Как работает автофокус? Разбор | Портал о гаджетах и технологиях

Как работает автофокус? Разбор

Представьте, вы идете по улице и вдруг видите что-то невероятно красивое или что-то забавное. Что вы будете делать?

Скорее всего вы достанете камеру и сделаете снимок или видео, просто нажав одну кнопку. И вне зависимости от того на что вы снимаете – телефон или профессиональный фотоаппарат – вы вряд ли будете париться по поводу фокуса.

А всё потому что современные системы автофокуса работают настолько хорошо, что мы вообще перестали это замечать.

Но знаете ли вы, как работает автофокус? Как фокусировались раньше и как фокусируются сейчас? Сегодня это и обсудим.

А также протестируем одну из самых продвинутых систем автофокуса на примере камеры Canon EOS R5. Приготовьтесь, разбор будет очень подробный.

Дальномер

Скажу сразу, современные системы автофокуса работают довольно хитро. Поэтому, чтобы понять всю физику процесса, мы посмотрим как системы фокусировки развивались во времени.

Вернёмся в 1917 год. Тогда вышел удивительный фотоаппарат No. 3A Kodak Autographic Special, в котором конечно же не было автофокуса, но была другая волшебная технология — дальномер. А точнее оптический дальномер. Эта штука позволяла вам сфокусироваться вручную с достаточно высокой точностью при помощи одной хитрой визуальной подсказки.

В видоискателе дальномерного фотоаппарата в центре кадра была особая область, в виде круга или прямоугольника в котором изображение двоилось. А для того, чтобы сфокусироваться, нужно было повернуть кольцо фокусировки так, чтобы двоящееся изображение слилось в одно.

Как работает автофокус? Разбор

Как работает автофокус? Разбор

Как эта штука работает?

Как работает автофокус? Разбор

Как работает автофокус? Разбор

Вообще оптический дальномер позволяет рассчитывать расстояние до объекта. И делает он это при помощи простой геометрии и принципа параллакса.

Смотрите, дальномер состоит из двух объективов, расположенных на определенном расстоянии друг от друга, которое мы знаем.

За каждым объективом скрываются два зеркала. Одно зеркало находится напротив видоискателя, и оно полупрозрачное, поэтому через него мы видим свет, который напрямую проходит через первый объектив. А также мы видим отраженный свет от второго зеркальца, которое расположено напротив второго объектива. Поэтому в видоискателе мы видим наложение двух картинок друг на друга.

Первое зеркальце зафиксировано и не вращается, а второе зеркальце можно вращать. И вот собственно тут и начинается магия. Прокручивая фокус на объективе мы тоже вращаем зеркальце. И когда две картинки сливаются в одну, мы как бы получаем равнобедренный оптический треугольник с вершиной в точке фокусировки, до которой мы можем легко определить расстояние, решив простую геометрическую задачку.

А зная его настроить объектив, чтобы всё было в фокусе тоже не проблема.

Как работает автофокус? Разбор

Такой метод фокусировки самый примитивный и у него масса недостатков.

Во-первых, чтобы сфокусироваться нужны были четкие вертикальные линии в кадре. Во-вторых, такой способ фокусировки не работает с телеобъективами и вообще есть сложность, как это всё настраивать под сменные объективы.

Поэтому к 1930-м годам дальномерные камеры уступают в популярности однообъективным зеркальным камерам. В которых использовался куда более простой, но при этом абсолютно гениальный метод фокусировки.

Клинья Додена

По фильмам или может из личного опыта, вы наверняка видели, что в старых фотоаппаратах, в центре изображения находится какой-то странный круг.

Как правило он разделен линией по горизонтали или диагонали, а вокруг вообще какой-то калейдоскоп.

При этом поворачивая кольцо фокусировки, всё что вне этого круга уходит в расфокус, а изображение в самом круге раздваивается.

Но, если совместить изображение в центре, то всё становится четким и фотография получается в фокусе.

Отсюда вопрос? Что это за фокусы такие?

Вся магия происходит при помощи вот такой штуки, которая называется фокусировочный экран.

Как работает автофокус? Разбор

В зеркальных камерах он ставился между зеркалом и видоискателем, на схемке, это номер 5. Можете поставить на паузу и изучить подробнее.

Как работает автофокус? Разбор

Устройство зеркального видоискателя:

  1. Объектив
  2. Поворотное зеркало (в опущенном положении)
  3. Фокальный затвор
  4. Фотоплёнка или цифровая матрица
  5. Фокусировочный экран
  6. Коллективная линза
  7. Пентапризма или пентазеркало
  8. Окуляр

Так вот в центре фокусировочного экрана находятся так называемые клинья Додена.

Как работает автофокус? Разбор

Это две полуциллиндрических призмы, расположенные под небольшим наклоном друг к другу, но при этом они пересекаются в плоскости, совпадающей с поверхностью матового стекла.

Теперь смотрите. Для того того, чтобы изображение на фото было в фокусе, нужно чтобы лучи света пересекались ровно в плоскости фокусировочного экрана, который находится на том же расстоянии от линзы, что и пленка или матрица.

Так вот, если мы сфокусированы неправильно и лучи пересекаются чуть перед или после плоскости фокусировочного экрана, клинья Додена, за счет небольшого наклона, вносят свою корректировку и сдвигают изображение в разные стороны.

Но если если мы сфокусированы правильно и плоскость резкого изображения совпадает с поверхностью стекла и точкой пересечения клиньев, изображение выглядит цельным.

В этом случае говорят, что центральная часть изображения находится в одной фазе фокусировки. И это важная ремарка… В будущем поймете почему…

В целом, такой способ ручной фокусировки очень удобный. И даже сейчас во многих современных зеркальных камерах, вы можете использовать такой фокусировочный экран. Если например снимаете на винтажные объективы или просто предпочитаете ручную фокусировку.

Но мы то про автофокус, поэтому переходим к более современным системам фокусировки.

Активный автофокус

Итак, все системы автофокуса можно поделить на два типа: активные и пассивные.

Активная система – это когда камера для того, чтобы сфокусироваться посылает вовне какой-то сигнал. Например, инфракрасный свет или ультразвуковой сигнал или даже лазерный луч. Дальше она получает отраженный сигнал обратно, рассчитывает задержку и тем самым расстояние до объекта.

По такому принципу работают радары, лидары, ToF-камеры и всякие лазерные рулетки.

А среди фотоаппаратов первой камерой с инфракрасным локатором автофокуса был Canon AF-35M, который вышел в 1979 году.

Как работает автофокус? Разбор

Активные системы были хороши тем, что отлично фокусировались в темноте и на объекты без контрастных деталей. Но были и недостатки: во-первых, нельзя было сфокусироваться через прозрачное препятствие, скажем, окно. А также такие системы могли отпугивать животных.

А если нельзя сфотографировать кошечку, тогда вообще зачем нужен фотоаппарат?

Поэтому от активного автофокуса довольно быстро отказались. И сейчас такие системы используют только в качестве вспомогательного метода фокусировки, например чтобы сфокусироваться в темноте или для AR или 3D сканирования как в Айпедах и Айфонах.

А вот в качество основного решения автофокусировки используют пассивные системы.

Такие системы ничего не излучают во вне, и основаны только на анализе света поступающего внутрь камеры.

Контрастный автофокус

Пассивных систем тоже бывает два типа: фазовые и контрастные.

Самый распространённый метод фокусировки — контрастный. Он основан на очень простом принципе. Изображение в фокусе более контрастно, чем изображение не в фокусе.

Поэтому, чтобы сфокусироваться камера по сути наугад перебирает разные значения фокуса: чуть подкрутит фокус в одну сторону и смотрит какой стала картинка: более контрастной или менее контрастной.

Если более контрастной — камера продолжает двигать фокус в том же направлении. Если менее контрастной в обратном. И так шаг за шагом, пока не найдет положение, в котором картинка самая контрастная. При этом автоматика всегда сначала будет пролетать идеальное значение, для того чтобы понять, что оно было идеальным и вернуться обратно. У этого способа есть ряд преимуществ.

Во-первых, универсальность. Это чисто программный способ фокусировки, который используют только данные с матрицы и не требует никаких дополнительных модулей. Поэтому контрастный автофокус может работать вообще на любой цифровой камере, хоть зеркальной, хоть беззеркальной.

Во-вторых, так как, по сути, это просто алгоритм можно его совершенствовать бесконечно, потому камеры с контрастным автофокусом часто начинают фокусироваться лучше и быстрее с обновлением прошивки.

Тем не менее способ ненадежный. Есть недостатки.

Самые главные – это довольно низкая скорость и эффект рысканья. Это когда фокус елозит туда сюда, чтобы определить идеальное положение. И в фотографии это еще более-менее приемлемо. Но когда фокус играет при видеосъемки — это выглядит как брак.

Также контрастный автофокус плохо работает в темноте и часто ошибается с тем, какой именно объект должен быть в фокусе.

Поэтому самым крутым и надёжным методом фокусировки сейчас читается фазовый автофокус.

Фазовый автофокус

Фазовый автофокус обычно обозначают аббревиатурой PDAF или Phase Detection Autofocus.

Вот такие точки фокусировки в видоискателе знаете? Вот это так обозначены датчики фазовой фокусировки.

Как работает автофокус? Разбор

Я думаю принцип работы фазового автофокуса вам покажется знакомым.

Свет проходит через специальный разделитель луча, который делит его на две части или точнее фазы. Эти два луча попадают на специальный датчик тоже разделенный на две части.

Как работает автофокус? Разбор

Если объект в фокусе, то свет прилетает ровно в середину этого датчика. А если мы сфокусированы ближе или дальше то свет попадает ближе к центру или к краю этого датчика.

То есть, по сути, это тоже самое что и клинья Додена, которые тоже разделили лучи и отклоняли их.

Только раньше определять насколько разъехалась фаза приходилось нашим глазам, а теперь это делают специальные датчики.

Вся прелесть фазовой автофокусировки в том, что камера сразу может посчитать на сколько ошибся фокус и в какую сторону его нужно крутить.

Поэтому фазовый автофокус работает молниеносно и очень точно. Фазовая фокусировка считается самой надежной крутой и быстрой системой, например, спортивная фотография была бы вообще невозможно без фазового автофокуса.

Но есть и минусы.

Модуль фазовой фокусировки — это отдельный модуль, который нужно спрятать где-то в камере. Обычно он находится где-то внизу под матрицей. И это в целом довольно сложная и массивная конструкция из дополнительных зеркал и прочих элементов.  И всё это должно быть откалибровано с очень высокой точностью, иначе промахов не избежать.

Как работает автофокус? Разбор

Во-вторых, точность фокусировки сильно зависит от количества датчиков фокусировки и от их навороченности.

Это бывают горизонтальные датчики: в этом случае фокусировка будет возможно только объектов с вертикальными деталями. Также они могут быть крестообразными или диагональными. В любом случае, чем более навороченный модуль, тем он массивнее и дороже.

При этом как бы много не было датчиков они всё равно не покроют всю площадь кадра.

Как работает автофокус? Разбор

Ну и самое главное. Так как свет не может одновременно поступать и на матрицу и на модуль автофокуса. Такая штука не работает с видео. И может быть использована только в зеркальных камерах.

Но например, Canon EOS R5 — беззеркальная камера. При этом автофокус тут работает очень круто. Но каким образом?

Dual Pixel

И тут мы переходим к технологии Dual Pixel, которую придумали в Canon и которая просто перевернула представление о том, на что способен автофокус в особенности при съёмке видео.

Первая камера, в которой появилась технология Dual Pixel была Canon EOS 70D, она вышла в 2013 году.

Здесь же в Canon EOS R5 используется вторая усовершенствованная версия технологии – Dual Pixel CMOS AF II.

Как же эта штука работает?

Dual Pixel — это тоже фазовая система фокусировки. Просто вместо дополнительного отдельного модуля с отдельными датчиками фазового автофокуса, для фокусировки используется основная матрица. Для этого в каждом пикселе фотодиод делится на две части. А над каждым пикселем устанавливается микролинза, которая направляет свет на эти два фотодиода. Ну а дальше, также как и в случае с обычным фазовым автофокусом, анализируется насколько съехали лучи относительно идеальной точки фокусировки. И всё. Вот так просто и элегантно.

Эта технологии лишена недостатков стандартного фазового автофокуса:

Не нужны ни дополнительные модули, ни зеркала.

Может работать непрерывно в режиме видео, а не только с фото.

Есть свободный выбор зоны фокусировки. Например, в профессиональной камере EOS-1D X Mark II всего 61 точка фокусировки и это считается много. Но в EOS R5 можно выбрать 5940 положений, а область фокусировки покрывает почти 100% кадра.

При этом Dual Pixel II-го поколения в EOS фокусируется всего за 0,05 секунды и работает при очень низкой освещенности -6,5 EV. Это прямо ночь.

Ну и конечно же тут есть куча умных режимов фокусировки: отслеживания глаз, лица, головы и тела. Режим для съемки животных, предметов и прочее. И всё это работает при помощи глубоких нейросети и процессора DIGIC X.

Кстати, в с iPhone, Google Pixel и некоторых других смартфонах тоже используется аналогичный метод фокусировки.

В общем, за видео с правильным фокусом, по большей части мы обязаны именно технологии Dual Pixel. Сейчас — это вершина эволюции автофокуса.

Объективы

Ну и конечно, не будем забывать про объективы. На скорость фокусировки влияет тип мотора.

Например, Canon свои объективы делит на оптику с STM и USM моторами.

STM — это шаговый мотор. Такие моторы работают плавно, бесшумно и отлично подходят для видеосъёмки, где не требуется сверхвысокая скорость фокусировки.

STM бывает двух типов:

с шестеренчатой передачей

Как работает автофокус? Разбор

и с винтовой передачей

Как работает автофокус? Разбор

Объективы с винтовой передачей больше по размерам, на зато тише.

Но в целом для видео и неспешной фотографии любой STM объектив подходит, поэтому не всегда стоит переплачивать и брать более дорогие USM объективы.

USM

В таких объективах установлен ультразвуковой мотор. Он преобразует энергию ультразвуковой вибрации во вращающую силу для управления объективом.

И такие объективы фокусируются очень быстро. Что важно для репортажной/спортивной съемки, или может съёмки животных.

К примеру, если у вас очень резвые коты.

Их бывает три типа:

Ультразвуковой мотор кольцевого типа. Он состоит из ротора и статора. При подаче переменного тока с частотой около 30 000 Гц на статор создаются вибрации, вызывающие непрерывное вращение ротора.

30 000 Гц — это ультразвуковая частота, поэтому мотор называется ультразвуковым.

Как работает автофокус? Разбор

Второй тип — Micro USM. В принципе тоже самое что и USM, но в более компактном исполнении.

Как работает автофокус? Разбор

Но еще есть Nano USM. И вот это совсем новый тип фокусировки, представленный в 2016 году.

Nano USM работает также плавно и бесшумно как STM, но со скоростью USM. И это чистый кайф. Получаем идеально плавную и быструю фокусировку.

Как работает автофокус? Разбор

Еще существуют моторы постоянного тока DC. Если в названии объектива не указано USM или STM, скорее всего это DC. Такие моторы самые шумные и медленные.

Но встречаются не часто, а например, в новой линейке объективов Canon для беззеркалок с байонетом RF таких вообще нет, есть только STM и USM. Можно брать любой не парясь, благо линейка очень большая и постоянно пополняется

Как работает автофокус? Разбор

Все RF объективы что я держал — пушка, очень советую. Особенно порадовал Canon RF 100mm F2.8L Macro IS USM.

Брекетинг фокусировки

Как работает автофокус? Разбор

Кстати, для макросъёмки тут есть очень крутая фича — брекетинг фокусировки.

Камера делает серию снимков, начиная с указанного расстояния фокусировки, а затем постепенно двигаясь в сторону бесконечности.

После чего серия кадров склеивается в один снимок, в котором на постпродакшене можно сделать большую глубиной резкости, чтобы всё было в фокусе.

Надеюсь вам, как и нам стало понятнее как работает автофокус.

Post Views:
188