Гибридный автофокус. Контрастный и фазовый автофокус
Система фазового автофокуса появилась уже очень давно. Многие фотографы жалуются на работу автофокуса определенных моделей фотоаппаратов, но на самом деле проблема не в камерах, а в самой системе фокусировки. Если почитать старые обзоры фотоаппаратов 2000-х годов, то можно увидеть, что проблемы с автофокусировкой были с самого начала появления системы фазового автофокуса и по сей день. Чтобы узнать, в чем заключается проблема, нужно разобраться с принципом работы автофокуса. Об этом и пойдет речь в статье.
Как работают DSLR камеры
Чтобы разобраться в деталях фокусировки, нужно сначала разобраться с устройством цифровой зеркальной камеры .
- Световой поток
- Основное зеркало
- Второстепенное зеркало
- Затвор камеры и сенсор
- Диск для настройки основного зеркала
- Диск для настройки второстепенного зеркала
- Фазовый датчик
- Пентапризма видоискателя
- Видоискатель
Свет проходит через объектив и попадает на полупрозрачное основное зеркало. Оно отражает свет в пентапризму. Немного света проходит сквозь основное зеркало и попадает на второстепенное зеркало, которое отражает свет на фазовый датчик. В самом датчике находятся сенсоры. Для определения одной точки автофокусировки используется два датчика. Камера сравнивает сигналы, полученные с датчиков. При несовпадении сигналов автофокус подстраивает фокусировку, и сравнение производится еще раз.
Проблема фазового автофокуса заключается в том, что датчик подстраивает фокусировку таким образом, чтобы он получал оптимальное изображение, но основным датчиком камеры, на который производится запись изображения, является матрица, а она находится в другом месте. Для того, чтобы автофокус создавал идеальное изображение, которое будет записано матрицей камеры, расстояние от байонета до фазового датчика и до матрицы должно быть абсолютно одинаковым. Сдвиг на миллиметр приведет к неправильной работе автофокуса. Также работа автофокуса зависит от положения зеркал.
Принцип работы фазового датчика
Свет, попадая в датчик, проходит через линзы и попадает на светочувствительные сенсоры. Когда фокусировка правильная, свет из краев линзы сходится в самом центре каждого сенсора. Если на обоих сенсорах изображение одинаковое - это значит, что фокусировка правильная. При неправильной фокусировке свет сойдется не в центре, а в других частях сенсора.
Фокусировки: 1 - очень близко, 2 - неправильно, 3 - очень далеко, 4 - чересчур далеко
Зная, где свет сфокусировался в датчике, можно вычислить в какую сторону и на какое значение нужно поправлять положение линз объектива.
После того, как датчик определяет, находится ли объект съемки в фокусе, он делает поправку фокусировки в случае отрицательного ответа. Поправка фокусировки с помощью линз объектива производится столько раз, сколько нужно для достижения нормальной фокусировки. Система работает очень быстро, поэтому все действия занимают доли секунд. Когда система сфокусировалась, фотоаппарат подает соответствующий сигнал. после этого можно нажимать на кнопку спуска затвора.
Мы рассмотрели принцип работы одного датчика (точки) автофокусировки, но в современных фотоаппаратах их много. Сейчас не трудно найти камеры, которые имеют 41 или даже 61 точку автофокусировки. Надежность и точность датчиков увеличивается. Появились более стабильные крестовые точки автофокусировки. Современные камеры с легкостью могут не только быстро выполнять фокусировку, но и следить за движущимися объектами.
Недостатки фазового автофокуса
Основной проблемой является неточность при сборке камеры на заводе. Если в процессе производства произошел малейший сбой и датчик или один из элементов, влияющих на его работу, были установлены не точно, то система будет работать с погрешностью. Производители знают об этой проблеме, и поэтому была разработана система точной настройки системы фокусировки. Во время тестирования выявляются камеры, имеющие проблемы и производится их дополнительная настройка.
В процессе калибровки проверяется в отдельности каждая точка автофокусировки. Каждая точка подвергается точной калибровке, и все изменения записываются в программу камеры. Таким образом, устраняются проблемы автофокусировки в производственных условиях.
Статьи и Лайфхаки
Фазовый автофокус в современном смартфоне, или, как его называют в англоязычных спецификациях, PDAF, является наиболее актуальной системой фокусировки.
Несмотря на имеющиеся недостатки, он обеспечивает наилучшее качество снимков в большинстве случаев. Рассмотрим поближе, как работает эта технология.
Устройство и принцип действия
Согласно законам оптики, лучи, отраженные от точки, освещают противоположные участки объектива в одинаковой степени. Если точка находится не в фокусе, то данные лучи, как говорят, «расходятся по фазе».Величина этого расхождения позволяет процессору камеры оценить, насколько сместить линзы, чтобы сфокусировать оптическую систему на объекте.
Технически это выглядит следующим образом. В фотосенсор камеры встраиваются специальные датчики, на которые и направляются лучи из разных участков объектива.
Система корректирует положение линз до тех пор, пока световые пучки не будут сведены в точку.
В фотоаппаратах может использоваться до нескольких десятков таких датчиков, в смартфонах их несколько меньше.
Достоинства фазового автофокуса
Основным преимуществом данного типа фокусировки перед более простым и дешевым контрастным является скорость работы. Это позволяет избежать смазывания при съемке движущихся объектов или дрожании камеры.
Важно и то, что следящий автофокус, сопровождающий объекты по всему полю кадра, работает существенно лучше. Это достигается за счет использования не одного, а целой группы датчиков.
Недостатки
- Основным минусом является высокая сложность подобной системы. Все элементы аппаратной части должны быть очень точно согласованы, в противном случае не получится требуемой точности.
Не менее важно и программное обеспечение, требующее достаточного количества системных ресурсов.
- Другая проблема – зависимость точности работы системы от светосилы объектива и условий освещения.
Обычно датчики покрывают не всю поверхность кадра, а располагаются ближе к центру, в результате чего возможна недостаточная точность фокусирования на периферии снимка.
Альтернатива
В недорогих моделях гаджетов обычно используется более простой автофокус – контрастный. Он не требует отдельных датчиков, в качестве которых используется сама матрица камеры.
Электроника оценивает контрастность отдельных деталей и последовательно подстраивает фокус.
Главный минус – очень медленная скорость работы таких систем: в самом тяжелом случае фокусировка может занимать до 2-3 секунд. Это приводит к смазыванию объектов на снимках.
Недавняя новинка – , использующий тот же принцип, что и оптические дальномеры.
Он не зависит от освещенности, работает еще быстрее, чем фазовый, но действует на очень коротком расстоянии. Поэтому при съемке объектов, удаленных более чем на 3-4 м система переключается на использование других типов фокусировки.
В заключение
Наличие фазового автофокуса еще недавно было признаком флагманской модели, однако в последние годы он часто появляется и в девайсах среднего ценового сегмента.А специализированные программные алгоритмы с использованием искусственного интеллекта, появившиеся в последнее время, дополнительно повышают качество его работы.
Но, хотя в смартфонах используются более простые технические решения, чем в зеркальных фотоаппаратах, они всё же недостаточно дешевы, чтобы вытеснить другие виды фокусировки.
Привет, Гиктаймс! При съемке на смартфон (да и не только) очень важно, чтобы фотографии получались четкими и ясными. Для этого объект снимка должен быть в фокусе до того, как вы нажмете на кнопку «Сделать фото». В последнее время многие производители смартфонов работают над улучшением технологий автоматической фокусировки, и сегодня мы рассмотрим плюсы и минусы каждой, и чем они отличаются. Как обычно все подробности под катом.
Лазерный автофокус: самый активный
Как и фазовый, лазерный автофокус относится к активному типу автофокуса. Этим направлением долгое время занималась компания LG, которая сперва реализовала лазерный автофокус в своем смартфоне G3. В основе работы технологии лежит принцип лазерного дальномера: лазерный излучатель освещает объект, а сенсор замеряет расстояние до него и время поступления отраженного лазерного луча.Одно из главных преимуществ данного автофокуса - время. Как говорят в LG, весь процесс автофокусировки при помощи лазера занимает 0,276 секунды. Значительно быстрее контрастного автофокуса и немного пошустрее, чем фазовый.
Очевидный плюс лазерного автофокуса - он невероятно быстрый и хорошо отрабатывает в условиях недостаточного освещения. Но работает он только на определенной дистанции - самый лучший эффект достигается, если расстояние от смартфона до объекта составляет менее 0,6 метра. А после пяти метров - привет, контрастный автофокус.
Лазерным автофокусом оснащены преимущественно смартфоны LG - к примеру, LG G4 . Но есть и исключения: тот же One Plus 2 или Asus Zenfone 2 Laser . Впрочем, у последнего все ясно из названия, да и цена привлекательная для такого набора возможностей.
Двойная камера: смело, но не всем понятно
В какой-то момент производители поняли, что надо бы сделать что-нибудь диковинное, за пределами фазового или лазерного автофокуса. Так на свет появились двойные камеры: для получения четких снимков используется не один, а сразу два объектива. В то время, как одна камера с фиксированным фокусом получает снимок удаленных предметов, другая фокусируется на объектах, которые расположены рядом.Важное преимущество двойной камеры - возможность быстро сделать снимок, а фокус сделать потом, прямо как в камере Lytro. Но если говорить о более аккуратном фокусе, здесь двойная камера явно проигрывает фазовому фокусу.
Пока что не очень много смартфонов на рынке доступны с двойной камерой - это устройства от HTC (например, One M9+), Honor 6 Plus и другие. Ходят слухи, что и Apple в своем новом iPhone решится на использование двойной камеры.
Технология инфракрасного автофокуса, которую компания Lenovo показала на MWC в прошлом году, работает по сути как лазерный автофокус, но по скорости он примерно в два раза быстрее контрастного. Протестировать её можно на примере Lenovo Vibe Shot .
Что же выбрать?
Поскольку смартфон каждый выбирает под свои нужды, сложно посоветовать что-то такое, что подойдет сразу всем. Кто-то в восторге от настраиваемого после съемки автофокуса у Huawei, другие считают оптимальным Dual Pixel. Если брать в целом, на данный момент фазовый автофокус является верным решением для большинства флагманов, и производители нам с вами постоянно это доказывают.Теги: Добавить метки
Многие мои читатели жалуются на плохую работу автофокуса в камере. Давайте разберем в общих чертах как работает система автофокуса в современных зеркальных камерах и вообще способы наводки на резкость в сложных случаях.
Если понимать логику работы этой системы, то вы будете знать как «лечить» такие проблемы.
В настоящее время в фотокамерах используется в основном два типа пассивных автофокусов. Контрастный и Фазовый. Совсем недавно появились еще их сочетания, когда грубая наводка на фокус идёт с помощью фазового метода (самого быстрого), а супер-точная с помощью контрастного.
Потому неплохо будет осветить оба метода, а заодно мы разберемся, почему по LiveView можно настроить фокус идеально даже тогда, когда в видоискателе мы получаем стабильную ошибку фокуса и автофокус тоже работает с ошибкой (фронт/бек автофокуса).
Во-первых контрастным методом автофокуса пользуются почти все беззеркальные камеры. Опять же в последнее время стали некоторые из них оснащать более быстрым фазовым методом определения фокуса.
Суть контрастного метода связана с его названием, т.е. камера определяет в фокусе ли изображение по положению линз объектива при котором достигается максимальный контраст изображения. При этом контраст определяется по конечному изображению на матрице камеры или его участкам (центральному, например).
(Какие это участки вне нашей «глубины» статьи)
режим LiveView
На картинке показана зеркальная камера в режиме «LiveView», с поднятым зеркалом, когда мы настраиваем фокус по экрану. Тоже самое происходит на беззеркальной камере, только в автоматическом режиме.
С одной стороны, раз мы настраиваем фокус по конечному изображению на матрице камеры, то точность достигается идеальная, но с другой стороны, для того, чтобы понять в какую сторону контраст изображения увеличивается, при перемещении линз объектива, а в какую падает, нам (фотокамере) приходится двигать линзы объектива и сравнивать полученные изображения.
1 — объектив
2 — основное зеркало (в данном случае в поднятом положении)
3 — затвор камеры
4 — сенсор камеры
Как выглядит работа контрастного автофокуса
Камера открывает затвор и получает картинку. По картинке камера не может сказать, в какую сторону ей двигать линзы, чтобы получить более контрастное изображение, а соответственно и более точный фокус. Потому камера просто двигает линзы в определенном направлении, например, вперед. После этого опять считывает изображение и сравнивает значение контраста картинки с изначальным. Если контраст упал, значит мы двигаем линзы не в ту сторону. И камера смещает линзы в обратном направлении, дальше, чем они были в самом начале на определенное расстояние (определяется прошивкой камеры). Опять сравнивает картинку — перелет или недолет?
Есть определенная методика, как с помощью минимального количества таких «пристрелов» попасть в нужное место, в фокус. Но мы не будем углубляться, так как это нам не нужно на данный момент. Кто хочет — может сам поискать, я уже не помню и название метода.
Последовательность шагов в контрастном методе определения правильного фокуса отличается для разных производителей камер. Можно делать большие скачки и постепенно уменьшать диапазон, отлавливая максимум контраста (напоминает методику поиска собакой), а можно пройтись по всему диапазону фокусировки последовательно маленькими шажками, пока не переступишь порог за которым начнется падение контраста.
Предлагаю подвигать ползунки на данной анимации, любезно предоставленной Стэнфордским университетом
К сожалению, у Вас не установлен flash плеер.
Но зеркальные камеры в основном полагаются как раз на фазовый метод определения фокуса, который гораздо быстрее работает, так что мы перейдем к нему.
Фазовый метод автофокуса отличается от контрастного метода тем, что позволяет на одном единственном измерении сделать вывод в какое место нужно переместить линзы объектива для достижения оптимального фокуса.
Ниже представлена схема фазового автофокуса. Многие видели основное зеркало фотокамеры, которое поднимается в момент съемки и издаёт хлопающий звук, но все ли знают про дополнительное зеркало, которое обеспечивает работу фазового автофокуса в зеркальных камерах?
То, что на схеме выглядит как маленькая спичка, прикрепленная к середине большой спички (основное зеркало) на самом деле небольшое зеркало, которое работает за счет полупрозрачного окошка в основном зеркале.
Где же находится это окошко? Давайте посмотрим.
В продолжении вы узнаете, как настраивать автофокус, что можно делать, а что не стоит.
(продолжение на следующей странице)
Статьи и Лайфхаки
Общеизвестно, что гибридный автофокус, будучи использован в смартфоне или фотоаппарате позволяет достичь куда лучших результатов, чем любой другой метод фокусировки в отдельности.
Рассмотрим, какие бывают варианты этой технологии, на каком принципе они работают, и основные их преимущества.
Основные разновидности автофокуса
На сегодняшний день в смартфонах используются три технологии, использующие совершенно разные физические принципы. Идеальной ни одну из них назвать нельзя: собственно, именно поэтому возникла идея их «скрещивания».Контрастный афтофокус работает путем последовательных микроперемещений линзы, после каждого из которых процессор камеры производит анализ контрастности полученного изображения.
Плюсы :
- Отсутствие сложной аппаратной части.
- Высокая точность работы.
- Низкая стоимость производства.
- Чрезвычайно медленная скорость работы.
- Перемещение фокуса осуществляется «вслепую», путем последовательного перебора позиций.
Фиксируемая таким образом разница фаз позволяет быстро определить направление и величину требуемого смещения фокуса.
Плюсы :
- Более высокая скорость работы по сравнению с контрастным АФ.
- Возможность слежения за движущимися объектами.
- Сложность аппаратной и программной частей системы.
- Дороговизна, увеличивающая стоимость устройства в целом.
- Зависимость от условий освещения и светосилы объектива.
- Проблемы с фронт- и бэк-фокусом.
Плюсы :
- Ультимативно высокая скорость работы, позволяющая выполнить фокусировку за доли секунды.
- Отсутствие зависимости от освещенности.
- Достаточно простая конструкция.
- Ограниченное расстояние, на котором возможно использование этого типа АФ.
Контрастный плюс фазовый
Эта схема позволяет добиться высокой скорости работы в сочетании с точностью и минимальной зависимостью от освещенности. Несколько десятков датчиков фазовой детекции встраиваются в поверхность фотосенсора.
Их роль – «пристрелочная» фокусировка, благодаря которой положение фокуса определяется приблизительно, но зато очень быстро. Это избавляет необходимости от последовательного перебора большого количества позиций и связанных с этим потерь времени.
Окончательная доводка производится контрастным методом, не требующим высокой , но зато обеспечивающим хорошую точность.
Заодно снимается проблема фронт- и бэк-фокуса, вызванная неравномерным расположением датчиков на матрице.
Понятно, что такое сочетание требует филигранной работы программного обеспечения, но в современных устройствах с этим никаких сложностей не возникает, особенно с широким распространением искусственного интеллекта, для которого именно камеры стали основным местом приложения.
Фазовый плюс лазерный
Это сочетание правильнее будет назвать не гибридизацией, а комбинированием. Две системы аппаратно никак не связаны между собой – просто происходит «разделение обязанностей».
На коротких расстояниях задействуется лазерный АФ, а если до объекта съемки слишком далеко, чтобы он мог корректно работать, камера переключается на PDAF.
Известно и сочетание лазерного и контрастного типов фокусировки, а в некоторых моделях можно встретить все три варианта.
В заключение
Очень многие решения, используемые в камерах смартфонов, приходят из арсенала разработчиков фотоаппаратов.Тот же фазовый автофокус еще несколько лет назад использовался только в «зеркалках», и только недавно появился в флагманских моделях некоторых производителей.
То же самое касается и гибридного АФ: перед тем, как дебютировать на Samsung Galaxy S5, сочетание фазового и контрастного методов активно применялось в профессиональных камерах .
Совмещение нескольких типов автофокуса позволяет получить лучший результат работы и устранить проблемы, отдельным его видам, но при этом увеличивает стоимость аппаратной части.
Поэтому в настоящий момент подобные системы используются только в топовом сегменте мобильных устройств.