если они не выглядят одинаково, она дает команду объективу произвести правильную настройку. 

Хотя описанный выше процесс выглядит более или менее простым, у этого подхода есть одна серьезная проблема. Датчик фазового определения дает команду объективу выполнить правильную настройку, в то время как изображение захватывается совершенно другим устройством — датчиком на задней панели камеры. В чем тогда проблема? 

Помните, что когда вы делаете снимок, оба зеркала заднего вида поднимаются, затвор открывается, и свет от объектива попадает прямо на датчик камеры (4). Для правильной работы фазового автофокуса расстояние между креплением объектива и датчиком камеры, а также расстояние между креплением объектива и датчиком фазового определения должны быть одинаковыми. Если есть даже небольшое отклонение, автофокус будет некорректным. Вдобавок ко всему, если угол вторичного зеркала не совсем такой, каким должен быть, это также приведет к проблемам с автофокусировкой. 

Как работает датчик фазового определения 

Как было сказано выше, система фазового детектирования работает так же, как и дальномерные камеры. Свет, отражающийся от вторичного зеркала, принимается двумя или более небольшими датчиками изображения (в зависимости от того, сколько точек фокусировки в системе автофокусировки) с микролинзами над ними. Для каждой точки фокусировки, которую вы видите в видоискателе, есть два крошечных датчика разности фаз — по одному для каждой стороны объектива, как показано на иллюстрации (7) (хотя на иллюстрации это поведение чрезмерно преувеличено, показаны два отдельных световых луча, достигающих двух отдельных датчиков).

Фактически, на современном устройстве фазового обнаружения больше, чем два датчика, и они расположены очень близко друг к другу. Когда свет их достигает, если объект находится в фокусе, световые лучи с крайних сторон объектива сходятся прямо в центре каждого датчика (как на датчике изображения). На обоих сенсорах будут одинаковые изображения, указывающие на то, что объект действительно находится в идеальном фокусе. 

Если объект находится не в фокусе, свет больше не будет сходиться и попадет в разные стороны датчика, как показано ниже.

 

На рисунках 1–4 представлены условия, при которых линза сфокусирована (1) слишком близко, (2) правильно, (3) слишком далеко и (4) чрезвычайно далеко. Из графиков видно, что разность фаз между двумя профилями может использоваться, чтобы определить не только в каком направлении, но и на сколько нужно изменить фокус для достижения оптимальной фокусировки. Обратите внимание, что на самом деле вместо сенсора движется объектив. 

Поскольку система фазового детектирования знает, находится ли объект в фокусе спереди или сзади, она может отправлять точные инструкции на объектив камеры о том, в каком направлении и на сколько повернуть фокус. Вот что происходит, когда камера фокусируется на объекте (работа автофокусировки замкнутого цикла): 

1. свет, проходящий через крайние стороны линзы, оценивается двумя датчиками изображения;
2. в зависимости от того, как свет достигает датчиков изображения, система автофокусировки может определить, находится ли объект в фокусе спереди или сзади и на сколько далеко;
3. затем система автофокусировки дает команду объективу отрегулировать фокус;
4. вышеуказанное повторяется, пока не будет достигнута идеальная фокусировка. Если фокусировка не может быть достигнута, объектив сбрасывается и начинает восстанавливать фокусировку, что приводит к «охоте» на фокус;
5. после достижения идеальной фокусировки система автофокусировки отправляет подтверждение того, что объект находится в фокусе (зеленая точка внутри видоискателя, звуковой сигнал и т.д.).
   

Система определения фазы намного быстрее, чем система определения контраста (которая полагается на изменение фокуса вперед и назад до тех пор, пока фокус не будет достигнут, с большим количеством анализа данных изображения, происходящего на уровне датчика изображения). 

Система фазовой детекции/автофокусировки — очень сложна и улучшается практически каждый раз, когда обновляется линейка камер более высокого класса. С годами количество точек автофокусировки увеличивалось, как и количество более надежных точек автофокусировки крестового типа. Взгляните на эту сложную матрицу датчиков автофокуса на камере.

Увеличилось не только количество точек автофокусировки, но и их надежность. Большинство современных профессиональных фотоаппаратов сегодня оснащены чрезвычайно быстрыми и легко настраиваемыми системами автофокусировки, которые могут непрерывно отслеживать объекты и фокусироваться. 

Проблемы с автофокусом DSLR 

Система автофокусировки с определением фазы очень сложна и требует высокой точности для получения результатов. Самое главное, что она должна быть правильно установлена ​​и выровнена в процессе производства. Если есть даже небольшое отклонение, которое случается довольно часто при производстве, автофокус отключится. Это основная причина, по которой фазовое обнаружение было источником проблем с тех пор, как появилась первая такая зеркалка. Понимая возможные отклонения, производители цифровых зеркальных фотокамер разработали систему высокоточной калибровки, которая это учитывает и позволяет проводить индивидуальную калибровку камеры. 

Если обнаруживается проблема выравнивания датчика с определением фазы, система выполняет автоматическое компьютеризированное тестирование, которое проходит через каждую точку фокусировки и вручную настраивает ее в камере. Отклоненные точки повторно калибруются и регулируются, затем значения компенсации записываются в прошивку камеры.

Принцип работы фазового автофокуса

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.

1. Световой поток
2. Основное зеркало
3. Второстепенное зеркало
4. Затвор камеры и сенсор
5. Диск для настройки основного зеркала
6. Диск для настройки второстепенного зеркала
7. Фазовый датчик
8. Пентапризма видоискателя
9. 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.

Что такое фазовый автофокус в камере смартфона и как он работает

При фотосъёмке на смартфон каждый желает получить качественные снимки, где фотографируемый объект будет чётким и резким, то есть в фокусе. Современная техника, включая мобильные устройства, позволяет сфокусироваться в ручном или автоматическом режиме, причём даже профессионалы чаще прибегают к автофокусировке. Девайс без участия пользователя размещает линзы на нужном фокусном расстоянии, позволяющем запечатлеть объект съёмки без смазывания, и хотя при наведении камеры фокусировка выполняется в одно мгновение, в это время происходит множество незаметных глазу процессов и вычислений.

Сегодня многие производители смартфонов совершенствуют технологии автоматической фокусировки, что позволяет делать качественные чёткие снимки, даже если объект находится в движении. И продвинутые пользователи при выборе мобильного устройства больше обращают внимание на тип автофокуса камеры, чем число мегапикселей. О том, какие бывают разновидности автофокусировки, что их отличает, и как они работают и поговорим.

Что такое автофокус и зачем он нужен

Система автофокусировки присутствует в любом современном смартфоне, включая бюджетные варианты. С её помощью объектив камеры настраивается так, чтобы практически мгновенно сфокусироваться на одном или нескольких объектах съёмки фото или видео, упрощая процесс и снимая с пользователя задачу наведения резкости вручную, как при съёмке на профессиональный зеркальный фотоаппарат.

Автоматическая фокусировка позволяет легко делать чёткие детализированные снимки путём наведения камеры на объект и нажатием соответствующей кнопки. В составе автофокуса — датчик, система управления и привод, отвечающий за перемещение оправы объектива или линз.

Камера устроена так, что лучи света, отражающиеся от объектов съёмки, улавливаются сенсорами, преобразующими поток фотонов в поток электронов, далее ток преобразуется в биты, эта информация обрабатывается и отправляется уже в память девайса. Как работает автофокус? Здесь всё зависит от его типа. Линзы фокусируют лучи, отражённые от объектов, при этом, когда наведён фокус камера будет ориентироваться на расстояние до изображаемого объекта и интенсивность освещения, сенсор же в свою очередь создаст цифровой фотоснимок. В отличие от ранних моделей смартфонов, сегодня девайсы дают возможность регулировки расстояния между линзами и сенсоров, что позволяет получить более качественные снимки.

Современные камерофоны оснащены высокочувствительными сенсорами и специальными алгоритмами, способствующими фокусировке камеры даже при недостаточном освещении. В продвинутых устройствах также внедряется система искусственного интеллекта, настраивающая параметры съёмки и фокусировки на получение максимально качественного кадра, а также опция автофокусировки в движении, позволяющая фокусироваться на движущемся объекте, отслеживая его перемещения, благодаря чему становится возможным поймать удачный кадр и при условии движения объектов съёмки.

Автофокус на сегодняшний день реализован в трёх актуальных вариантах: контрастный, фазовый и лазерный. Рассмотрим, чем отличается каждый из них.

Контрастный автофокус

Технология базируется на работе светочувствительных элементов, анализирующих контрастность кадра. Фокусировка обеспечивается путём смещения линз объектива для достижения нужного контраста картинки. Когда методом оценки данного параметра и смены положения линз удалось достичь максимального контраста, это означает, что объект съёмки в фокусе. При этом фотокамера анализирует небольшой участок матрицы.

Так, контрастный автофокус относится к пассивному типу автоматической фокусировки, данное решение отличается простотой реализации и применяется на бюджетных смартфонах. Срабатывает автофокусировка медленнее других технологий ввиду необходимости несколько раз смещать линзы до достижения результата. На эти движения и оценку контрастности, выполняемую в несколько этапов, уходит около секунды и это немного, если речь о съёмке способных замереть для фото, неподвижных или малоподвижных объектах, однако при таком раскладе легко упустить момент, не получится и снимать в движении, поскольку фотография будет смазанной. Контрастный автофокус также не наделён опцией следящей фокусировки, да и качество фотоснимков сильно пострадает при плохом освещении.

Фазовый автофокус: быстрая и продвинутая альтернатива

До недавнего времени этот тип автофокуса был привилегией флагманских смартфонов, теперь же автофокусировка на основе сканирования световых фаз применяется в большинстве девайсов.

Фазовый автофокус в смартфоне (PDAF) — это активный тип автоматической фокусировки, наиболее актуальный сегодня и обеспечивающий высокую скорость работы, а также возможность фокусироваться на движущихся объектах. Технология заимствована у цифровых зеркальных фотоаппаратов, изначально она предназначалась именно для фототехники, где проявила себя наилучшим образом, а уже позднее перекочевала и во флагманские мобильные устройства.

Принцип работы данного типа фокусировки следующий:

• Поток света, проходя через объектив, делится надвое, затем лучи из разных областей объектива направляются на датчики светочувствительного сенсора, оценивающие равномерность света.
• Если объект в фокусе, световые потоки от него сойдутся в одну точку на датчике. Если же нет, программное обеспечение с учётом измеренного расстояния даст команду и объектив сдвинет линзы в нужное положение. Принятие фотокамерой решения, как сдвигать линзы для получения наиболее качественной картинки происходит в мгновение.

Поскольку все эти действия (расстояние между потоками замеряется и по результатам оценки положение линз корректируется системой, т. е. разделённые лучи достигают заданного датчиками расстояния) осуществляются в один приём, это значит, что фазовый автофокус будет работать в разы быстрее, чем контрастный. Для фокусировки на объекте ему потребуются доли секунды. Охват объекта резкостью происходит в любой точке кадра, причём при наличии нескольких объектов в кадре, одинаково удалённых от объектива, все они попадают в зону высокой чёткости. Камера оценивает движение при помощи датчиков матрицы, в результате чего появляется возможность следящего автофокуса.

При всех своих достоинствах фазовый тип автоматической фокусировки тоже не совершенен. Его недостатком является ночная съёмка, при которой в диафрагму объектива поступает недостаточное количество света, то обуславливает снижение скорости фокусировки. К тому же реализация данного типа автофокусировки достаточно сложна, требуется точная установка системы призм и зеркал, а также тщательная программная настройка. И всё же, несмотря на минусы технологии, как правило, она обеспечивает создание высококачественных снимков. Сегодня в дополнение к автофокусу производителями применяются специальные алгоритмы, встраивается система искусственного интеллекта, что позволяет значительно повысить качество съёмки. Технология совершенствуется, поскольку многие производители пошли по пути её развития или применения разновидностей фазового автофокуса.

Лазерный автофокус: самый активный

Наиболее продвинутым на сегодня является лазерный автофокус. Он, как и фазовый, относится к активному типу и использует тот же принцип работы, что и оптические дальномеры. Так, излучателем освещается объект, в то время как сенсором замеряются расстояние до него и время отражённого лазерного пучка.

Лазерный тип автофокуса не зависит от освещённости и работает пошустрее фазового, действуя на коротком расстоянии. Наилучший результат возможен при удалении снимаемого объекта на 0,6 метров. При съёмке же тех, что находятся уже на удалении 3-4 метра и более, система будет использовать другой тип фокусировки. Процесс автофокусировки занимает ещё меньше времени (задача выполняется всего за 0.276 секунды), позволяя делать высококачественные снимки, причём скорость не утрачивается и в ночное время суток или в условиях плохой видимости в связи с погодными явлениями.

Подводя итоги, отметим, что на сегодняшний день самой актуальной для камер смартфонов является фазовая технология автофокусировки. Невысокие показатели качества при недостатке освещения нивелируются присутствием дополнительных вспомогательных программных хитростей, как, например, интеллектуальные алгоритмы, обуславливающие лучшую работу независимо от условий съёмки.

Вам стоит знать, какой автофокус стоит в вашем смартфоне

На заре камеростроения для мобильных устройств камеры не оснащались автофокусом. Это было не так плохо и позволяло фотографировать панорамы или объекты на их фоне, обладая достаточно большой глубиной резкости. Но время идет и надо вводить новые функции. Так появился основной элемент, позволяющий улучшить снимки.

При выборе телефона с хорошей камерой многие уделяют внимание количеству мегапикселей. Однако важнее и полезнее взглянуть на другие факторы, которые оказывают не менее серьезное влияние на качество фотографий. Среди них — тип автофокуса камеры смартфона. В настоящее время он имеет три основных типа.

Контрастный автофокус

Это самый распространенный тип, которым оснащены камеры смартфонов низкого и среднего ценового сегмента. Суть его работы сводится к поиску оптимального фокуса, чтобы сделать резким все изображение или какую-то его часть, выбранную пользователем. Специальный микропроцессор постоянно считывает и анализирует изображение с матрицы и перемещает объектив для нахождения зоны с наибольшим контрастом.

Последний момент связан с единственным недостатком контрастного автофокуса — его медленной работой. Поскольку поиск требует время, а сделать это можно лишь после анализа всего изображения и возвращения объектива обратно, кадр может и «уйти», пока камера поймает нужный фокус.

Данный тип автофокуса на сегодняшний день используется преимущественно в бюджетных смартфонах, таких как Samsung Galaxy J7, Huawei Honor 6A и других.

Лазерный автофокус

Более продвинутый тип автофокуса, который способен определять расстояние до объекта и подстраивать под него настройки фокуса. Работает он довольно интересно: смартфон отправляет тонкую полосу света, которая отражается от всевозможных поверхностей и возвращается обратно. После этого камера определяет производит вычисления (время лазера умножается на скорость света) и определяет расстояние до объекта, благодаря чему и удается сфокусироваться.

Вроде бы все здесь очень технологичное, но есть и минус. Лазерный автофокус работает только на небольших дистанциях и совмещается с другими системами для более полного охвата диапазона расстояний. Поэтому производители сейчас совмещают контрастный и лазерный автофокус.

Лазерным автофокусом оснащены преимущественно смартфоны LG, но есть и исключения: тот же флагман Huawei P20 Pro.

Фазовый автофокус

Для его реализации предусмотрены дополнительные датчики, которые позволяют камере получить больше данных для настройки фокуса. Он намного быстрее контрастного, камера поддерживает следящий автофокус, для него необходимо мощное «железо». Чаще всего фазовый автофокус доступен в смартфонах сегмента high-end. Среди них Honor View 10, Huawei P10 и Sony Xperia XZ.

Фазовый тип хорошо подходит для съемки объектов в движении — правда, он все равно не такой быстрый, как лазерный. Наиболее продвинутые смартфоны способны на ходу объединять работу разных способов фокусировки и даже обеспечивать непрерывную автофокусировку, подстраиваются под изменение положения объекта.

Кстати, еще один вид автофокуса не так распространен, поскольку ограничен смартфонами Samsung — это система Dual Pixel. Это существенно улучшенный фазовый автофокус — вместо 5-10 % пикселей, которые использовались для автофокусировки, используются все 100% пикселей. Поэтому он нашел себе применение в новейших смартфонах Samsung.

Очевидно, камера современного смартфона не так проста, как кажется. А автофокус делает ее чуть ли не самым сложным элементом смартфона.

Материал подготовлен при поддержке магазина SmartPrice

Что такое PDAF? Объяснение фазового автофокуса

Технология автофокуса – одна из основ мобильной фотографии, обеспечивающая четкие и четкие снимки даже самых быстро движущихся объектов. Но знаете ли вы, что автофокусировка бывает разных типов в зависимости от датчика внутри вашего смартфона или камеры? Сегодня мы собираемся погрузиться в фазовый автофокус (PDAF), один из наиболее распространенных типов автофокусировки.

Автофокусировка с определением фазы используется во многих современных камерах смартфонов. Это и быстрее, и точнее, чем классическое определение контраста. Обнаружение контраста – самый простой и дешевый вид автофокусировки, но также и самый медленный и наименее точный при съемке движущихся объектов. Так что же делает PDAF намного лучше?

Что такое PDAF и как он работает?

Как и все хорошие технологии для фотоаппаратов, PDAF уходит корнями в DSLR. В зеркальных камерах зеркала отражают копии света основного датчика на специальном датчике определения фазы. Смартфоны не обладают такой же космической роскошью, чтобы вместить все эти детали. Вместо этого мобильные датчики имеют специальные пиксели PDAF, встроенные в датчик изображения, подход, заимствованный у компактных камер.

Самый простой способ понять, как работает PDAF, – это начать с размышлений о свете, проходящем через объектив камеры с самых крайних краев. В идеальной фокусировке свет даже от этих крайних сторон объектива будет преломляться, чтобы встретиться в точной точке на датчике камеры. Размытое изображение является результатом того, что точка фокусировки / встречи установлена ​​перед датчиком изображения или за ним. Регулировка объектива для изменения этой точки фокусировки – это именно то, как работает фокусировка камеры.

Другими словами, мы можем определить, находится ли изображение в фокусе, потому что даже свет, исходящий из двух разных точек линзы, сходится в одной точке. В камерах с фазовой автофокусировкой DSLR используются два специальных датчика PDAF для захвата отдельных изображений для сравнения. У компактных фотоаппаратов и смартфонов нет такой роскоши. Вместо этого эта двойная перспектива должна быть создана с помощью специальных фазовых фотодиодов на датчике изображения.

По теме:компактная камера против перестрелки на смартфоне

Эти фотодиоды физически замаскированы, так что свет достигает их только с одной стороны линзы. Это создает пиксели левого и правого взгляда на одном датчике изображения, что дает нам два изображения, с которыми можно сравнить фокус. Разность фаз между двумя изображениями вычисляется для определения точки фокусировки. Диаграмма Samsung ниже предлагает интуитивно понятный взгляд на это, сравнивая эти левые / правые пиксели с нашими глазами.

Samsung Получая изображения со смещением влево и вправо, PDAF работает как человеческий глаз.

Если изображение не в фокусе, данные о разности фаз между изображениями используются для расчета того, как далеко нужно переместить объектив, чтобы сфокусировать его. Это то, что делает фокусировку PDAF такой быстрой по сравнению с обнаружением контраста. Однако при заблокированной половине пикселя эти фотодиоды дают меньше света, чем обычный пиксель. Это может вызвать проблемы с фокусировкой при слабом освещении, когда традиционное определение контраста все еще часто используется как гибридное решение.

Как вы также можете видеть, нам не нужно использовать каждый пиксель камеры, чтобы определить фокус. Вместо этого подойдет несколько полосок пикселей на сенсоре. Обычно для автофокусировки зарезервировано от 5 до 10% пикселей сенсора. Однако вертикальные полосы означают, что камеры могут иметь проблемы с фокусировкой на горизонтальных линиях, поэтому более совершенные датчики используют шаблоны перекрестной фокусировки.

PDAF за и против

По сравнению с традиционной контрастной автофокусировкой, автофокусировка с определением фазы работает быстрее и обычно более точна. Контрастный автофокус занимает много времени, потому что он должен сканировать потенциально весь диапазон фокусных точек, чтобы найти наиболее резкий фокус. По сути, это метод проб и ошибок. С PDAF разность фаз используется для почти немедленного расчета, насколько далеко нужно переместить линзу, чтобы достичь фокусировки.

Менее 10% пикселей сенсора предназначены для фазовой автофокусировки.

Однако PDAF на датчике имеет несколько недостатков по сравнению с PDAF DSLR. Природа небольших сенсоров смартфонов и даже меньших пикселей создает проблему с шумом, что проблематично в условиях низкой освещенности. Даже фазовой автофокусировке может потребоваться несколько попыток для получения идеальной фокусировки в менее чем идеальных условиях. Хотя использование большего количества пар детекторов помогает ускорить процесс. В результате в смартфонах иногда применяется гибридный подход для устранения этого недостатка.

Фазовый автофокус просто необходим серьезному мобильному фотографу. К счастью, вы найдете эту технологию во всех смартфонах высокого и даже среднего уровня, выпущенных за последние несколько лет. Фактически, камеры смартфонов высокого класса теперь включают значительно улучшенный автофокус Dual Pixel. Следите за новостями, и вскоре мы узнаем об этом подробнее.

Получая изображения со смещением влево и вправо, PDAF работает как человеческий глаз.

Источник записи: https://www.androidauthority.com

Что такое PDAF и Dual Pixel? Или как работает автофокус на смартфонах

Последнее обновление:11 месяцев назад

Оценка этой статьи по мнению читателей:

В первой части статьи мы подробно рассмотрели базовые понятия о том, что такое матрица, каким образом она формирует изображение. В частности, было рассказано о популярных технологиях Quad Bayer и Tetracell, которые используются на современных смартфонах в матрицах с высоким разрешением (от 48 мегапикселей).

В этой части мы затронем еще несколько интересных технологий, связанных с процессом фокусировки и получения изображения. Понимание этих вещей не только удовлетворит праздное любопытство, но и принесет практический смысл, позволяя вам более осознанно подходить к выбору смартфона с хорошей камерой даже в средне-бюджетном ценовом сегменте.

Перед тем, как приступить к основной теме, хочу предупредить, что многое, о чем будет говорится ниже я привожу лишь в качестве иллюстрации. Принцип работы некоторых систем я буду сильно упрощать, чтобы статья была понятной и доступной широкому кругу читателей.

Как смартфоны научились фокусироваться и делать изображение резким

Вы задумывались над тем, как смартфон понимает, какую часть изображения необходимо сделать резкой и как именно он это делает?

Аналогия с нашими глазами здесь не совсем уместна, так как глаза делают резким то изображение, которое мы хотим разглядеть. В отличие от смартфона мы отлично распознаем то, что видим, фокусируясь на желаемом предмете. А вот для смартфона наша фотография — это бессмысленный набор цветных точек. И камера не понимает, на чём ей следовало фокусироваться, чтобы не испортить очередной кадр.

Конечно, существует такое понятие, как семантическая сегментация. Но несмотря на активное развитие машинного обучения и нейронных сетей, современные смартфоны еще не научились определять предметы на фото так же хорошо, как это делают люди, чтобы использовать для фокусировки искусственный интеллект.

Четкая или размытая фотография?

Для того, чтобы фотография получилась четкой, необходимо соблюсти всего одно условие — лучи света, отраженные от снимаемого объекта, должны пересекаться в точке на матрице.

Чтобы лучше это понять, вспомним, как вообще свет попадает на матрицу и формирует там изображение. Представим, что мы хотим сфотографировать цветок. Внутри камеры смартфона вначале располагается объектив с линзами, а затем матрица:

Лучи света, отраженные от каждой точки этого цветка, попадают на матрицу смартфона, проходя через линзы объектива. И когда лучи света проходят через объектив, они преломляются, пересекаясь в одной точке. В этой точке изображение и будет максимально резким и четким.

К примеру, вот как свет, отраженный от красного лепестка, оказался на матрице смартфона:

Не обращайте внимание на то, что картинка на матрице получилась перевернутой. Ведь текст, который вы сейчас читаете (как и весь окружающий мир), вы точно также видите перевернутыми. Просто мозг скрывает это от вас, «на лету» переворачивая обратно сформированное на сетчатке глаза изображение.

Хрусталики наших глаз напоминают по форме линзу, выпуклую с двух сторон — как та, что используется в объективе камеры смартфона и показана на наших картинках. А когда через такую линзу проходят лучи света, они, как уже было сказано, преломляются под определенными углами, из-за чего изображение получается перевернутым. Эти углы подчиняются определенным правилам (законам физики). Они очень просты для понимания, но в рамках этой статьи мы не будем их рассматривать, чтобы сэкономить время.

Ровно таким же образом на матрице формируются и другие части нашего цветка, например, зеленый стебель:

В рассмотренном примере цветок на матрице получился четким, то есть, в фокусе. Но если бы наш цветок находился чуть дальше, лучи проходили бы через линзу немножко под другим углом, соответственно, угол преломления также слегка бы отличался и пересекались бы эти лучи еще до попадания на матрицу. А на матрицу вместо одной точки падало бы множество лучей, накладываясь друг на друга с небольшим смещением, что делало бы общую картинку размытой (не в фокусе):

В реальной жизни, когда объект отдаляется от нашего глаза, мозг просто слегка изменяет форму хрусталика, растягивая его или, наоборот, сжимая. Из-за этого меняется угол преломления лучей, которые в итоге пересекаются в одной точке прямо на сетчатке. А те объекты, что находятся ближе или дальше, оказываются размытыми, так как лучи света, отраженные от них, пересекаются еще до сетчатки или в условной точке за нею.

Но смартфон не может изменять форму линзы, растягивая ее, как хрусталик, ведь она сделана из стекла. Вместо этого смартфон перемещает линзу внутри объектива вперед или назад таким образом, чтобы лучи снова пересеклись в одной точке — на матрице. Проблема со смартфоном заключается лишь в том, как определить, в какую сторону двигать эти линзы и как понять, что нужный объект уже в фокусе.

Контрастный автофокус (CDAF). Или определяем резкость «на глаз»

Еще недавно смартфоны вообще не умели фокусироваться. К примеру, первые два поколения iPhone не имели системы автофокусировки. Она появилась лишь в 2009 году с выпуском iPhone 3GS.

Сегодня все бюджетные и многие средне-бюджетные смартфоны используют самый старый, простой и надежный метод фокусировки под названием контрастный автофокус.

Суть его работы очень проста. Вы выбираете пальцем на экране смартфона нужную область фокусировки или смартфон самостоятельно выбирает центральную часть кадра, после чего камера пытается сделать так, чтобы объект в этой части кадра был в фокусе.

Но делает он это не так как люди. Мы понимаем, что цветок находится в фокусе, когда отчетливо видим его очертание, смартфон же просто оценивает гистограмму изображения (график распределения яркости). Ведь, как уже было сказано ранее, для смартфона все предметы — это просто пятна различной яркости.

Лучше всего это понять на следующем примере. Ниже вы можете увидеть изображение одного и того же цветка с разной степенью резкости, а под каждым цветком — его гистограмму (график распределения яркости), с которой и работает смартфон:

По горизонтали на маленьких гистограммах представлены уровни яркости изображения — от ее полного отсутствия слева (черный цвет) до самого яркого участка справа (белый цвет). А по вертикали отображается количество пикселей в кадре соответствующей яркости.

А теперь обратите внимание на закономерность — чем более размыта картинка, тем меньше здесь контрастных четких контуров темного цвета. На самом размытом цветке (первый слева) вообще отсутствуют черные/темные цвета, то есть, контуров нет вообще и график очень сильно смещен вправо.

Что же делает смартфон? Он берет небольшой участок изображения (на котором мы хотим сфокусироваться или же центральную часть кадра) и оценивает его гистограмму. Затем смартфон начинает передвигать лизну внутри объектива вперед и анализирует, как меняется распределение яркости. Если контраст падает (то есть, разброс по яркости уменьшается), смартфон начинает передвигать линзу в обратную сторону, пока не найдет самый высокий контраст. А в конце, чтобы наверняка не промахнуться, передвигает линзу еще немножко дальше. Если контраст снова начинает падать — возвращается обратно в ту позицию, где контраст был максимальным.

Что не так с контрастным автофокусом и почему он используется только на дешевых смартфонах?

Я думаю, вы уже догадались по описанию работы контрастного автофокуса, что с ним не так. Смартфон понятия не имеет, четкая ли сейчас картинка и в каком направлении нужно переместить объектив, чтобы еще увеличить резкость.

Для этого он начинает просто передвигать линзу вперед-назад, чтобы оценить, меняется ли контраст сцены. А в это время мы видим на экране «прыгающий» автофокус. То есть, изображение на доли секунды становится то размытым, то снова резким.

Если при съемке фотографий это не является проблемой, то при записи видео контрастный автофокус может хорошенько подпортить результат. Вероятно, вы не раз замечали, как картинка на видео периодически «дергается» и фокус то пропадает на мгновение, то снова появляется. Когда вы снимаете видео на смартфоне с контрастным автофокусом и вся сцена идеально сфокусирована, смартфон все равно будет периодически передвигать линзу, чтобы убедиться, что в данный момент времени картинка максимально резкая. И это будет хорошо заметно на записи.

Другими словами, контрастный автофокус очень плохо справляется с видеозаписью и вам следует об этом помнить, если вы любите снимать видео на смартфоне.

А продолжают его использовать по той причине, что это самый простой и дешевый метод фокусировки, не требующий никакого дополнительного оборудования. Но если вы хотите иметь более быстрый и качественный автофокус, необходимо при выборе смартфона искать в его характеристиках аббревиатуру PDAF.

Что такое PDAF (или фазовый автофокус) на современных смартфонах?

Сам термин PDAF (Phase-Detection Autofocus) переводится с английского, как фазовый автофокус. Впервые этот метод фокусировки появился на зеркальных фотоаппаратах достаточно давно. Но первым в мире смартфоном с PDAF автофокусом, если мне не изменяет память, стал Samsung Galaxy S4, вышедший в 2014 году. Затем последовал iPhone 6 от компании Apple и с тех пор все флагманские смартфоны стали выпускаться с PDAF.

Принцип работы фазового автофокуса выглядит следующим образом. Когда объект находится в фокусе, отраженные от него лучи света будут в равной степени освещать противоположные стороны объектива. Если объект не в фокусе, лучи света по-разному проходят через края линзы.

Другими словами, чтобы сфокусироваться, камера должна получить два изображения одного и того же кусочка кадра — одно изображение с левой половины линзы, а другое — с правой. Если изображения будут немного смещены относительно друг друга, значит, снимаемый объект не в фокусе.

Рассмотрим простой пример:

Здесь мы видим изображение, полученное с одной стороны линзы (A) и с противоположной (B). Если эти сигналы сравнить, то мы увидим небольшое смещение (C). Так как камера хорошо знает свои параметры (размер объектива и линз, фокусное расстояние), ей не составляет труда определить расстояние, на которое нужно переместить линзу, чтобы сигналы с противоположных сторон объектива совпадали.

В этом и заключается главное преимущество фазового автофокуса над контрастным. При фазовом автофокусе камере достаточно одного кадра, чтобы рассчитать, в какую сторону и как далеко нужно переместить линзу. А при контрастном автофокусе, каким бы идеальным он ни был, приходится проверять множество кадров при разных положениях линзы, чтобы поймать самый высокий контраст.

Неужели у смартфона две матрицы!?

Действительно, каким образом смартфон получает две картинки с противоположных сторон линзы? Ведь, когда свет проходит через объектив, он освещает всю матрицу сразу. Все верно, но здесь есть один небольшой трюк.

В типичной матрице с PDAF автофокусом не все пиксели используются для получения картинки. Среди «обычных» пикселей встречаются пиксели PDAF, которые не участвуют в построении изображения, а служат лишь для фокусировки. Чтобы понять, в чем разница между этими пикселями, давайте посмотрим на их схематическое изображение:

Обычный пиксель (слева) и PDAF-пиксель (справа)

Слева изображен обычный пиксель. Здесь мы видим, как лучи света с противоположных сторон объектива (A и B) падают на микролинзу (C), прикрывающую сам фотодиод (E). Затем идет цветной фильтр (D), который пропускает только свет определенного цвета (в данном случае, красного). Если все это кажется вам немного сложным, почитайте первую часть статьи.

Справа изображен PDAF-пиксель, который имеет ряд отличий. Прежде всего, здесь нет цветного фильтра по нескольким причинам. Во-первых, цвет совершенно не играет никакой роли при оценке смещения изображения, а во-вторых, цветной фильтр пропускает только треть света, падающего на микролинзу.

Черная область на картинке справа (D) — это перекрытие половины фотодиода, которое блокирует весь свет, падающий с левой половины линзы объектива. То есть, этот пиксель содержит только те лучи света, что прошли через правую половину объектива. Если мы возьмем еще один PDAF-пиксель и перекроем другую половину его фотодиода, он будет содержать только те лучи, что прошли также через другую половину объектива. Такая пара PDAF-пикселей и содержит информацию с противоположных сторон объектива, которую мы можем теперь сравнивать.

Таких пар PDAF-пикселей на самом деле достаточно много «разбросано» по всей матрице — десятки тысяч. И каждый из них не содержит никакой информации о фотографии. Если ничего не предпринимать, на любом снимке со смартфона при детальном рассмотрении можно было бы отыскать десятки тысяч маленьких черных точек.

Но, к счастью, вы их не найдете. Смартфон прекрасно «знает» позицию каждого PDAF-пикселя и после съемки «зарисовывает» черные точки, примерно подбирая нужный цвет. Если на готовой фотографии PDAF-пиксель окружают зеленые точки, смартфон предполагает, что и на месте PDAF-пикселя должна была быть зеленая точка.

Что такое Dual Pixel от компании Samsung?

Это маленькая революция в области фокусировки камер. Правда, придуманная не компанией Samsung и не для смартфонов.

Впервые автофокус Dual Pixel был представлен компанией Canon в 2013 году с анонсом зеркальной камеры Canon EOS 70D. А спустя 3 года ту же технологию компания Samsung принесла в мир мобильных камер. Первым в мире смартфоном с Dual Pixel PDAF стал Samsung Galaxy S7.

Что интересно, на iPhone этой технологии до сих пор нет. Там используется гибридный автофокус — вначале смартфон примерно «прицеливается» с помощью PDAF, а затем доводит резкость контрастным автофокусом. Дело в том, что точность PDAF-автофокуса при столь редком «вкраплении» PDAF-пикселей ниже точности контрастного автофокуса, хотя он и быстрее. Поэтому, PDAF используется на iPhone лишь для того, чтобы понять, в какую сторону двигать линзы, чтобы фокус не прыгал туда-сюда, как на дешевых бюджетных камерах.

Такой же принцип используется и на других средне-бюджетных аппаратах с PDAF, но без Dual Pixel.

Каждый пиксель — это и PDAF, и обычный пиксель одновременно!

При использовании технологии Dual Pixel, каждый пиксель на матрице (или 80-90% всех пикселей) используется для работы фазового автофокуса. Но в таком случае, кто же тогда будет делать снимок, если все пиксели используются для фокусировки?

Давайте схематически изобразим Dual Pixel и все вопросы сами отпадут:

Здесь мы видим те же лучи света с противоположных сторон объектива (A и B), микролинзу (C) и цветной фильтр (D). Однако дальше картина немного отличается. Вместо одного фотодиода, собирающего весь свет, размещаются 2 отдельных фотодиода (E и F). А микролинза спроектирована так, чтобы на каждый отдельный фотодиод конкретного пикселя попадала только часть лучей с одной из сторон объектива.

Таким образом, каждый пиксель содержит информацию о фазе световых лучей. Здесь больше нет никаких перекрытий фотодиодов, блокирующих 50% всего света. Для фокусировки камера использует информацию с каждого фотодиода по отдельности (левая и правая стороны объектива), а во время съемки, сигналы с двух фотодиодов объединяются в один.

Камера не теряет информацию, так как здесь нет отдельных PDAF-пикселей, не захватывающих изображение. Также областью фокусировки является вся матрица, а не 5% ее пикселей.

В реальности, на матрице Samsung Galaxy S10 или Note10 с разрешением 12 мегапикселей используется 24 миллиона фотодиодов. Но работают они по отдельности только при фокусировке, а во время съемки сигнал обрабатывается совместно, да и линз с цветными фильтрами на такой матрице 12 миллионов.

Получается, на 108-Мп матрице в реальности используется 216 мегапикселей?

Нет. Размер одного пикселя на любой современной матрице с высоким разрешением (48/64/108 Мп) составляет рекордные 0.8 мкм. Если предположить, что каждый пиксель содержит еще по 2 отдельных фотодиода, мы получим размер каждого из них по 0.4 мкм. Но до этого технологии еще не дошли.

Чтобы ответить на этот вопрос, предлагаю взглянуть на реальную фотографию небольшого участка матрицы от Sony под микроскопом:

Матрица Sony

То, что вы видите — это реальные микролинзы, прикрывающие пиксели. Под ними расположены цветные фильтры и фотодиоды. Обратите внимание на крупный пузырек в центре кадра. Это микролинза PDAF-пикселя, скрывающая под собою два фотодиода.

Если мы посмотрим под микроскопом на матрицу Samsung, то увидим немножко другую картину:

Матрица Samsung, вид сверху

Здесь уже показан вид сверху. Но мы не видим никаких больших пузырьков, как у Sony, а вместо этого в центре находятся половинки пикселей. Это и есть «классические» PDAF-пиксели, у которых просто одна половина перекрыта, чтобы на них попадали только те лучи света, что прошли через одну половину объектива.

И пусть вас не смущает то, что на этой матрице идут подряд 4 пикселя, у которых перекрыта правая половина. Все дело в том, что перед вам — Tetracell матрица, у которой 4 пикселя объединяются в один. Соответственно, и PDAF-пиксели размещаются по такому же принципу. Подробно о Tetracell-матрицах было рассказано в первой части статьи.

Вместо заключения…

Надеюсь, эта часть не была слишком перегруженной и дала базовое понимание того, как устроен автофокус на современных смартфонах.

Dual Pixel — это логическое продолжение и развитие технологии PDAF-автофокуса. Если выбирать между смартфоном с PDAF и Dual Pixel, предпочтение следует однозначно отдавать Dual Pixel. К слову, такие матрицы используются далеко не только на флагманах от Samsung. Вы можете встретить технологию Dual Pixel на таких аппаратах, как:

• Asus ROG Phone
• Google Pixel 3a
• Google Pixel 3
• Google Pixel 2
• HTC Exodus 1
• HTC U12+
• LG V50
• LG G8 ThinQ
• Meizu 16X
• Motorola Moto Z3 Play
• Motorola Moto G6 Plus
• Nokia 8.1 aka Nokia X7
• Sony Xperia 1
• Vivo V15
• Xiaomi Mi 8 Pro
• и многих других

Если вы хотите более детально погрузиться в то, как устроены и работают камеры смартфонов, тогда рекомендую почитать мой цикл статей «Камера смартфонов для чайников«. Там вы найдете ответы на все вопросы, связанные с камерами и узнаете много всего нового и интересного.

Автор статьи: Алексей Сало, главный редактор Deep-Review; Фото на обложке (c) Thor Alvis, все иллюстрации в статье принадлежат Deep-Review.

 

P.S. Не забудьте подписаться в Telegram на первый научно-популярный сайт о мобильных технологиях — Deep-Review, чтобы не пропустить очень интересные материалы, которые мы сейчас готовим!

 

Основы работы с камерой

# 11: АФ с определением фазы

Фазовый АФ (также известный как АФ с определением разности фаз или АФ с определением разности фаз) — это система автофокусировки, используемая при съемке с использованием видоискателя на цифровых зеркальных фотокамерах. Его главная особенность — высокая скорость автофокусировки. Далее мы расскажем больше о фазовой автофокусировке и о том, как двухпиксельная CMOS-автофокусировка Canon использует новейшую технологию автофокусировки для включения фазовой автофокусировки даже в режиме Live View. (Сообщил Томоко Судзуки)

Фазовый автофокусировка — это система автофокусировки, используемая при съемке с использованием видоискателя на цифровых зеркальных фотокамерах

Для заметок

— Быстрая скорость автофокусировки.
— Требуется зеркальный механизм, разделяющий свет, попадающий в объектив, а также отдельный датчик автофокусировки.

Фазовый автофокусировка — это система автофокусировки, используемая при съемке с использованием видоискателя на цифровых зеркальных камерах. Он работает, разделяя свет, попадающий в линзу, на две части, так что формируются два изображения. Основываясь на разнице в положении точки фокусировки между этими двумя изображениями, камера вычисляет необходимое направление (в сторону камеры или от камеры) и величину (расстояние) для перемещения объектива для достижения фокусировки и перемещается. объектив соответственно.

Фазовый автофокус позволяет быстро установить автофокусировку, поскольку камера точно знает, на сколько и в каком направлении нужно переместить фокусирующую линзу. Однако для этой формы автофокусировки требуется специальный датчик автофокусировки вместе с механизмом, разделяющим свет между датчиком автофокусировки и датчиком изображения, который преобразует свет, попадающий в объектив, в изображение. Это затрудняет создание компактного корпуса камеры.

Фазовый автофокус может быстро фокусироваться, поскольку знает расстояние и направление от объекта

Пример фазового автофокуса

Пример контрастного АФ

Чтобы лучше понять, представим ситуацию, когда вам нужно разрезать арбуз.Фазовая автофокусировка похожа на попытку добраться до арбуза без повязки на глаза. Вы уже знаете расстояние и направление до арбуза, и это знание позволит вам быстро перейти к нему.

Между тем, контрастный AF был бы похож на попытку добраться до арбуза с завязанными глазами. Поскольку вы не можете узнать расстояние и направление до арбуза, вам нужно передвигаться, чтобы попытаться определить его местонахождение. Вот почему контрастный автофокус требует больше времени для достижения фокусировки на объекте по сравнению с фазовым автофокусом.

Связанная концепция 1: линейный датчик и датчик перекрестного типа

Схема расположения датчиков линейного и крестового типа

Датчик крестового типа с высокой точностью автофокусировки
A: обнаруживает горизонтальную линию объекта
B: обнаруживает вертикальную линию объекта

На датчике автофокусировки цифровой зеркальной камеры есть два типа датчиков: датчик линии и датчик крестового типа. Линейные датчики ориентированы либо вертикально, либо горизонтально, следовательно, они могут обнаруживать только горизонтальную или вертикальную линию объекта.Однако датчики крестового типа, которые состоят из линейных датчиков, расположенных крест-накрест, способны обнаруживать как вертикальные, так и горизонтальные линии объекта, и, как следствие, имеют более высокую точность в достижении фокусировки.

Камеры начального уровня, такие как EOS 1300D, обычно имеют только одну точку автофокусировки крестового типа, расположенную в центре. Однако более новые модели камер, такие как EOS 77D и EOS 800D, оснащены датчиками крестового типа для всех 45 точек автофокусировки. Этот дизайн подходит даже для опытных пользователей, которые хотят иметь возможность организовать свою композицию таким образом, чтобы их объект можно было разместить в любом месте кадра.Благодаря большему количеству датчиков крестового типа фокусировка может быть достигнута быстро, даже если объект находится по краям кадра.

Связанная концепция 2: Dual Pixel CMOS AF

На камерах, оснащенных Dual Pixel CMOS AF, фазовый автофокус можно использовать в режиме Live View в широкой области, отмеченной красным, без использования отдельного датчика автофокусировки. Быстрая и точная фокусировка может быть достигнута даже на движущихся объектах.

Dual Pixel CMOS AF — это новейшая система автофокусировки, разработанная Canon.Он позволяет использовать фазовый автофокус в режиме Live View и при видеосъемке, тогда как его можно было использовать только при съемке с использованием видоискателя на предыдущих зеркальных фотокамерах. Поскольку все пиксели на датчике изображения Dual Pixel CMOS AF оснащены датчиками определения фазы, для него не требуется отдельный датчик AF, поэтому он может быть реализован в беззеркальных камерах, таких как серия EOS M. Наряду с плавной и быстрой фокусировкой он может легко фокусироваться даже на движущихся объектах.

В следующем ролике показано, как Dual Pixel CMOS AF помогает при видеосъемке — некоторые моменты применимы и к фотографии!

Получайте последние новости о фотографии, советы и рекомендации, подписавшись на нас!

Как работает фазовый автофокус

Когда дело доходит до технологии DSLR, кажется, есть некоторая путаница в том, как именно работает фазовый автофокус.Хотя для большинства людей это может быть не очень интересной темой, если вам интересно, как и почему у камеры может быть проблема с автофокусом, эта статья прольет свет на то, что происходит внутри камеры с точки зрения автофокуса, когда делается снимок. . Существует огромное количество отрицательных отзывов о проблемах с автофокусировкой на таких точных инструментах, как Canon 5D Mark III, Nikon D800, Pentax K-5 и других цифровых зеркальных фотоаппаратах, и похоже, что большинство фотографов, похоже, не понимают, что основная проблема не обязательно с определенной моделью или типом камеры, а скорее с определенным способом фокусировки этих камер.Если вы поищете в Интернете, вы найдете тысячи отчетов об автофокусировке по всем видам зеркальных фотокамер, возраст которых насчитывает более 10 лет. Следовательно, проблемы с передним фокусом и задним фокусом, которые мы видим в современных камерах, не являются чем-то новым — они существуют с тех пор, как была создана первая зеркальная фотокамера с датчиком фазового обнаружения.

Как работают зеркальные камеры

Чтобы разобраться в этой проблеме более подробно, важно сначала узнать, как работает зеркальная камера. На типичных иллюстрациях DSLR показано только одно зеркальное зеркало, расположенное под углом 45 градусов.Чего они не показывают, так это того, что за зеркалом есть вторичное зеркало, которое отражает часть света в датчик фазового детектирования. Взгляните на упрощенную иллюстрацию ниже, которую я сделал из образца изображения Nikon D800:

Вот описание каждого числа, показанного на иллюстрации выше:

1. Луч света
2. Основное / отражающее зеркало
3. Дополнительное Зеркало, также известное как «дополнительное зеркало»
4. Затвор камеры и датчик изображения
5. Эксцентриковый штифт (1.5 мм шестигранник) для регулировки главного зеркала
6. Эксцентриковый штифт (шестигранник 1,5 мм) для регулировки вторичного зеркала
7. Датчик определения фазы (датчик автофокуса)
8. Пентапризма
9. Видоискатель

Давайте посмотрим, что происходит внутри камеры когда сделан снимок. Лучи света попадают в объектив (1) и попадают в камеру. Частично прозрачное главное зеркало (2) расположено под углом 45 градусов, поэтому оно отражает большую часть света вертикально в пентапризму (8).Пентапризма волшебным образом преобразует вертикальный свет обратно в горизонтальный и переворачивает его, так что вы видите именно то, что получаете, когда смотрите в видоискатель (9). Небольшая часть света проходит через главное зеркало и отражается вторичным зеркалом (3), которое также наклонено под углом (54 градуса на многих современных камерах Nikon, как показано выше). Затем свет достигает датчика фазового обнаружения / автофокусировки (7), который перенаправляет его на группу датчиков (два датчика на точку автофокусировки). Затем камера анализирует и сравнивает изображения с этих датчиков (аналогично тому, как оценивается фокусировка на дальномере), и, если они не выглядят одинаково, она дает команду объективу выполнить правильную настройку (подробнее см. Ниже).

Хотя описанный выше процесс выглядит более или менее простым, у этого подхода есть одна серьезная проблема. Датчик фазового определения — это датчик, который дает команду объективу выполнить правильную настройку, в то время как изображение захватывается совершенно другим устройством — датчиком на задней панели камеры. Почему это проблема? Помните, что когда вы делаете снимок, оба зеркала заднего вида поднимаются, затвор открывается, и свет от объектива попадает прямо на датчик камеры (4).Для правильной работы фазового автофокуса расстояние между креплением объектива и датчиком камеры, а также расстояние между креплением объектива и датчиком фазового определения должно быть идентичным . Если есть даже небольшое отклонение, автофокус будет некорректным. Вдобавок ко всему, если угол вторичного зеркала не совсем такой, каким должен быть, это также приведет к проблемам с автофокусировкой.

Как работает датчик фазового детектирования

Как я уже сказал выше, система фазового детектирования работает так же, как и дальномерные камеры.Свет, который отражается от вторичного зеркала, принимается двумя или более небольшими датчиками изображения (в зависимости от того, сколько точек фокусировки имеет система автофокусировки) с микролинзами над ними. Для каждой точки фокусировки, которую вы видите в видоискателе, есть два крошечных датчика разности фаз — по одному для каждой стороны объектива, как показано на иллюстрации вверху страницы (7) (на рисунке это поведение чрезмерно преувеличено. показаны два отдельных световых луча, доходящих до двух отдельных датчиков.Когда свет достигает этих двух датчиков, если объект находится в фокусе, световые лучи с крайних сторон линзы сходятся прямо в центре каждого датчика (как на датчике изображения). На обоих датчиках будут одинаковые изображения, указывающие на то, что объект действительно находится в идеальном фокусе. Если объект находится не в фокусе, свет больше не будет сходиться и попадет в разные стороны датчика, как показано ниже (изображение любезно предоставлено Википедией):

На рисунках 1–4 представлены условия, при которых объектив сфокусирован (1 ) слишком близко, (2) правильно, (3) слишком далеко и (4) слишком далеко.Из графиков видно, что разность фаз между двумя профилями может использоваться, чтобы определить не только в каком направлении, но и на сколько нужно изменить фокус для достижения оптимальной фокусировки. Обратите внимание, что на самом деле вместо сенсора движется объектив.

Поскольку система фазового детектирования знает, находится ли объект в фокусе спереди или сзади, она может отправлять точные инструкции на объектив камеры о том, в какую сторону и на сколько повернуть фокус. Вот что происходит, когда камера фокусируется на объекте (операция автофокусировки с обратной связью):

1. Свет, проходящий через крайние стороны объектива, оценивается двумя датчиками изображения
2. В зависимости от того, как свет достигает изображения датчиков, система автофокусировки может определить, находится ли объект в фокусе спереди или сзади, и по тому, насколько
3. Затем система автофокусировки дает команду объективу отрегулировать фокус.
4. Вышеупомянутое повторяется столько раз, сколько необходимо, до тех пор, пока не будет достигнута идеальная фокусировка.Если фокусировка не может быть достигнута, объектив сбрасывается и начинает повторную фокусировку, что приводит к «поиску» фокусировки.
5. После достижения идеальной фокусировки система автофокусировки отправляет подтверждение того, что объект находится в фокусе (зеленая точка внутри видоискателя, звуковой сигнал и т. д.)

Все это происходит за доли времени, поэтому система определения фазы работает намного быстрее, чем система определения контраста (которая полагается на изменение фокуса вперед и назад до тех пор, пока фокус не будет достигнут, с большим количеством изображений). анализ данных происходит на уровне датчика изображения).

Система фазового детектирования / автофокуса — очень сложная система, в которой практически каждый раз улучшается, когда обновляется линейка камер более высокого класса. С годами количество точек автофокусировки увеличивалось, а также количество более надежных точек автофокусировки крестового типа. Например, у Canon 1D X и Canon 5D Mark III колоссальная 61 точка фокусировки, 41 из которых перекрестного типа. Взгляните на эту сложную матрицу датчиков автофокусировки на камере:

Увеличено не только количество точек автофокусировки, но и их надежность.Большинство современных профессиональных фотоаппаратов сегодня поставляются с чрезвычайно быстрыми и легко настраиваемыми системами автофокусировки, которые могут непрерывно отслеживать объекты и фокусироваться.

Проблемы с автофокусом DSLR

Как вы можете видеть выше, система автофокусировки с определением фазы очень сложна и требует высокой точности для получения точных результатов. Что наиболее важно, система фазового обнаружения / автофокусировки должна быть правильно установлена ​​и выровнена в процессе производства. Если есть даже небольшое отклонение, которое случается довольно часто при производстве, автофокус отключится.Это основная причина, по которой фазовое обнаружение было источником проблем в значительной степени с тех пор, как появилась первая зеркальная фотокамера с датчиком фазового обнаружения. Понимая эти возможные отклонения, все производители зеркальных фотокамер разработали систему высокоточной калибровки, которая учитывает это и позволяет индивидуальную калибровку камеры в процессе проверки и обеспечения качества (QA).

Если обнаружена проблема выравнивания датчика с определением фазы, система выполняет автоматическое компьютеризированное тестирование, которое проходит через каждую точку фокусировки и вручную настраивает ее в камере.Отклоненные точки повторно калибруются и настраиваются, затем значения компенсации записываются в прошивку камеры. Думайте об этом как о процессе, аналогичном процессу точной настройки AF / Micro Adjust, который происходит на уровне определения фазы, за исключением того, что он выполняется для каждой точки фокусировки AF отдельно.

Что такое фазовый автофокус? (И почему это важно)

Камеры обманчиво просты на первый взгляд. Возьмите свою зеркалку, посмотрите в видоискатель, зафиксируйте фокус и снимайте.

Конечно, за этим стоит гораздо больше, в том числе процесс, называемый «автофокусировка с определением фазы». Эта фраза часто встречается в мире зеркальных и беззеркальных камер. Но что это на самом деле означает?

Прочтите, чтобы узнать больше о том, как работает автофокусировка с определением фазы.

© Тамара Кедвес

[ Примечание: ExpertPhotography поддерживается читателями. Ссылки на продукты на ExpertPhotography — это реферальные ссылки. Если вы воспользуетесь одним из них и что-то купите, мы заработаем немного денег.Нужна дополнительная информация? Посмотрите, как это все работает. ]

Что такое автофокус?

Начнем с основ. Есть два типа фокусировки: автоматический и ручной.

Ручная фокусировка — это когда пользователь должен управлять фокусировкой, поворачивая кольцо фокусировки влево или вправо для достижения фокусировки. В новых камерах у нас часто есть так называемая функция выделения пика фокуса, помогающая в этой процедуре.

Автофокус — это когда камера делает все за вас. Он использует компьютер для запуска миниатюрного мотора, который вращает кольцо фокусировки.

У вас даже есть возможность переключать AF-MF вперед и назад на вашем объективе или в камере. Если вы нажмете кнопку спуска затвора наполовину, вы активируете автофокусировку. После этого вы можете использовать кольцо ручной фокусировки для точной настройки фокуса.

Это кольцо фокусировки перемещает внутренний компонент объектива внутрь и наружу. Это действие повторяется до тех пор, пока не будет проецироваться самое резкое изображение объекта. Но давайте разберемся с этим более подробно.

Все цифровые фотоаппараты имеют гистограмму.Они говорят вам об экспозиции того, что вы фотографируете. Гистограмма показывает вам, насколько равномерно экспонируется ваша фотография после того, как вы ее сделали.

Автофокусировка с обнаружением контраста работает, оценивая эту гистограмму (которая связывается с датчиком). Затем камера постепенно перемещает объектив. Он продолжает переоценивать, есть ли более или менее контраст с тем, что вы снимаете.

Если камера обнаруживает увеличение контрастности, она перемещает объектив в этом направлении с более высокой контрастностью, пока не достигнет своего полного потенциала.Если контраст уменьшается, камера перемещает объектив в другом направлении.

Этот процесс повторяется снова и снова, пока не будет достигнута высокая контрастность. Обнаружение контраста помогает получить хорошо сфокусированное изображение с высокой контрастностью.

С автофокусом с определением фазы подумайте немного о луне и ее различных фазах. Для камеры, когда определенная точка оказывается в идеальном фокусе, есть световых лучей .

Фотография, находящаяся в фокусе, будет иметь световые лучи, которые будут отбрасывать свет на противоположные стороны линзы.Именно тогда появляется термин «в фазе», например, как работают фазы луны.

Камера может определить, когда фокус не достигается, потому что противоположная сторона больше не освещается (это называется не в фазе). Это происходит, когда линза неправильно фокусируется на точке. Он может быть перед ним или позади него.

Как понять фазовый автофокус

Внутри камеры находится призм . Для определения фазы изображение, которое вы видите, попадает в призму, а затем разделяется на два изображения.Если эти изображения совпадают, ваш объект находится в фокусе. Если они не совпадают, значит, ваш объект не в фокусе.

Частично причина того, что зеркальные камеры такие тяжелые, заключается в том, что в них есть настоящая призма. Это разделяет изображение на датчик фокусировки.

Итак, как в этом случае получить что-то в фокусе? Это очень похоже на игру в угадывание, не так ли? На самом деле камеры умнее этого.

Датчик внутри камеры знает, какое разделенное изображение является каким.Таким образом, он может связываться с камерой и сообщать ей, в каком направлении следует перемещать фокус, чтобы изображения совпадали.

Давайте сделаем его более продвинутым.

Помните, как мы упоминали выше световые лучи? Световые лучи проходят через линзу, и этот свет обнаруживается датчиком автофокусировки. Затем система автофокусировки может определить, фокусируется ли объект спереди или сзади. Камера получает прямую информацию о том, как следует повернуть кольцо фокусировки, чтобы зафиксировать объект.

Беззеркальные камеры меньше и легче, потому что они достигают того же результата, делая это на датчике.

После совмещения изображений система отправляет подтверждающее сообщение о том, что объект находится в фокусе. И вся эта сложность происходит за доли секунды!

Система фазовой автофокусировки

отлично подходит для съемки движения, потому что она невероятно быстрая.

Итак, если вы когда-либо участвовали в игре о покупке, вы наверняка слышали о точках определения фазы.Цифровая камера имеет определенное количество этих точек. Есть много точек датчика автофокусировки, где можно сравнить разделенное изображение. Чем их больше, тем точнее будет фокус.

Беззеркальная камера Sony A7 III лидирует в этом отношении с 693 точками, которые покрывают 93% площади изображения. Это означает, что у нее гораздо больше шансов правильно сфокусироваться, чем у камеры, у которой значительно меньше точек фокусировки.

Для чего используется фазовый автофокус?

Этот тип автофокусировки очень хорошо подходит для съемки в движении.Лучше всего он работает при использовании с отслеживанием изображения и режимами AI / AF Servo / Continuous Focus.

Некоторые новые техники фокусировки также были внедрены за последние пару лет. Например, система автофокуса Sony Eye AF создана специально для съемки животных. Он отслеживает глаза животного, чтобы найти фокус. Система автофокусировки с распознаванием лиц делает то же самое, но для человеческих лиц – и довольно точна.

Обнаружение фазы работает и для других типов фотографии, таких как портреты и натюрморты.Но фотографы-активисты будут очень благодарны за включение этой системы.

Есть несколько других преимуществ автофокусировки с определением фазы. К ним относятся скорость и возможность сенсора оценивать глубину резкости изображения.

Вы также можете получить точное представление о глубине резкости еще до того, как сделаете снимок.

© Тамара Кедвес

Каковы недостатки фазового детектирования?

Это сложный процесс, требующий точности. Программное обеспечение для определения фазы должно быть правильно установлено и выровнено.В противном случае это может привести к отключению автофокусировки. Это вызывает проблемы с выравниванием датчика.

Как только камера обнаруживает эту проблему, она автоматически калибрует точки фокусировки. Вот почему так важно постоянно обновлять прошивку камеры.

Возможно, он не сможет сфокусироваться на малоконтрастных объектах так же точно, как в других режимах фокусировки. Также ему трудно сфокусироваться при слабом освещении.

Эти проблемы также относятся к автофокусировке с определением контраста. Но в целом такой способ фокусировки более точен, когда дело доходит до сложных световых ситуаций.При обнаружении контраста калибровка объектива не требуется.

Заключение

Понимание того, как работает автофокус с определением фазы, определенно пригодится. Вы можете избавиться от нескольких проблем с фокусировкой и знать, когда что-то не работает в вашей камере.

Попробуйте, экспериментируйте и наслаждайтесь преимуществами!

Вы когда-нибудь хотели иметь с собой все полезные советы по фотографии? Наши шпаргалки по быстрому захвату делают именно это.Посмотрите их здесь.

Хотите больше? Шпаргалки по нашим фотографиям

Эти шпаргалки — прекрасный визуальный инструмент, который поможет вам овладеть фотографией.

Они всегда под рукой… в телефоне или в сумке для фотоаппарата… и они были тщательно продуманы, чтобы вы могли понять все с первого взгляда.

Вы больше никогда не забудете ключевой совет по фотографии!

Обнаружение фазы и обнаружение контраста Автофокус

Система фокусировки, которую использует ваша камера, имеет большое значение для ее эффективности.Если вы хотите максимально использовать возможности автофокусировки камеры, важно знать, как она работает. Также полезно понимать разницу между фазовой и контрастной автофокусировкой (AF), поскольку это две системы, используемые в современных цифровых камерах.

Например, если вы увлекаетесь портретной фотографией и любите использовать объективы с постоянным фокусным расстоянием и широкую диафрагму, тогда точная фокусировка имеет решающее значение. Вам нужен точный автофокус, чтобы глаза модели были в фокусе на таких портретах, как этот, снятых с диафрагмой f1.2 с объективом 56 мм.

Обнаружение контраста, используемое в беззеркальных камерах, лучше, чем обнаружение фазы, используемое в цифровых зеркальных камерах.

Если вы не знаете, почему это так, то прочтите мою статью «Как сфокусироваться на широкой диафрагме».

Но если вы увлекаетесь фотографией дикой природы или спортом, или чем-то еще, где используются функции отслеживания автофокусировки и непрерывной фокусировки вашей камеры, то фазовый автофокус работает лучше.

Также следует отметить, что камеры и объективы работают вместе, когда речь идет о производительности автофокуса.И Canon, и Nikon производят высокопроизводительные супертелеобъективы, которые предназначены для максимально эффективного использования систем автофокусировки в своих камерах высокого класса. Вот почему так много профессиональных спортивных фотографов используют тот или иной вариант.

В некоторых камерах используется гибрид двух систем. Например, цифровая зеркальная фотокамера (SLR) может использовать автофокусировку с определением контраста в режиме Live View или видеосъемки и автофокусировку с определением фазы, когда вы смотрите в видоискатель.

Некоторые беззеркальные камеры также имеют точки автофокусировки с определением фазы, которые работают в режиме непрерывной автофокусировки для повышения точности следящего автофокуса.Но механика фазового автофокуса в беззеркальных камерах отличается от таковой в зеркальных камерах, как мы увидим далее в статье.

Фазовый автофокус в зеркальных фотоаппаратах

В зеркальной фотокамере свет проходит через объектив, попадает в отражающее зеркало, отражается вверх через пентапризму и выходит через видоискатель. Цель конструкции камеры такого типа — показать вам, что именно объектив видит в видоискателе. Это позволяет избежать ошибок параллакса, которые возникают на близком расстоянии фокусировки с дальномером и зеркальными фотокамерами с двумя объективами.

Преимущества, которые это давало фотографам, привели к тому, что зеркальные фотоаппараты стали предпочтительным вариантом для большинства фотографов около 50 лет назад. До появления беззеркальных фотоаппаратов это никогда не оспаривалось серьезно. Многие беззеркальные камеры по-прежнему используют конструкцию типа SLR (с электронным видоискателем в выступе в центре корпуса), хотя, строго говоря, они не являются SLR-камерами, так как у них нет зеркального зеркала.

Центр зеркала камеры является полупрозрачным, а дополнительное зеркало позади него отражает свет вниз в основание корпуса камеры, где расположен блок датчика автофокусировки (на фотографии ниже показан блок автофокуса от Canon EOS 50D).Это сердце системы фазовой автофокусировки.

На этой схеме показаны пути света через корпус камеры, когда зеркальное зеркало находится в нижнем положении. Зеркало отражает свет вверх в пентапризму и выходит через видоискатель. Часть света также отражается вниз к датчику автофокусировки.

Блок автофокусировки содержит датчик, соответствующий точкам автофокусировки камеры. Это датчик автофокусировки камеры EOS 5D Mark III. Линии на датчике соответствуют массиву точек автофокусировки камеры.

Фазовый автофокус в действии

В зеркальной камере свет, отраженный от вспомогательного зеркала, разделяется на два отдельных изображения с помощью призм и микролинз в блоке датчика автофокусировки, каждое из которых направлено на две линии на датчике автофокусировки, соответствующие активной точке автофокусировки.

• Если изображения точно совпадают с двумя линиями, объект находится в фокусе.

Расстояние между двумя изображениями сообщает камере, насколько объектив не в фокусе.

• Если два изображения расположены ближе друг к другу, то объектив фокусируется перед объектом.

• Если два изображения находятся дальше друг от друга, то линза фокусируется за объектом.

Блок автофокусировки определяет, как далеко переместить объектив, чтобы сфокусировать объект, и в каком направлении, а затем перемещает объектив в это положение. Он быстрый и (в пределах ограничений, см. Ниже) точный, что делает его идеальным для отслеживания быстро движущихся объектов.

Ограничения определения фазы AF

Это основные ограничения фазовой автофокусировки.

Не работает при слабом освещении. Камере нужен свет для фокусировки, и чем его меньше, тем сложнее становится точная фокусировка. Это также относится к автофокусировке с обнаружением контраста.

Возможно, не удастся точно сфокусироваться на слабоконтрастных объектах. Это также относится к автофокусировке с обнаружением контраста.

Нельзя ставить точки автофокусировки близко к краю кадра. Камера фокусируется с объективом, установленным на самую широкую диафрагму, и края кадра всегда темнее, чем центр при этой настройке.Поскольку фазовая автофокусировка плохо работает при слабом освещении, виньетирование делает непрактичным размещение точек автофокусировки рядом с краем кадра.

Предрасположен к ошибкам при фокусировке с использованием широкой диафрагмы. Это связано с тем, что автофокусировка с определением фазы является частично механическим процессом. Длина пути света от объектива до датчика автофокусировки теоретически равна длине пути света от объектива до датчика.

Но в реальном мире камеры и объективы изготавливаются с заданными допусками.Такая точность слишком дорога и требует много времени. Если ваша конкретная камера и объектив находятся на пределе своих допусков, возможно, что объектив будет немного фокусироваться впереди или позади того места, где, по мнению камеры, он сфокусирован.

Это может привести к ошибкам фокусировки при использовании объективов с широкой диафрагмой (с их узкой глубиной резкости). Большинство объективов среднего и высокого класса для цифровых зеркальных фотокамер позволяют откалибровать объектив, чтобы устранить ошибки фокусировки.

Не работает в режиме Live View или видео. Самые ранние зеркальные камеры с Live View имели ручную фокусировку только в Live View и режиме видео. В новых камерах используется комбинация автофокусировки с определением контраста и автофокусировки с определением фазы по датчику (см. Ниже) для достижения фокусировки в режиме Live View и видео.

---

Запишитесь на бесплатный курс электронной почты «5 шагов к улучшению композиции»!

Начните свое путешествие по композиции прямо сейчас. Получите пять бесплатных уроков плюс еженедельные советы и подсказки, когда вы подпишетесь на нашу рассылку 🙂 Никакого спама, никогда!

---

Обнаружение фазы на основе датчика AF

АФ с определением фазы является частью очень точной и точной системы автофокусировки, которая позволяет высококачественным зеркальным фотокамерам точно отслеживать быстро и беспорядочно движущиеся объекты.

Но он не работает в режиме Live View или видео. В этих режимах зеркало камеры поднимается, чтобы свет от объектива достигал датчика в непрерывном режиме. Свет больше не достигает блока автофокусировки.

На этой диаграмме показан путь света через корпус зеркальной камеры в режиме Live View или видеосъемки. Зеркало в верхнем положении. Путь точно такой же через беззеркальный корпус камеры.

Беззеркальные камеры не имеют датчиков автофокусировки.Вместо этого они снимают показания с сенсора камеры. Цифровые SLR также снимают показания с датчика в режиме Live View или видео.

Разные производители решают эту проблему по-разному. Итак, давайте посмотрим, как это делают Fujifilm и Canon.

Fujfilm добилась этого, добавив пиксели, которые замаскированы так, что они получают свет только с одной стороны объектива.

Под каждой точкой автофокусировки с определением фазы лежат полосы закрытых датчиков, которые принимают свет с одной стороны объектива, и других датчиков, которые принимают свет с другой стороны.Камера сравнивает оба, и когда они совпадают, узнает, что объект в фокусе. Если объект не в фокусе, он вычисляет, насколько необходимо отрегулировать объектив, чтобы сфокусировать объект, и перемещает объектив туда.

Обзоры системы Fujifilm показывают, что она работает хорошо, но еще не достигла скорости и точности отслеживания, как у высококлассных камер Canon и Nikon.

Новейшая технология Canon называется Dual Pixel CMOS AF. Каждый пиксель сенсора камеры состоит из двух фотодиодов.Один диод собирает свет, другой используется для фазовой автофокусировки. Canon использует эту технологию в режиме видео, чтобы помочь камере отслеживать движущиеся объекты при съемке видео. Он также используется в некоторых беззеркальных камерах серии M.

АФ с обнаружением контраста в беззеркальных и зеркальных фотоаппаратах

Автофокус с обнаружением контраста работает путем анализа пикселей на датчике камеры. Он работает на основе того, что объект находится в фокусе при максимальном контрасте. Чтобы найти эту точку, нужно перемещать точку фокусировки линзы вперед и назад.

В результате автофокусировка с определением контраста работает медленнее, чем автофокусировка с определением фазы. Но он гораздо точнее фокусируется на неподвижных объектах. Нет необходимости калибровать объектив, поскольку нет механических ошибок фокусировки.

Это относительное отсутствие скорости не имеет значения при съемке неподвижных объектов. Но это имеет большое значение при отслеживании движущихся объектов. Особенно если учесть, что камера должна толкать и тянуть объектив, чтобы зафиксировать фокус. Вот почему производители камер разработали различные решения для реализации фазовой автофокусировки в беззеркальных камерах и цифровых зеркальных фотокамерах в режиме Live View или видеосъемки.

Заключение

Тема автофокуса может быть довольно сложной. Полное понимание этого требует глубоких технических знаний, которых нет у большинства фотографов (в том числе и у меня). Эта статья представляет собой упрощение основных принципов. Это должно помочь вам понять, как работают разные системы автофокусировки, и каковы плюсы и минусы каждого типа. Если у вас есть какие-либо вопросы или комментарии по поводу автофокусировки, сообщите нам об этом в комментариях ниже.

Дополнительная литература

Электронная книга по линзам для мастеринга

Узнайте, как делать красивые фотографии с помощью любого объектива с помощью нашей популярной электронной книги Mastering Lenses.Одно только руководство по покупке линз может сэкономить вам сотни долларов на следующей покупке линз!

Что такое PDAF? Объяснение автофокусировки с определением фазы

Роберт Триггс / Android Authority

iPhone 12 Pro Max (L), Samsung Galaxy S21 Ultra (R)

Технология автофокуса является одним из ключевых столпов мобильной фотографии, обеспечивая четкие и чистые снимки даже самые быстро движущиеся объекты. Но знаете ли вы, что автофокус бывает разных типов, в зависимости от датчика внутри вашего смартфона или камеры? Сегодня мы собираемся погрузиться в фазовый автофокус (PDAF), один из наиболее распространенных типов автофокусировки.

Многие современные камеры смартфонов имеют автофокус с определением фазы. Это быстрее и точнее, чем классическое определение контраста. Обнаружение контраста — самый простой и дешевый вид автофокусировки, но также и самый медленный и наименее точный при съемке движущихся объектов. Так что же делает PDAF намного лучше?

---

Что такое PDAF и как он работает?

Как и все хорошие технологии камеры, PDAF восходит к традиционным камерам и зеркальным фотокамерам. В зеркальных камерах зеркала отражают копии света основного датчика на специальном датчике определения фазы.Смартфоны не имеют одинакового пространства для размещения всех этих частей. Вместо этого мобильные датчики имеют специальные пиксели PDAF, встроенные в датчик изображения, подход, заимствованный у компактных камер.

Самый простой способ понять, как работает PDAF, — это начать с размышлений о свете, проходящем через объектив камеры с самых крайних краев. При идеальной фокусировке свет даже от этих крайних сторон объектива будет преломляться, чтобы встретиться в точной точке на датчике камеры. Эта точка фокусировки / встречи, установленная перед датчиком изображения или за ним, приводит к нечеткому изображению.Регулировка объектива для изменения этой точки фокусировки — это именно то, как работает фокусировка камеры.

Другими словами, мы можем сказать, находится ли изображение в фокусе, потому что даже свет, исходящий из двух разных точек на линзе, сходится в одной точке. В зеркальных фотокамерах и беззеркальных камерах с фазовой автофокусировкой используются два специальных датчика PDAF для получения отдельных изображений для сравнения. У компактных фотоаппаратов и смартфонов нет такой роскоши. Вместо этого эта двойная перспектива должна быть создана с помощью специальных фазовых фотодиодов на датчике изображения.

Связано: Компактная камера и перестрелка со смартфоном

Эти фотодиоды физически замаскированы, так что свет попадает на них только с одной стороны объектива. Это создает пиксели левого и правого взгляда на одном датчике изображения, что дает нам два наших изображения для сравнения фокуса. Для определения точки фокусировки вычисляется разность фаз между двумя изображениями. Схема Samsung ниже предлагает интуитивно понятный взгляд на это, сравнивая эти левые / правые пиксели с нашими глазами.

Получая изображения со смещением влево и вправо, PDAF работает как человеческий глаз.

Если изображение не в фокусе, данные о разности фаз между изображениями используются для расчета того, как далеко нужно переместить объектив, чтобы сфокусировать его. Это то, что делает фокусировку PDAF такой быстрой по сравнению с обнаружением контраста. Однако, когда половина пикселя заблокирована, эти фотодиоды дают меньше света, чем обычный пиксель. Это может вызвать проблемы с фокусировкой при слабом освещении, когда традиционное определение контраста все еще часто используется в качестве гибридного решения.Кроме того, вертикальные полосы означают, что камеры могут иметь проблемы с фокусировкой на горизонтальных линиях, поэтому более совершенные датчики используют шаблоны перекрестного фокуса.

Как видите, нам не нужно использовать каждый пиксель камеры, чтобы определить фокус. Вместо этого подойдет несколько полосок пикселей на сенсоре. Обычно для автофокусировки зарезервировано от 5 до 10% пикселей сенсора. Однако некоторые современные датчики высокого класса с улучшенным PDAF позволяют использовать каждый пиксель для фокусировки, что делает их еще более быстрыми и точными.

См. Также: Лучшие телефоны с камерой, которые вы можете получить в 2021 году

---

PDAF за и против

По сравнению с традиционным контрастным автофокусом, автофокусировка с определением фазы работает быстрее и обычно более точна. Контрастный автофокус занимает много времени, потому что ему приходится сканировать весь диапазон фокусных точек, чтобы найти наиболее резкий фокус. По сути, это метод проб и ошибок. В PDAF разность фаз используется для почти мгновенного расчета, на сколько нужно переместить линзу для достижения фокусировки.

Фазовый АФ быстрее и точнее, чем традиционный контрастный АФ.

Однако PDAF на датчике имеет несколько недостатков по сравнению с PDAF DSLR. Природа небольших сенсоров смартфонов и даже меньших пикселей может создавать проблемы с шумом, что проблематично в условиях низкой освещенности. Даже фазовой автофокусировке может потребоваться несколько попыток для получения идеальной фокусировки в менее чем идеальных условиях. Хотя использование большего количества пар детекторов помогает ускорить процесс. В результате смартфоны иногда используют гибридный подход для устранения этого недостатка.

Автофокусировка с определением фазы — это незаменимая вещь для серьезного мобильного фотографа. К счастью, вы найдете эту технологию во всех смартфонах высокого и даже среднего уровня, выпущенных за последние несколько лет. Фактически, камеры смартфонов высокого класса теперь оснащены значительно улучшенной автофокусировкой Dual Pixel.

Далее: Что такое автофокусировка All Pixel?

Обнаружение фазы и обнаружение контраста

Опубликовано во вторник, 16 марта 2021 г. в статьях, функциях, подсказках и подсказках

Одна из вещей, которую вы должны быстро понять, покупая новую камеру, — это тип системы автофокусировки, которую вы хотите иметь.Существует два основных типа автофокусировки (AF): автофокусировка с определением контраста и автофокусировка с определением фазы.

Один лучше другого? Как это часто бывает, ответ зависит от типа фотографии, которую вы хотите снимать, и от того, хотите ли вы инвестировать в зеркальную или беззеркальную камеру. Системы обнаружения контраста и фазы имеют свои плюсы и минусы.

Обнаружение контраста AF

Как следует из названия, автофокусировка с определением контраста использует контраст между краями сцены для поиска фокуса.

АФ с обнаружением контраста анализирует контраст пикселей на датчике камеры и толкает объектив вперед и назад, пока не найдет правильную точку фокусировки. Когда контраст самый высокий, объект в фокусе.

Определение контраста исключительно точное, поскольку оно анализирует каждую точку контраста, пиксель за пикселем, на сенсоре камеры. Естественно, этот процесс занимает немного времени, а значит, это также медленный способ автофокусировки.

Обнаружение фазы

Технология определения фазы разделяет свет, попадающий в камеру, на два отдельных луча.Когда две части сходятся, изображение оказывается в фокусе. Когда они не совпадают, система вносит точные изменения в мотор фокусировки, чтобы выровнять изображения.

Старые зеркальные камеры использовали настоящие пентапризмы для ручной фокусировки. Но большинство современных зеркальных фотоаппаратов имеют специальный датчик автофокуса, который считывает свет, попадающий в объектив. В беззеркальных камерах нет специального датчика автофокусировки, они снимают показания с основного датчика.

Когда камера имеет 315 точек определения фазы, например Sony RX10 IV, это означает, что на датчике есть 315 определенных мест, где можно сравнить разделенное изображение.

Сенсору довольно просто научиться корректировать фокусировку. Когда лучи света сближаются, линза фокусируется перед объектом, а когда они находятся дальше друг от друга, линза фокусируется позади объекта.

Поскольку объектив может предсказывать фокусировку, а не искать ее, определение фазы происходит намного быстрее и позволяет выполнить автофокусировку за доли секунды. Но этот механизм также более дорогостоящий и тяжелый, чем автофокусировка с обнаружением контраста.

Большим недостатком фазовой автофокусировки является то, что она плохо работает в режиме Live View или видеосъемки в зеркальных фотокамерах.Это связано с тем, что в этих режимах зеркало камеры поднимается, блокируя попадание света на блок автофокусировки. В этих случаях зеркалки работают так же, как беззеркальные камеры, снимая показания с основного датчика.

Обнаружение фазы также может работать по-разному для разных объективов — или не совмещаться, что означает, что перед использованием может потребоваться точная настройка камеры.

Так что лучше: контрастный или фазовый автофокус?

Автофокусировка с определением контраста меньше, дешевле и точнее — по крайней мере, при съемке неподвижных объектов — по сравнению с фазовой автофокусировкой.

Но он также значительно медленнее. Для калибровки системы определения контраста требуется время, а это значит, что она не идеальна для быстро движущихся объектов.

Итак, если вы собираетесь снимать портреты, пейзажи или фотографии, лучше всего подойдет автофокусировка с обнаружением контраста. Для съемки спорта и дикой природы больше подходит фазовый автофокус, особенно в режиме непрерывной съемки.

В наши дни все чаще встречаются камеры с гибридными системами автофокусировки, которые сочетают фокусировку с определением фазы и контраста.Например, Sony a6600 объединяет 425 точек определения фазы с 169 точками определения контраста.

Обычно такие гибридные системы автофокусировки начинаются с автофокусировки с определением фазы, чтобы быстро сфокусировать объект, переходя к обнаружению контраста для уточнения краев, что приводит к максимально резкому результату.

Все еще не знаете об автофокусе?

Все еще не совсем уверены, нужна ли вам автофокусировка с определением фазы или с определением контраста для вашего конкретного стиля фотографии?

Посетите ближайший к вам магазин и проконсультируйтесь с нашими специалистами о лучшей системе автофокусировки для ваших нужд.Вы даже можете протестировать различные системы, пока находитесь там.

Аренда линз | Блог

Закон Кларка: Любая достаточно продвинутая технология неотличима от магии . Артур Кларк,
Закон Кларка: . Любая достаточно развитая невежественность неотличима от злого умысла . Дж. Портер Кларк

Мои извинения

Ничто на онлайн-форумах не демонстрирует эти два закона лучше, чем обсуждение систем автофокусировки камеры.Закон Кларка, потому что очень, очень немногие люди хоть немного понимают, как работает автофокус. Закон Кларка, потому что, поскольку они не понимают автофокусировку, когда возникает эта тема, действуют три правила онлайн-обсуждения (1 — выявить вину заранее, 2 — повторять громко, 3 — повторять часто). Поэтому большинство дискуссий, которые начинаются со слов «Моя камера (или этот объектив) плохо автофокусируется», быстро заканчиваются персеверацией «потому что ты плохой фотограф» или «потому что это оборудование отстой».

Не то чтобы я толком разбирался в автофокусе.Конечно, я знал некоторые очевидные вещи: фазовый автофокус — быстрый, контраст — медленный; Объективы f / 2.8 фокусируются точнее, чем более светосильные объективы; С линзами сторонних производителей, как правило, больше проблем, чем с линзами производителя. Но поскольку я не понимал, как на самом деле работает автофокус, я не понимал , почему эти вещи были правдой.

Итак, я подумал, что просто найду об этом в Интернете и узнаю. За исключением того (и вы не представляете, как я здесь шокирован) в Интернете не было диддли-сквота для чтения.Пара коротких статей и блогов, по крайней мере в одной из которых были серьезные ошибки, которые мог заметить даже я. Пара маркетинговых материалов от производителей фотоаппаратов, полных заявлений, но с некоторыми деталями. Ничего больше. Я дошел до конца Интернета, по крайней мере, в том, что касается автофокусировки SLR.

Итак, вот оно — вакуум, ожидающий заполнения. Мой шанс написать окончательную статью по теме наконец-то появился, поскольку, по определению, единственная статья была бы лучшей статьей.(Думаю, это тоже будет худшая статья, но я стараюсь сохранять позитивный настрой). Никогда не позволяя незнанию мешать мне писать по теме, я решил действовать как можно быстрее.

Но все было не так быстро. Понятно, что производители фотоаппаратов не афишируют, как они заставляют работать свои системы автофокусировки, они просто рекламируют, что их система каким-то образом отличается от других и намного лучше, чем у других. Итак, я потратил месяц на сбор и чтение книг, журнальных статей и даже патентных заявок, а затем приступил к написанию исчерпывающей статьи об автофокусе.

Это не то. В нем было около 14 страниц, и даже я заснул на полпути, вычитав его. Это сокращенная версия этой статьи в Cliff Notes. Чтобы довести его до разумной длины, мне придется опустить вовлеченные оптику и физику, но я сделал все возможное, чтобы все было точным, и включил ссылки в конце для тех из вас, кто хочет увидеть эти вещи.

Начнем с более простого (и более точного) из двух распространенных типов систем автофокусировки, используемых в SLR: автофокусировки с оценкой контраста.

Оценка контрастности Автофокус

Оценка контрастности — это просто так: компьютер камеры оценивает гистограмму, которую он видит с сенсора, немного перемещает объектив, а затем повторно оценивает, есть ли больший или меньший контраст. Если контраст увеличился, он продолжает перемещать линзу в этом направлении до тех пор, пока контраст не станет максимальным. Если контраст уменьшился, он перемещает линзу в другом направлении. Повторяйте по мере необходимости до тех пор, пока контраст не станет максимальным (что в основном означает движение немного выше идеального с последующим резервным копированием, когда контраст снова начнет уменьшаться).Идеально сфокусированный снимок должен иметь самый высокий контраст.

Если ваша камера показывает гистограмму Live View, вы можете до некоторой степени контрастировать автофокусировку для нужного типа изображения (снимок, на котором все находится на одинаковом расстоянии), просто вручную фокусируясь до тех пор, пока гистограмма не покажет максимальный контраст. При автофокусировке с определением контраста, конечно, фактически оценивается только небольшая область, отмеченная как детектор автофокусировки, а не весь датчик. Это позволяет вам выбрать объект, на котором вы хотите сфокусироваться, а также, чтобы компьютеру камеры не приходилось обрабатывать контраст всего изображения, а только точки автофокусировки.

Недостатки оценки контрастности

Основным недостатком автофокусировки с оценкой контрастности является ее медленная работа. Схема «движение — оценка — движение — оценка» требует времени, и камера вполне может начать с перемещения фокуса в неправильном направлении, а затем ей придется повернуться вспять. Поскольку он медленный и не дает возможности прогнозирования, определение контраста не подходит для съемки боевиков или спортивной съемки. Медлительность может раздражать даже при съемке фотографий и портретов. Оценка контрастности также требует немного лучшего света, чем автофокусировка с определением фазы, и, очевидно, для этого требуется область с хорошим контрастом на изображении.

Преимущества оценки контрастности

У автофокусировки с оценкой контрастности есть некоторые преимущества, которые не только сохранили его, но и увеличивают его интенсивность. Первое преимущество в том, что это проще. При этом не требуются дополнительные датчики и микросхемы, которые требуются для фазовой автофокусировки. Простота снижает стоимость и (наряду с тем фактом, что скорость автофокусировки не так критична) является основной причиной, по которой обнаружение контраста используется в камерах «наведи и снимай».(Другая причина заключается в том, что камеры «наведи и снимай» по своей природе имеют большую глубину резкости, поэтому точная фокусировка также не так важна.)

Простота также уменьшает размер. В беззеркальных системах приоритет отдается небольшому размеру, и система определения контраста не требует дополнительных световых путей, призм, зеркал и линз, которые необходимы для системы фазового контраста. Это важное преимущество для небольших камер со сменными объективами, которые мы начинаем видеть на рынке, и все они используют определение контраста.

Второе преимущество заключается в том, что при оценке контрастности для определения фокуса может использоваться сам датчик изображения. Не существует отдельного светового пути с призмами, зеркалами и т. Д., Которые могли бы быть менее чем идеально откалиброваны для датчика. Во время автофокусировки с оценкой контраста датчик оценивает фактическое изображение, которое он получает, а не отдельное изображение, которое должно быть (и не должно быть таким же, как — ), точно откалиброванное для датчика.

По этой причине обнаружение контраста, при использовании датчика изображения , обеспечивает более надежную и точную автофокусировку, чем более распространенная система определения фазы.Основная работа здесь — «при использовании датчика изображения для определения контраста». В зеркальных фотокамерах Olympus и Sony стандартного размера (не беззеркальных) используется второй датчик меньшего размера на отдельном световом пути для создания изображения в режиме Live View и оценки контрастности. Как и в любой откалиброванной системе, второй датчик может быть неточно откалиброван по датчику изображения.

Таким образом, определение контраста проще, дешевле, меньше по размеру и теоретически более точно, чем автофокусировка с определением фазы.Но это намного медленнее. Производители камер прилагают все усилия, чтобы ускорить автофокусировку с определением контраста, и делают некоторые успехи, но в ближайшем будущем это будет медленнее.

Фокусировка с определением фазы

Основной принцип

Базовая конструкция автофокусировки с определением фазы (также известная как фазовое согласование) была разработана компанией Honeywell в 1970 году, но впервые широко использовалась в камере Minolta Maxxum 7000. Honeywell подала в суд на Minolta за нарушение патентных прав и выиграла дело, поэтому все производители камер были вынуждены заплатить Honeywell за права на автофокусировку с определением фазы.

Обнаружение фазы использует принцип, согласно которому, когда точка находится в фокусе, исходящие от нее световые лучи одинаково освещают противоположные стороны линзы (она находится «в фазе»). Если линза сфокусирована перед или за рассматриваемой точкой, световые лучи на краю линзы приходят в другое положение (не в фазе).

Существуют разные способы определения того, находится ли свет в фазе или не в фазе, но в большинстве современных систем используются зеркала, линзы или призма (светоделитель) для разделения лучей, исходящих от противоположных краев линзы, на два луча и вторичную линзу. системы для перефокусировки этих лучей на линейный датчик (обычно ПЗС).Датчик автофокусировки выдает сигнал, показывающий, куда падают световые лучи с противоположных краев линзы. Если изображение правильно сфокусировано, лучи с каждой стороны попадают на датчик на определенном расстоянии друг от друга. Если линза сфокусирована перед объектом или за ним, лучи света с противоположных сторон будут попадать слишком близко друг к другу или слишком далеко друг от друга (рис. 1).

Обратите внимание: предыдущий абзац и рисунок являются очень поверхностным синопсисом того, как работает определение фазы. Должно быть две страницы физики и формул, а также альтернативных методов.Но для практических целей, «как это работает», это точно.

Из рисунка 1 очевидно, что определение фазы может сразу сказать камере, что объектив сфокусирован слишком близко или слишком далеко от интересующего объекта, поэтому один из недостатков, который мы видели при обнаружении контраста (камера не знает, в какую сторону перемещение фокуса) уже преодолено — вместо того, чтобы перемещаться вперед и назад и решать, в каком направлении больше контраста, определение фазы сообщает камере: то же, .

Менее очевидны продолжающиеся вычисления. У каждого автофокусного объектива есть микросхема, которая уже сообщила камере, например: «У меня объектив 50 мм f / 1,4, и мой элемент фокусировки расположен на 20% меньше бесконечности» или что-то подобное. Когда вы нажимаете кнопку спуска затвора наполовину, происходит несколько шагов:

• Камера считывает датчик фазового определения, просматривает огромный массив данных, запрограммированный в ее микросхемах, который описывает свойства всех объективов производителя , выполняет некоторые вычисления и сообщает объективу что-то вроде «Переместите автофокус на столько. к бесконечности ».
• Объектив содержит датчик и микросхемы, которые либо измеряют величину тока, приложенного к мотору фокусировки, либо фактически измеряют, насколько далеко переместился фокусирующий элемент, и посылают в камеру сигнал: «почти готов».
• Камера перепроверяет определение фазы, может послать некоторый сигнал точной настройки на объектив, может даже перепроверить третий или четвертый раз, пока не будет показана идеальная фокусировка. Если что-то пойдет не так, как планировалось, может начаться пресловутая «охота», но обычно это не так.
• Как только камера подтвердит фокусировку, она говорит объективу больше не двигаться, а затем посылает этот маленький звуковой и световой сигнал, который мы все знаем и любим, и мы нажимаем на кнопку затвора.
  Весь процесс занимает крошечные доли секунды. Это быстро.

Системное проектирование

Очевидно, что датчики автофокусировки не могут находиться перед датчиком изображения, поэтому производители используют частично прозрачную область в зеркале, чтобы позволить некоторому свету проходить и отражаться от вторичного зеркала на блок автофокусировки (Рисунок 2), который обычно находится в нижней части зеркального бокса (рис. 3) вместе с датчиками замера экспозиции.

Рисунок 2: путь света к датчику автофокусировки

Рисунок 3: Расположение датчика автофокусировки (красная стрелка) в Canon 5D, воспроизведено из Canon, США

Типы датчиков

Каждый датчик определения фазы может оценивать только небольшую линейную часть изображения.Горизонтальные датчики лучше всего обнаруживают вертикальные элементы, и большинство изображений содержат преобладание вертикальных элементов, поэтому преобладают горизонтальные датчики. Есть также несколько вертикальных датчиков, обычно расположенных крестообразно (рис. 4) или «H» с горизонтальными датчиками. Некоторые камеры даже содержат диагональные сенсоры.

Некоторые из датчиков автофокусировки (почти всегда в центре) благодаря различным преломляющим линзам и разным размерам датчиков более точны, чем другие датчики, особенно при использовании объективов с широкой диафрагмой.Многие из этих высокоточных датчиков активны только при использовании объектива с диафрагмой f / 2,8 или более. На рисунке 4, например, этот датчик будет более точным датчиком крестового типа, когда установлен объектив f / 2,8, но только менее точным линейным датчиком с объективом меньшей диафрагмы. Как правило, в более дорогих и новых корпусах будет больше датчиков, и большее количество этих датчиков будет иметь более высокую точность.

_ Рисунок 4: Датчик крестового типа

В самых первых системах автофокусировки (и некоторых современных камерах среднего формата) был только один датчик в центре изображения.По мере применения вычислительной мощности и инженерного мастерства добавлялось все больше и больше датчиков. Большинство камер имеют по крайней мере семь или девять, а некоторые до 52 отдельных датчиков. Мы можем выбрать одно из них, все, группу из них, что лучше всего подходит для типа изображений, которые мы снимаем. Мы можем сказать камере, какой датчик (и) мы хотим использовать. Или мы можем позволить камере сказать нам. (Камера всегда достаточно любезна, чтобы сообщить нам, какие датчики она выбрала. Мои камеры также телепатические, и они сразу же выберут те из них, которые я не хотел использовать, поэтому я выбираю свои собственные.)

Эти несколько датчиков вместе с компьютером камеры могут делать и другие замечательные вещи. Определяя, какие датчики находятся в фокусе на движущемся объекте и как это изменяется, как по расстоянию от объектива, так и по датчикам за короткие промежутки времени, камера может предсказать, где этот движущийся объект будет в будущем. Это основа автофокуса AI Servo, который, боюсь, является слишком сложной темой для этой статьи. Я топчу воду так быстро, как могу, просто описывая, как камера фокусируется на горшке с цветами на крыльце.

Влияние диафрагмы объектива

Однако, независимо от типа сенсора, обычно он будет более точным при использовании объектива с более широкой диафрагмой. Помните, что во время автофокусировки камера автоматически открывает объектив до самой широкой диафрагмы, закрывая его только до диафрагмы, выбранной вами непосредственно перед открытием шторки затвора. Автофокусировка с определением фазы более точна, когда световые лучи попадают под более широким углом. На схеме ниже лучи от объектива f / 2,8 (синий) будут попадать под более широким углом, чем лучи от объектива f / 4 (красный), которые все еще шире, чем f / 5.6 линза (желтая). При f / 8 только самые точные датчики (обычно только центральная точка на более дорогих корпусах) могут вообще работать, но даже тогда фокусировка может быть медленной и неточной. По этой причине наши объективы с диафрагмой f / 5.6 перестают автофокусироваться, когда мы пытаемся добавить телеконвертер, который меняет их на объективы с диафрагмой f / 8 или f / 11.

Преимущества фазового автофокуса

Мы уже рассмотрели основные преимущества автофокусировки с определением фазы:

• Это невероятно быстро по сравнению с обнаружением контраста, достаточно быстро для движущихся объектов.
• Камера может использовать матрицу датчиков, чтобы оценить движение объекта и понять, что движущийся объект является предметом интереса, что дает нам автофокусировку AI Servo, на которую жалуются все спортсмены.

Есть несколько менее часто используемых преимуществ. Матрица датчиков может использоваться для оценки глубины резкости изображения, что дает предварительный просмотр «электронной глубины резкости». Камеру можно настроить так, чтобы делать снимок, когда что-то попадает в точку автофокусировки (это называется ловушкой автофокусировки, но немногие камеры предлагают эту функцию).Если датчики обнаруживают случайное движение в статичном объекте, они могут высветить уведомление о том, что дрожание камеры влияет на изображение. Но все дело в скорости и сервоприводе AI.

Недостатки фазового автофокуса

Однажды я слышал, как Porsche 911 описывают как «интересную концепцию, которая благодаря чрезвычайно интенсивным разработкам превратилась в превосходный автомобиль». Описание хорошо подходит для фазового автофокуса. Системы удивительно сложны и требуют значительного количества инженерных работ, чтобы работать так же хорошо, как они.

Прежде всего, система требует физической калибровки . Световой путь к датчику изображения должен быть откалиброван по световому пути к датчику автофокусировки, поэтому то, что находится в фокусе датчика автофокусировки, также точно находится в фокусе датчика изображения. Каждый объектив содержит микросхемы, которые обеспечивают обратную связь с камерой, сообщая ей, в каком именно положении находится фокусирующий элемент и как далеко он перемещается при заданном входе в двигатель объектива. Это должно быть полностью согласовано, чтобы объектив действительно двигался именно там, где камера приказала ему двигаться, и чтобы камера точно знала, в каком положении он находится.Если какая-либо из этих систем не откалибрована идеально, автофокус становится неточным. Даже если они идеально откалиброваны на заводе, если они немного расширяются и сжимаются от тепла или холода, они могут стать неточными, по крайней мере, временно.

Во-вторых, системе требуется программная калибровка . Как упоминалось ранее, производители камер имеют очень сложные алгоритмы и таблицы базы данных, запрограммированные в каждый объектив и каждую камеру, которые предоставляют эту информацию и которую они защищают от всеобщего сведения.Так, например, Nikon D3 точно знает, какой ток должен быть приложен к ультразвуковому двигателю в объективе 70-200 f / 2.8 VR, чтобы сместить фокус с 6 футов перед камерой на 12 футов в передний. И что потребуется совсем другое количество тока, чтобы переместить его с 12 футов на 30 футов или переместить фокус 50 f / 1,4 на такое же расстояние и т. Д. И т. Д. обновление прошивки, и обновления прошивки часто выпускаются после выпуска нового объектива.Обновление содержит новые алгоритмы для этого объектива.

Также из-за этого объективы сторонних производителей могут быть не такими точными, как объективы производителей, иногда , а сторонним производителям иногда приходится «перекраивать» свои объективы для работы с определенными камерами. Большие ребята еще не сказали маленьким: «Мы будем рады выпустить обновление прошивки, чтобы наша камера хорошо работала с вашим объективом». Вместо этого сторонним разработчикам приходится брать камеры и объективы производителя, декодировать сигналы, которые они посылают туда и обратно, а затем кодировать чип в своем объективе, переводящий эти сигналы таким образом, чтобы их объектив работал должным образом.И они должны принять массивы данных, которые производители разработали для своих объективов, которые могут не подходить для их механизмов автофокусировки и двигателей. У меня нет непосредственных сведений об этом процессе, но я подозреваю, что именно поэтому некоторые объективы сторонних производителей, похоже, хорошо автофокусируются с камерами одной марки, но не так хорошо с камерой другой. И, по крайней мере теоретически, это могло бы объяснить, почему изменение в системе автофокусировки производителя может сделать объективы сторонних производителей устаревшими — или, по крайней мере, потребовать, чтобы они получили новый чип, как недавно произошло с Sigma 120-300 f / 2.8 и Nikon D3x.

Как упоминалось выше, диафрагма объектива также может влиять на точность автофокусировки с определением фазы. Обычно это не имеет большого значения, потому что объектив с меньшей апертурой будет иметь большую глубину резкости. Однако есть момент, когда диафрагма слишком мала для точной автофокусировки сенсора, обычно при f / 5,6 или f / 8. (Помните, что камера автоматически открывает диафрагму объектива на максимум во время автофокусировки, поэтому значение диафрагмы, на которую вы установили объектив, не имеет значения, имеет значение максимальная диафрагма, которую может достичь объектив.) Это также причина того, что объективы с диафрагмой f / 2,8 иногда могут выполнять автофокусировку в более сложных условиях, чем объективы с меньшей диафрагмой.

Поскольку датчики автофокусировки получают свет только тогда, когда зеркало опущено, датчики определения фазы перестают работать, когда вы фактически делаете снимок, и не начинают работать снова, пока зеркало не вернется в свое нормальное положение . Вот почему автофокусировка с определением фазы не работает во время Live View и может способствовать тому, что автофокусировка AI Servo может терять точность во время серии скорострельных снимков.Когда вы слушаете, насколько быстро D3 или 1DMkIV снимает с максимальной частотой кадров, действительно удивительно, что любое из изображений в фокусе. Но в наши дни наши ожидания высоки.

Конечно, есть и другие проблемы, но о большинстве из них мы не задумываемся. Например, линейные (не круговые) поляризационные фильтры мешают обнаружению фазы. В наши дни линейные поляризационные фильтры нечасто встречаются, но время от времени кто-то покупает их, потому что они такие недорогие, а затем задается вопросом, почему их камера не обеспечивает точную автофокусировку.Обнаружение фазы также может бороться с определенными узорами на изображении — например, такими как шахматные доски и сетки — может привести к расплавлению системы обнаружения фазы, но с ними легко справиться с помощью обнаружения контраста.

Просмотр в реальном времени:

Я упоминаю фокусировку Live View отдельно, потому что она, кажется, заставляет производителей камер вернуться к улучшению автофокусировки с обнаружением контраста и к созданию гибридных систем автофокусировки. Как уже упоминалось, обнаружение контраста уже имеет некоторые преимущества, и преодоление его недостатков может улучшить автофокусировку для всех нас.

Как упоминалось выше, у Olympus и Sony есть системы, которые разделяют световой луч, отправляя часть в видоискатель, а часть — на дополнительный датчик изображения. Эта система позволяет автофокусу с определением фазы оставаться включенным даже во время Live View. Но это добавляет возможность того, что фокусировка Live View не является абсолютно точной, поскольку датчик, используемый для фокусировки, не является датчиком изображения.

Компания Canon описала систему, которая сначала использует определение фазы для фокусировки объектива, а затем использует определение контраста для точной настройки автофокусировки, что может иметь значительные преимущества при работе с фотографиями и макросъемками (Ishikawa и др.).Nikon, по-видимому, подал заявку на патент, который определяет определенные пиксели на датчике изображения, которые будут использоваться в том, что, по-видимому, является автофокусом с определением фазы (Kusaka). Это может дать лучшее из обоих миров.

Посмотрим. Но очевидно то, что впервые за более чем десятилетие изменения в системах автофокусировки могут быть революционными, а не эволюционными.

Список литературы

• Информация о цифровой камере: эволюция предварительного просмотра в цифровой фотографии
• Фокусировка во вспышке: Scientific American.Август 2000. С. 82-83.
• Гольдберг, Норман: Технология камеры. Темная сторона линзы. Academic Press, 1992.
.
• Исикава и др.: Система камеры и объектив. Патент США 6,603,929 B2
• Kusaka; Ёске: датчик изображения, устройство определения фокуса, устройство регулировки фокуса и устройство захвата изображения. Заявка на патент США 200

  927

• Кабза, К. Дж .: Эволюция предварительного просмотра в цифровой фотографии. Информация о цифровой камере.
• Кингслейк, Гордон: оптика в фотографии.SPIE Optical Engineering Press. 1992
• Системы слежения с предсказательной автофокусировкой Nikon
• Рэй, Сидней: Автофокус и методы поддержания фокуса. В: Рэй, Сидней: Прикладная фотографическая оптика, 3-е изд. Focal Press, 2004.
.
• Рэй, Сидней: Характеристики камеры. В: Руководство по фотографии, 9-е изд. Focal Press, 2008.
.
• Уэрхэм, Лестер: Система автофокусировки Canon
• Основные сведения об автофокусе Cambridge In Color
• Википедия: Автофокус
• Википедия: Предварительный просмотр

Автор: Роджер Чикала

Я Роджер и основатель Lensrentals.com. Меня называют одним из оптических ботаников, и в свободное время я с удовольствием снимаю коллимированный свет через объективы микроскопа с 30-кратным увеличением. Когда я делаю реальные снимки, мне нравится использовать что-то другое: средний формат, или Pentax K1, или Sony RX1R.

.

No related posts.