Как работает автофокус

13.02.2024

Системы автофокусировки в фотоаппаратах и камерах смартфонов кардинально упростили жизнь фотографам и видеографам. Как устроены разные системы автофокуса, какие режимы лучше подойдут для тех или иных ситуаций и зачем в автофокусировку внедряют искусственный интеллект? Давайте разбираться по порядку.

Резкость — это основополагающий фактор в фотографии. И важно, чтобы она была именно там, где нужно. Малейшие ошибки фокуса в процессе съемки сулят отправкой снимка «в корзину», ведь исправить промахи при наводке на резкость невозможно (за редчайшими исключениями — об этом ниже). За фокусировку в современных камерах обычно отвечает автоматика. Однако она нередко отличается тонкостями работы и настройками. Какими именно? Начнем с азов.

Активные и пассивные системы

Системы автофокуса в камерах условно разбиты на два больших лагеря: активные и пассивные. Активный автофокус работает по принципу отправки вовне какого-либо сигнала — он достигает цели, отражается и возвращается обратно, на основании чего рассчитывается точное расстояние до объекта. В качестве сигнала может применяться инфракрасный луч, ультразвук или даже лазер. Именно по такому принципу работают вспомогательные камеры-лидары в смартфонах. Аналогичный принцип действия имеют и ToF-камеры, предназначенные для сканирования трехмерных форм объектов — они применяются в системах разблокировки по лицу, в дополненной реальности и т.п.

Активные системы автофокусировки испускают определенные сигналы, которые отбиваются от цели и предоставляют данные о расстоянии до объекта. По такому же принципу работают и модули 3D ToF в смартфонах.

Активные системы не зависят от условий окружающего освещения и отлично «видят» в кромешной темноте. Однако есть у них и жирный минус — часто это невозможность точной наводки при фокусировке через прозрачные препятствия (например, сквозь стекло). Активный автофокус принято использовать лишь в качестве вспомогательного инструмента, а основная работа взвалена на плечи пассивных систем автоматической наводки на резкость.

Важное отступление. Во многих «взрослых» фотоаппаратах есть характерная красная лампочка, которая испускает световой луч. Однако не стоит путать ее с активным автофокусом — это всего лишь подсветка для выполнения фокусировки на объекте в темных окружающих условиях.

Пассивные системы автофокуса полагаются в деле на принципы обнаружения контраста или фаз. Также существует гибридный вариант автофокусировки, сочетающий контрастный и фазовый методы. На каждом из этих пунктов необходимо остановиться детальнее.

Контрастный автофокус

Работа контрастного автофокуса завязана на программных алгоритмах. В его основе лежит простейший принцип — изображение в фокусе всегда контрастнее, чем картинка не в фокусе. По сути в процессе наводки на резкость камера буквально наугад перебирает разные значения фокуса, контролируя изменения контраста. Если уровень контраста падает, точка фокусировки начнет смещаться в обратную сторону, ежели контраст повышается — фокус продолжит двигаться в данную сторону, пока не будет достигнуто максимальное значение. Отметим, что автоматика всегда будет «пролетать» мимо идеального уровня контраста — дабы понять, что именно это значение было максимальным, и вернуться к нему.

Используя контрастный метод, камера продолжает двигать фокусировочные линзы внутри объектива до тех пор, покуда не будет достигнуто максимального уровня контраста (средний подсолнух на картинке).

Контрастный метод автофокусировки использует данные непосредственно с матрицы и не требует никаких дополнительных модулей. А поскольку в нем применяются сугубо программные алгоритмы, их можно «допиливать» до идеала практически бесконечно — нередко работу контрастного автофокуса кардинально улучшают новые прошивки.

Обратной стороной медали контрастного автофокуса является так называемый эффект рыскания — когда фокус характерно елозит туда-сюда, пытаясь нащупать идеальное значение контраста. При фотографировании статичных сюжетов это не отыгрывает решающей роли, а вот в динамичных сюжетах и при видеосъемке рысканье автофокуса может знатно напакостить.

При съемке однородных текстур по типу безоблачного голубого неба или белой стены контрастный метод наводки на резкость и вовсе может оказаться бесполезным, поскольку камере будет попросту не за что зацепиться для корректного сравнения уровня контраста. Также такой автофокус часто ошибается в темноте и плохо подходит для захвата быстродвижущихся объектов (особенно в следящем режиме — в нем работа попросту невозможна). Если же алгоритмы контрастной автофокусировки не отточены, подобные системы могут часто ошибаться при съемке вблизи, когда фон гораздо ярче и контрастнее объекта на переднем плане. Притом автофокус в таких условиях мажет даже в случае принудительного выбора области фокусировки. Недостатки технологии исправлены в фазовых системах автоматической наводки на резкость.

Фазовый автофокус

Такие системы автоматической наводки на резкость работают по принципу определения разности фаз светового потока, поступающего через объектив камеры. Фазовый автофокус использует специальные датчики, которые улавливают проходящий световой поток с помощью массива микролинз. Свет делится на две части, каждая из которых попадает на сверхчувствительный сенсор. Если свет поступает аккурат на середину датчика, значит объект находится в фокусе. А ежели наводка на резкость осуществлена ближе или дальше объекта съемки, расстояние между лучами будет меньше или больше соответственно.

В системах фазовой автофокусировки за наводку на резкость отвечают специальные светочувствительные датчики.

По информации с датчиков автофокусировки камера тут же просчитывает, насколько ошибается фокус, и оперативно «подкручивает» его в требуемую сторону. Фазовые системы автоматической наводки на резкость работают максимально быстро и цепко, особенно в режиме отслеживания движущихся объектов, однако и они не лишены изъянов.

В «чистом» виде фазовый автофокус доминирует на борту зеркальных фотоаппаратов. Для модуля фазовой детекции в корпусе камеры требуется выкроить достаточно места, а точность таких систем напрямую зависит от количества и типа датчиков фокусировки (горизонтальные точки лучше работают с вертикальными деталями, а по центру кадра принято размещать крестообразные датчики). При этом модели начального уровня обычно вооружаются простыми системами с несколькими точками фокусировки, а камеры профессионального ранга имеют сложные системы автофокусировки с обилием точек наводки на резкость разнообразных форм.

Форма точек напрямую влияет на цепкость систем автофокусировки. Лучше всего захватывают объект съемки крестообразные и двойные крестовидные точки фокусировки, размещаемые преимущественно по центру кадра.

При использовании фазовой автофокусировки в зеркалках важен момент, когда фотограф нажимает кнопку спуска затвора наполовину. Именно в этот момент камера наводится на резкость, а попавшие в фокус объекты высвечиваются на дисплее в рамках или помечаются точками. Для корректной работы фазовой детекции требуется надлежащая юстировка механизма, иначе зеркальная камера может столкнуться с проблемами бэк- и фронт-фокуса (когда фокусировка осуществляется слегка за нужным объектом или чуть-чуть перед ним).

В беззеркалках и смартфонах фазовый автофокус устроен несколько иначе. Среди обычных пикселей, из которых состоит матрица камеры, встречаются особые пиксели PDAF (Phase-Detection Autofocus). Они напрямую не участвуют в построении изображения, а служат исключительно для помощи в наводке на резкость, улавливая свет и анализируя световой пучок для просчета расстояния до объекта съемки. Одна из наиболее продвинутых разновидностей такой автофокусировки — это фирменная разработка Dual Pixel CMOS AF от компании Canon. Она встречается в фотокамерах японского бренда и многих смартфонах (в частности, мобильниках Samsung).

В системах по образу и подобию Dual Pixel пиксели на матрице состоят из двух половинок — они в одночасье отвечают и за автофокусировку, и за формирование изображения.

В системах по типу Dual Pixel порядка 80 – 90 % всех пикселей на матрице являются двухкомпонентными — конструктивно они состоят из двух фотодиодов. Во время наводки на резкость камера использует информацию с каждого фотодиода по отдельности, а при съемке сигналы с двух фотодиодов объединяются в один для формирования итогового изображения. Как результат, резкость эффективно отслеживается почти по всему полю кадра. «Визиткой» Dual Pixel можно назвать киношный эффект плавного перевода фокуса по мере движения объекта съемки на зрителя с удержанием его в зоне резкости на размытом фоне.

По схожему принципу устроены и другие современные системы фазовой автофокусировки. Но в матрицах высокого разрешения (вроде 108 МП или 200 МП) отнюдь не все пиксели имеют двухкомпонентную структуру — до такого эффекта миниатюризации попросту не дошли технологии. Двухсоставные модули встраиваются в пиксельную сетку с определенным шагом, дабы обеспечивалось максимально обширное покрытие поля будущего кадра.

Гибридный автофокус

Преимущества контрастного и фазового автофокуса объединены под крылом гибридных систем автоматической наводки на резкость. Простыми словами принципы их работы можно объяснить так: фазовые датчики непосредственно на матрице камеры обеспечивают первичную наводку на резкость (определяют примерное расположение фокуса), затем же резкость доводится контрастным автофокусом.

Гибридные системы совмещают достоинства контрастного и фазового методов детекции и лишены серьезных недостатков. Единственное «но» — в следящем режиме наводки на резкость они все же уступают по скорости обычному фазовому автофокусу. В современных фотоаппаратах и камерах смартфонов часто встречается именно гибридная архитектура автофокусировки.

В гибридных системах автофокусировки метод обнаружения фазы используется для определения примерного расстояния до объекта съемки,а финализация фокуса выполняется контрастным способом.

Сюда же можно с определенной натяжкой записать примечательную функцию постфокусировки, продвигаемую во многих беззеркалках Panasonic с датчиком изображения формата Micro 4/3. При использовании функции камера делает серию снимков, фокусируясь на всех участках кадра. Конкретную же точку фокусировки можно выбирать уже на готовом снимке.

Режимы автофокусировки

С практической точки зрения важно не только понимать устройство систем автофокусировки, но и разбираться в отличиях различных режимов, от чего напрямую зависит резкость фотографий и записываемых видеороликов. Разберем это на примере фотоаппаратов (отчасти аналогичные названия режимов используются и в смартфонах, если вести съемку с ручной установкой параметров). Итак:

• AF-S (AutoFocus Single) — режим покадровой автофокусировки, предназначенный для съемки статичных сцен (пейзажей, архитектуры и т.п.). Как только камера находит фокус, она тут же блокирует его на указанной точке, полностью игнорируя любые движения в кадре.
• AF-C (AutoFocus Continuous) — режим непрерывной автофокусировки для съемки движущихся объектов (спортивных мероприятий, машин и людей в движении, шустрых птичек и зверушек). Фокус в этом режиме автоматически перенастраивается, если вы или объект в кадре перемещаетесь.
• AF-A (AutoFocus Automatic) — режим автоматической автофокусировки. В нем камера самостоятельно определяет, находится объект в движении или остается неподвижным. Соответствующим образом автоматика подбирает подходящий режим наводки на резкость: AF-S либо же AF-C.

Для статичных и динамичных сцен важно выбирать соответствующие режимы фокусировки.

Трио указанных режимов работы автофокуса — это основополагающий фундамент. В некоторых моделях камер перечень режимов может быть расширенным (групповой, динамический и т.п.), тут необходимо прибегнуть к помощи справочных материалов и/или подсказок.

Искусственный интеллект в системах автофокусировки

А теперь поговорим об интереснейшей особенности современных систем автофокусировки. Сегодня в камеры массово внедряются алгоритмы машинного обучения и искусственного интеллекта, способные распознавать объект в кадре и даже прогнозировать его перемещения. Лучшие наработки в этой сфере можно встретить в топовых беззеркалках, которые умеют фокусироваться в автоматическом режиме по глазам людей и животных, лицам, определять в кадре птиц, живность и различные транспортные средства (автомобили, поезда и даже самолеты).

«Умный» автофокус постоянно анализирует кадр и цепко удерживает объект съемки в фокусе как в режиме фотосъемки, так и при видеозаписи. Это обеспечивает повышенную точность наводки на резкость и простоту использования камеры. Притом в отдельных продвинутых экземплярах фотоаппаратов за операции, связанные с алгоритмами искусственного интеллекта, может и вовсе отвечать отдельный сопроцессор. Яркий тому пример — Sony A7r V. Система автофокуса в этой камере умеет оценивать позы человека для плавной наводки на резкость и не теряет фокус, даже когда объект съемки на короткое время перекрывается чем-то в кадре.

«Умные» системы автофокусировки используют алгоритмы искусственного интеллекта и могут наводиться на резкость в следящем режиме даже по глазам животных.

За принципами машинного обучения в системах автофокусировки определенно стоит будущее. Но уже по состоянию на сегодняшний день автофокус практически не нуждается в помощи человека и вполне успешно справляется с возложенными обязанностями по обеспечению надлежащей резкости кадра в самых разнообразных условиях съемки.

Автофокус в объективах

В разрезе фотоаппаратов на быстроту реакции фокусировки влияет не только внутрикамерная система автофокуса, но и тип привода в объективе. Существуют такие разновидности моторов в автофокусной оптике:

• Обычный мотор — системы автофокуса на базе приводов постоянного тока. работают они несколько медленнее других типов и создают фоновый шум, что может оказаться критичным при видеосъемке, однако и стоят объективы с подобным мотором ощутимо дешевле других вариантов.
• Шаговый мотор — схематически такие приводы используют постоянный ток, проходящий через несколько групп катушек. Подача тока на группы в нужной последовательности влечет за собой вращение мотора на один шаг. Чем больше групп — тем более точным можно сделать движение привода. Шаговые моторы оснащаются как шестеренной, так и винтовой передачей. В маркировке Nikon их зачастую обозначают AF-P, в объективах Canon — STM. Подобные моторы обеспечивают плавную и тихую фокусировку, но по скорости наводки на резкость они уступают ультразвуковым. Объективы с шаговыми приводами оптимально подходят для съемки видео, поэтому им зачастую отдают предпочтение видеографы.
• Ультразвуковой мотор — скорость срабатывания таких приводов измеряется десятыми, а то и сотыми долями секунды. А еще ультразвуковые моторы практически бесшумны, что может оказаться весьма актуально при съемке видео. В парке оптики Nikon объективы с ультразвуковым приводом маркируются AF-S, у Sony — SSM, у Canon — USM (в различных вариациях по типу Micro USM, Nano USM и т.п.).
• «Отвертка» — за редкими исключениями, объективы с таким приводом не имеют собственного мотора автофокуса. В них есть только гнездо для стыковки с камерой, а двигатель размещается непосредственно в фотоаппарате. Главными достоинствами «отверток» являются небольшой вес и габариты, но по скорости они несколько проигрывают ультразвуковым приводам, однако вполне сравнимы с обычными моторами (а иногда и превосходят их). В настоящее время от такого варианта приводов автофокусировки отказываются в пользу шаговых и ультразвуковых моторов.

Факторы, влияющие на работу автофокуса

Тип фокусировочного привода внутри объектива — отнюдь не единственный фактор, влияющий на скорость автофокусировки. Все пассивные системы автоматической наводки на резкость полностью зависят от света, проходящего через объектив. В условиях недостаточной освещенности автофокусировке гораздо сложнее корректно ловить объект съемки и цепко его удерживать в фокусе.

Чем больше света пропускает объектив, тем более увереннее проявляет себя в работе автофокус.

Немаловажную роль отыгрывает и диапазон обнаружения фокуса — правильно выбранная дистанция фокусировки повышает чувствительность системы наводки на резкость, особенно при плохом окружающем освещении.

Прослеживается прямая зависимость работы автофокуса и от светосилы оптики. Чем больше света поступает на переднюю линзу объектива, тем лучше срабатывают датчики системы автоматической фокусировки. Прикрывая диафрагму до «темных» значений (условно от f/5.6), через объектив снова-таки пропускается меньше света, что затрудняет работу автофокуса.

Автоматика в системах фокусировки — это настоящая находка для фотографов и видеографов. И при грамотном подходе ей можно всецело довериться. Но даже автоматика иногда дает сбои, поэтому важно взять за привычку контролировать фокусировку и своевременно поправлять ее промахи. Тогда процент брака фотоснимков и видеороликов будет уверенно стремиться к нулю.

Статья полезна? Да 0 Нет 0