Покадровый и следящий автофокус. Как работает автофокус

Система автоматической фокусировки камеры настраивает объектив, чтобы сфокусироваться на объекте и может обеспечить разницу между чётким снимком и упущенной возможностью. Несмотря на кажущуюся очевидность задачи «чёткость в точке фокусировки», скрытая работа, необходимая для фокусировки, к сожалению, далеко не так проста. Данная глава призвана повысить качество ваших снимков, обеспечив понимание принципов работы автофокуса и тем самым позволив вам извлечь максимум из его возможностей и избежать его недостатков.

Примечание: автофокус (AF) работает либо с использованием сенсоров контраста в камере (пассивный AF ), либо посылая сигнал для подсветки или оценки расстояния до объекта (активный AF ). Пассивный AF может осуществляться методами контрастного или фазового детектора, но оба метода для достижения точного автофокуса опираются на контраст; вследствие этого с точки зрения данной главы они считаются качественно идентичными. Если не указано обратное, данная глава рассматривает пассивный автофокус. Мы рассмотрим также метод вспомогательного луча активного AF ближе к концу.

Концепция: сенсоры автофокуса

Сенсор(ы) автофокуса камеры расположены в различных частях поля зрения изображения и являются целой системой, стоящей за достижением чёткого фокуса. Каждый сенсор измеряет относительный фокус по изменениям контраста в соответствующей области изображения, и максимальный контраст считается соответствующим максимальной резкости.

Изменение фокусировки:		Размытие	Полуфокус	Резкость
	400%	Гистограмма сенсора

Основы контраста изображений описаны в главе о гистограммах изображений .
Примечание: многие компактные цифровые камеры в качестве сенсора контраста используют собственно сенсор изображения (используя метод, называемый контрастным AF) и необязательно оборудованы несколькими дискретными сенсорами автофокуса (которые чаще встречаются при использовании фазового AF). Диаграмма вверху иллюстрирует контрастный метод AF; метод фазового детектора отличается от него, но тоже основывается на контрасте как критерии автофокуса.

Процесс фокусировки в общих чертах работает следующим образом:

1. Процессор автофокуса (AFP) незначительно изменяет дистанцию фокусировки.
2. AFP считывает сенсор AF и оценивает, как и насколько изменился фокус.
3. Используя информацию из предыдущего шага, AFP настраивает объектив на новую дистанцию фокусировки
4. AFP последовательно повторяет предыдущие шаги, пока не будет достигнут удовлетворительный фокус.

Весь процесс обычно занимает доли секунды. В сложных случаях камера может не достичь удовлетворительного фокуса и начнёт повторять вышеописанный процесс, что означает отказ автофокуса. Это ужасный случай «охоты за фокусом», когда камера постоянно гоняет фокус вперёд-назад, не достигая фокусировки. Однако, это не значит, что фокусировка на выбранном предмете невозможна. Следующий раздел рассматривает случаи и причины отказа автофокуса.

Факторы, влияющие на автофокус

Предмет съёмки может иметь огромное влияние на степень успешности автофокуса, зачастую даже большее, чем разница между моделями камер, объективов или параметров фокусировки. Три наиболее важных фактора, влияющих на автофокус, - это степень освещённости, контрастность предмета и движение камеры или предмета .

Пример, иллюстрирующий качество различных точек фокуса, показан слева; наведите курсор на изображение, чтобы увидеть преимущества и недостатки каждой из точек фокуса.

Заметьте, что все эти факторы взаимосвязаны; другими словами, автофокус достижим даже на слабо освещённом предмете, если он имеет при этом высокий контраст, и наоборот. Это имеет важные последствия для вашего выбора точки автофокуса: выбор точки фокуса, которая находится на чёткой границе или выраженной текстуре, поможет достичь лучшего автофокуса , при прочих равных условиях.

Пример слева выгодно отличается тем, что точки наилучшего автофокуса совпадают с положением предмета. Следующий пример более проблематичен, поскольку автофокус лучше работает на фоне, чем на предмете. Наведите курсор на изображение внизу, чтобы отметить области хорошей и плохой работы автофокуса.

На снимке справа, если сфокусироваться на быстродвижущихся источниках света за предметом, сам предмет может оказаться вне фокуса, если глубина резкости невелика (как обычно и бывает при съёмке в условиях низкой освещённости наподобие показанных).

Иначе, фокусировка на внешней подсветке предмета, возможно, была бы наилучшим подходом, за вычетом того, что эта подсветка быстро меняет расположение и интенсивность в зависимости от положения движущихся источников света.

Если сфокусировать камеру на внешней подсветке не удаётся, менее контрастной (но более статичной и достаточно хорошо освещённой) точкой фокуса могут быть выбраны ноги модели или листья на земле на одинаковом расстоянии с моделью.

Однако, вышеописанный выбор затрудняется тем, что его зачастую нужно сделать в течение долей секунды. Дополнительные специфические техники автофокусировки для неподвижных и движущихся объектов будут рассмотрены в соответствующих разделах ближе к концу этой главы.

Количество и тип точек автофокуса

Устойчивость и гибкость автофокуса в первую очередь являются результатом числа, положения и типа точек автофокуса, которые доступны в данной модели камеры. Зеркальные камеры высшего класса имеют 45 точек автофокуса и более, тогда как другие камеры могут иметь даже всего лишь одну центральную точку. Два примера расположения сенсоров автофокуса показаны ниже:

На примерах слева и справа приведены камеры Canon 1D MkII и Canon 50D/500D, соответственно.
Для этих камер автофокус невозможен для диафрагм, меньших чем f/8.0 и f/5.6.

Примечание: «вертикальным» сенсор называется только потому, что обнаруживает контраст
вдоль вертикальной линии. Ирония в том, что такой сенсор, как следствие,
наилучшим образом обнаруживает горизонтальные линии.

Для цифровых зеркальных камер количество и точность точек автофокуса может также меняться в зависимости от максимальной диафрагмы используемого объектива, как показано выше. Это важный фактор при выборе объектива: даже если вы не планируете использовать максимальную диафрагму объектива, она тем не менее может помочь камере достичь более высокой точности автофокуса . Далее, поскольку центральный сенсор автофокуса практически всегда наиболее точен, для предметов вне центра зачастую лучше всего сперва использовать этот сенсор для наведения на фокус (перед изменением композиции).

Несколько сенсоров AF могут работать одновременно для повышения надёжности или по отдельности для повышения своеобразия, в зависимости от выбранных параметров настройки камеры. У некоторых камер есть также «АвтоГРИП», вариант для групповых фотографий, который обеспечивает попадание всех точек кластера фокусировки в приемлемую степень фокуса.

Режимы AF: следящий (AI SERVO) или разовый (ONE SHOT)

Наиболее широко поддерживаемым режимом фокусировки камеры является разовый, который наилучшим образом подходит для статичных изображений. Этот режим подвержен ошибкам фокусировки для быстродвижущихся объектов, поскольку не рассчитан на движение, вдобавок он может затруднить отслеживание движущихся объектов видоискателем. Разовая фокусировка требует достижения фокуса, прежде чем снимок может быть сделан.

Многие камеры поддерживают также режим автофокуса, который непрерывно адаптирует дистанцию фокусировки для движущихся объектов. Камеры Canon называют этот режим «AI Servo», а камеры Nikon - «непрерывной» фокусировкой. Следящий режим работает на основе предположения о местоположении объекта в следующий момент времени на основании расчёта скорости движения объекта по данным предыдущих фокусировок. Камера затем фокусируется на предугаданную дистанцию с опережением для учёта скорости спуска (задержки между нажатием спуска и началом экспозиции). Это существенно повышает вероятность правильной фокусировки на движущихся объектах.

Примеры максимальных скоростей слежения показаны для различных камер Canon ниже:

Значения справедливы для идеальных контраста и освещённости при использовании объектива
Canon 300 мм f/2.8 IS L.

Вышеприведенный график можно использовать для приближённого подсчёта возможностей других камер. Действительные предельные скорости слежения зависят также от того, насколько неравномерно движение объекта, контраста и освещённости объекта, типа объектива и количества сенсоров автофокуса, используемых для слежения. Имейте также в виду, что использование следящего фокуса может значительно сократить время жизни батареи вашей камеры, так что применяйте его только при необходимости.

Вспомогательный луч автофокуса

Многие камеры комплектуются вспомогательным лучом AF, видимым или инфракрасным, который применяется в методе активного автофокуса. Это может быть очень полезно в ситуациях, когда объект недостаточно освещён или недостаточно контрастен для автофокуса, хотя использование вспомогательного луча имеет также и свои недостатки, поскольку автофокус в этом случае работает намного медленнее.

В большинстве компактных камер используется встроенный источник инфракрасного света для работы AF, тогда как цифровые зеркальные камеры часто используют встроенную или внешнюю вспышку для подсветки объекта. При использовании вспомогательной вспышки достичь автофокуса может быть затруднительно, если предмет заметно смещается между вспышками. Поэтому использование вспомогательной подсветки рекомендуется только для неподвижных объектов.

На практике: съёмка движения

Автофокус практически всегда будет лучше всего работать при съёмке движения в следящем (AI servo) или непрерывном режиме. Эффективность фокусировки может значительно повыситься при условии, что объективу не нужно осуществлять поиск в большом диапазоне дистанций фокусировки.

Пожалуй, наиболее универсальный способ этого добиться - это предварительно сфокусировать камеру на области, в которой вы ожидаете появления движущегося объекта . На примере с велосипедистом предфокус может быть осуществлён по обочине дороги, поскольку велосипедист наверняка появится поблизости от неё.

На некоторых объективах для зеркальных камер присутствует переключатель минимальной дистанции фокусировки, установка его на предельно возможную дистанцию (ближе которой предмет ни в коем случае не окажется) также повысит эффективность.

Учтите, однако, что в режиме непрерывного автофокуса снимки могут быть сделаны, даже если точная фокусировка ещё не достигнута.

На практике: портреты и другие статичные снимки

Статичные снимки лучше всего снимать в режиме разового фокуса, который гарантирует, что точный фокус был получен до начала экспозиции. Обычные требования к точке фокусировки касательно контраста и освещённости применимы и здесь, но требуется ещё и незначительная подвижность предмета съёмки.

Для портретов наилучшей точкой фокусировки является глаз, поскольку это стандарт и поскольку он обеспечивает хороший контраст. Несмотря на то, что центральный сенсор автофокуса обычно наиболее чувствителен, наиболее точная фокусировка для нецентральных объектов достигается использованием нецентральных точек фокусировки. Если использовать центральную точку фокусировки для фиксации фокуса (и далее изменять композицию), дистанция фокусировки всегда будет несколько меньше действительной, и эта ошибка нарастает с приближением объекта. Точная фокусировка особенно важна для портретов, поскольку они обычно имеют малую глубину резкости .

Поскольку наиболее общеупотребимые сенсоры автофокуса являются вертикальными, может быть уместно побеспокоиться о том, какой контраст преобладает в точке фокусировки, вертикальный или горизонтальный. В условиях малой освещённости порой автофокуса можно достичь, только повернув камеру на 90° на время фокусировки.

На примере слева ступеньки состоят преимущественно из горизонтальных линий. Если фокусироваться на дальней из передних ступенек (в расчёте на получение гиперфокального расстояния), чтобы избежать отказа автофокуса, можно на время фокусировки сориентировать камеру в ландшафтное положение. После фокусировки можно при желании повернуть камеру в портретное положение.

Заметьте, что эта глава рассматривает, как фокусироваться, а не на чём фокусироваться. За дальнейшей информацией по данному вопросу изучите главы о глубине резкости и гиперфокальном расстоянии .

В 1970 фирма Leica совершила небольшую революцию в технологии производства фототехники, придумав систему автоматической фокусировки объектива на объект съёмки. За прошедшие годы мы настолько привыкли к этому изобретению, что считаем его само собой разумеющимся и недоумеваем, не найдя его в гаджете. На сегодняшний день распространение получили две системы — контрастная , основанная на измерении контраста изображения и фазовая , сравнивающая противофазные части пучка, формирующего точку. А совсем недавно, буквально на наших глазах, появилась новая система автофокуса — гибридная , объединяющая скорость фазового автофокуса с точностью контрастного (как заявляет рекламный слоган Samsung).

Контрастный автофокус.

Принцип действия основан на вычислении микропроцессором наибольшего контраста между деталями изображения на матрице. Далее программа заставляет двигаться линзы объектива вперед-назад до тех пор, пока не будет найден максимум контраста (максимум разницы яркостей). Примерно также мы и фокусируемся вручную.

Минусы данной системы — низкая скорость, невозможность следящей фокусировки, невысокая точность. Ведь блоку линз придётся сначала пройти через точку максимума, а затем вернуться назад, и, возможно, повторить действие.

Плюсы — дешевизна, отсутствие сложных деталей и необходимости настройки оптической системы, независимость от светосилы объектива, возможность применения в любой системе: в компактных камерах, беззеркалках и видеокамерах.

Фазовый автофокус.

Думаю, что не буду приводить здесь очень сложную механическую и оптическую схему фазового автофокуса, отослав интересующихся в интернетные глубины (вот, например, хорошее начало). Отмечу лишь, что система фазового автофокуса требует наличия особых датчиков, вычисляющих разность фаз светового потока, разделённого специальными зеркалами. Первые аппараты имели лишь один такой датчик — горизонтальный, дальнейший прогресс сделал его крестовым (фактически объединяющим два датчика — горизонтальный и вертикальный), затем высокоточным, потом количество датчиков стало увеличиваться.

Двойной крестообразный датчик

Нынешние зеркалки даже начального уровня могут похвастаться 9-11 крестовыми датчиками, а в профессиональных моделях их число доходит до 60.

Главным минусом системы фазового автофокуса является его сложность, необходимость точной юстировки и настройки, в том числе программной, а следовательно — цена.

Плюсы — максимальное быстродействие, так как величина и направление перемещения объектива известны сразу. Благодаря многочисленным датчикам и мощному процессору — возможность слежения за объектом съёмки и даже предсказание его перемещения в кадре.

Гибридный автофокус.

С недавних пор во многих зеркальных камерах появился интересный режим съёмки — LiveView, позволяющий делать снимки или проводить видеосъёмку, наблюдая картинку на мониторе в режиме реального времени. Зеркало при этом поднято, поэтому автофокус может быть использован только контрастный. Возможен также смешанный режим автофокуса — при полунажатии на кнопку спуска включается фазовый режим, а после фокусировки камера вновь переключается в режим LiveView. Понятно, что подобные компромиссы заставляют конструкторов придумывать более интересные решения.

В некоторых современных аппаратах — как зеркальных (например, Canon 650D, Canon 70D), так и беззеркальных (Nikon 1, Samsung NX300) инженерам удалось совместить «фазовую» систему фокусировки с «контрастной» - датчики определения фазы встроили прямо в матрицу .

Такая «псевдо»фазовая система работает менее точно и быстро, чем настоящая, и на этом, видимо её минусы заканчиваются, и начинаются плюсы. Относительная «простота» конструкции — нет необходимости в сложных оптических и механических схемах. Вся работа ложится на плечи матрицы и процессора, а его мощность растёт все мы знаем с какой скоростью, поэтому цена этого решения будет только снижаться..

Одним из неочевидных плюсов гибридного автофокуса является отсутствие фронт- и бэкфокуса объектива, так как наводка на резкость происходит непосредственно на матрице.

Более того — очень похоже на то, что на развитие именно гибридного способа фокусировки будут брошены основные силы инженеров в ближайшие 10-15 лет, а может, и меньше. Если прогноз верен, то фактически это означает отказ от зеркального аппарата как от класса.

Принципы работы системы автофокуса.

Фокусировка – больной вопрос для большинства фотолюбителей (да и профессионалов тоже). Поверьте, или проверьте: любой фотографический форум убедит Вас, а тесты фотоаппаратов обязательно содержат раздел, посвященный исключительно работе автофокуса.

Обсуждения же автофокуса на фотографических форумах чаще всего заканчиваются взаимными обвинениями в невежестве или виртуальным хватанием за лацканы пиджака с криками «А ты кто такой?!». Подумалось мне заняться самообразованием и разобраться - на бытовом уровне, как работает автофокус в современных цифровых фотоаппаратах. Оказалось, что материалов в сети очень немного, а понятных человеку без специального образования – еще меньше. Результаты поисков и компилирование информации (спасибо ЛензРенталз!) изложены ниже.

В современных цифровых фотоаппаратах используются две системы автофокуса: контрастный автофокус и фазовый автофокус. Давайте начнем с более простой (и менее распространенной в «зеркалках») системы автофокуса: контрастного автофокуса.

Контрастный автофокус

Контрастный автофокус работает следующим образом: процессор оценивает гистограмму, получаемую с матрицы фотоаппарата, немного перемещает линзы объектива – смещая точку фокусировки, затем производит переоценку, чтобы увидеть, повысился или снизился контраст. Если контраст повысился, фотоаппарат продолжает смещать точку фокусировки в выбранном направлении, пока изображение не станет максимально контрастным. Если же контраст снизился, объективу дается указание смещать точку фокусировки в другую сторону. Процесс повторяется до достижения максимального контраста (что по существу означает продвижение точки фокусировки чуть дальше положения максимального контраста и возврат к точке, после которой контраст начал снижаться). «Сфокусированное» методом контрастного автофокуса изображение – это изображение с максимальным контрастом.

Если ваша камера показывает гистограмму в режиме Live View можно вручную фокусироваться по контрасту.

При контрастном автофокусе оценивается изображение с небольшого участка матрицы – используемого в качестве датчика и совпадающего с точкой фокусировки, выбранной фотографом. Это позволяет выбрать объект, на котором нужно сфокусироваться, и избавляет процессор фотоаппарата от необходимости оценивать контраст всего изображения – оценивается контраст только в выбранных точках автофокусировки.

Недостатки контрастного автофокуса

Основным недостатком контрастного автофокуса является его неторопливость. Многоходовый процесс «сдвиг точки фокусировки/линз объектива – оценка – сдвиг – оценка» требует времени, да и фотоаппарат может начать с перемещения точки фокусировки в неправильном направлении – потом нужно будет возвращаться. Из-за крайне невысокой скорости и невозможности следящей фокусировки, контрастный автофокус мало подходит для динамичных сюжетов. Медлительность усложняет даже съемку неподвижных объектов. Контрастный автофокус значительно более чем фазовый зависит от хорошего освещения, да и - что очевидно - требует хорошей контрастности объекта, на котором производится фокусировка.

Преимущества контрастного автофокуса

Есть у контрастного автофокуса и преимущества, благодаря которым он не только до сих пор используется в фотоаппаратах, но и увеличивает свое присутствие. Во-первых, система контрастного автофокуса проще. Она не требует дополнительных датчиков и микросхем, которые нужны для фазового автофокуса. Простота снижает стоимость и (а для многих цена важнее скорости) является основной причиной использования контрастного автофокуса в компактных цифровых фотоаппаратах. (Другая причина состоит в том, что глубина резкости у компактных фотоаппаратов изначально больше и требования к точности автофокуса существенно ниже).

Простота системы контрастного автофокуса уменьшает ее размер. Например, появившиеся недавно беззеркальные цифровые фотоаппараты со сменной оптикой стремятся к миниатюрности, а система контрастного автофокуса не требует «отводить» изображение в сторону от матрицы фотоаппарата: значит не нужны призмы, зеркала и линзы, необходимые для системы фазового автофокуса. Миниатюрность - одно из важнейших преимуществ беззеркальных фотоаппаратов со сменной оптикой - все они используют контрастный автофокус.

Второе преимущество состоит в том, что в системе контрастного автофокуса используется матрица фотоаппарата. Нет необходимости «отвода» пучка света через специальные призмы и зеркала на дополнительные датчики, которые могут быть неотюстированы по отношению к матрице фотоаппарата. При контрастной автофокусировке оценивается реальное изображение на матрице фотоаппарата, а не отдельное изображение, которое должно быть (а «должен» еще не значит, что так и есть) точно выверено на соответствие с матрицей.

Именно по этой причине контрастный автофокус обеспечивает более точную автофокусировку, чем фазовый. Подчеркну: "при использовании матрицы для контрастной фокусировки". В зеркальных фотоаппаратах Olympus и Sony для контрастного автофокуса в режиме Live View используется дополнительная, меньшая матрица, а значит - как и в любой системе, требующей юстировки - остается возможность неправильной юстировки.

В целом, система контрастного автофокуса проще, дешевле, меньше по размерам, и теоретически более точна, чем фазовый автофокус. Но она намного медленнее. Производители прилагают все усилия, чтобы ускорить контрастный автофокус, есть успехи, но в ближайшем будущем он будет оставаться более медленным.

Фазовый автофокус

Основные принципы

Систему фазового автофокуса (также известного как phase matching) предложила фирма Honeywell в 1970-х годах; впервые серийно ее использовали в фотоаппарате Minolta Maxxum 7000. Honeywell подала на Minolta иск за нарушение патентых прав и выиграла дело; так что производителям пришлось заплатить Honeywell за право использовать фазовую систему автофокуса.

Фазовый автофокус основан на принципе, согласно которому, исходящие/отраженные от точки, находящейся в фокусе, лучи будут в равной степени освещать противоположные стороны объектива («будут находиться в фазе»). Если объектив сфокусирован перед или позади этой точки, эти лучи света по-разному проходят через края объектива («находятся не в фазе»).

Большинство существующих систем фазового автофокуса используют зеркала, линзы или призмы (разделители пучка), чтобы разделить лучи, проходящие через противоположные края объектива на два луча; и вторичную систему линз, чтобы снова сфокусировать эти лучи на датчике автофокуса (как правило, CCD). Этот датчик определяет, куда падают лучи света проходящие через противоположные края объектива. Если точка находится в фокусе, лучи попадают на датчик на определенном расстоянии друг от друга. Если объектив сфокусирован ближе или дальше требуемой точки, расстояние между этими лучами будет меньше или больше. Много слов, давайте попробуем посмотреть на графическое отображение процесса - (рис. 1).

Рис. 1 Принцип работы фазового автофокуса

Сразу оговорюсь: описание и рисунок дают очень упрощенное объяснение принципа работы фазового автофокуса – для того лишь, чтобы получить представление о том, «как это работает». Физика и механика процесса, описание которых заняло бы не одну страницу, полную формул, цифр и других непонятностей, остались «за кадром».

На рисунке ясно видно, что процессор фотоаппарата в системе фазового автофокуса сразу определяет, сфокусирован объектив слишком близко или слишком далеко от объекта, так что один из недостатков контрастного автофокуса (камера не знает, в какую сторону смещать точку фокусировки) изначально отсутствует - вместо перемещения вперед и назад и определения в каком направлении лежит большая контрастность, в фазовом автофокусе процессор сразу видит, в какую сторону смещать точку фокусировки.

А дальше идет процесс. Каждый автофокусный объектив оснащен микропроцессором, сообщающим фотоаппарату о своем присутствии и состоянии, например, "Я объектив 50/1.4 и мой фокусирующий элемент находится в положении на 20% ближе, чем бесконечность" - или нечто подобное. Когда Вы нажимаете на кнопку затвора наполовину, происходит следующее:

Фотоаппарат считывает данные с датчика автофокуса, сверяется с массивом данных, содержащих сведения о свойствах автофокусных объективов этого производителя, делает некоторые расчеты и говорит объективу что-то вроде "Передвинь точку автофокуса вот настолько к бесконечности".

В объективе есть датчики и микросхемы, измеряющие либо количество тока, поданного на моторчик фокусировки, либо насколько передвинулся фокусирующий элемент. Объектив смещает фокусировочный элемент и посылает сигнал фотоаппарату "почти у цели".

Фотоаппарат перепроверяет данные с датчиков автофокуса, и отправляет сигнал объективу к более точной настройке; процесс точной фокусировки может повторяться несколько раз, пока объектив не сфокусируется «точно в цель». Если что-то идет не так, происходит печально известное "рысканье" объектива.

После фокусирования, фотоаппарат приказывает объективу зафиксировать фокус, и информирует фотографа (звуком и индикатором в видоискателе). Весь процесс занимает толику секунды. Очень быстро.

Схема фазового автофокуса

Датчик автофокуса не может находиться перед матрицей, поэтому производители используют частично прозрачные области в зеркале, пропускающие свет на вторичное зеркало, от которого он и отражается на датчик автофокуса (рис. 2).

Рис. 2 Схема фазового автофокуса

Обычно датчик автофокуса располагается под основным зеркалом (рис. 3) вместе с датчиками экспозамера. Красной стрелкой показан датчик автофокуса фотоаппарата Canon EOS 5D. Изображение взято с сайта Canon, USA

Рис. 3 Расположение датчика автофокуса

Типы датчиков фазового автофокуса

Каждый датчик способен оценить лишь небольшую часть изображения. Горизонтальные датчики точнее работают с вертикальными деталями. В большинстве изображений вертикальные детали преобладают, поэтому горизонтальных датчиков больше. Есть и вертикальные датчики, как правило, расположенные крестообразно с горизонтальными (рис. 4). Некоторые фотоаппараты оборудованы даже диагональными датчиками фазового автофокуса.

Некоторые датчики автофокуса (почти всегда располагаются в центре), с помощью различных линз и размера самого датчика, достигают большей точности автофокуса, особенно при использовании светосильных объективов. Чаще всего они включаются в работу только при использовании объективов со светосилой f/2.8 или светлее. На рисунке 4, например, показано, что при использовании объектива f/2.8 будет использоваться крестообразный датчик, а для более темных объективов будет задействован лишь один менее точный датчик автофокуса.

Рис. 4 Крестообразный датчик автофокуса

В первых системах фазового автофокуса (и в некоторых современных фотоаппаратах среднего формата) был только один датчик в центре изображения. С ростом вычислительной мощности и инженерного мастерства добавлялись все новые и новые датчики. Сейчас у большинства фотоаппаратов их от семи/девяти и до 52. Можно – в зависимости от требований снимаемой сцены - выбрать один, все, или группу датчиков. Можно сообщить фотоаппарату какой датчик/датчики использовать.

Многочисленные датчики фазового автофокуса , совместно с процессором фотоаппарата, способны на замечательные вещи. Определяя, в каких датчиках движущийся объект находится в фокусе и как это изменяется – измеряя перемещение объекта и считывая показания через кратчайшие промежутки времени – фотоаппарат может предсказывать, где будет находиться движущийся объект через определенный промежуток времени. На этом основана работа следящего автофокуса.

Влияние светосилы объектива

Независимо от типа датчика, автофокус будет более точным при использовании светосильных объективов. В процессе фокусировки фотоаппарат максимально открывает объектив, закрывая диафрагму до выбранного вами значения только в момент открытия шторок. Фазовый автофокус тем точнее, чем шире угол лучей света. На приведенной схеме угол лучей, полученных от объектива f/2.8 (синие линии), будет больше, чем от объектива f/4 (красные линии), которые в свою очередь больше, чем от объектива f/5.6 (желтые линии). При использовании объектива с максимальной диафрагмой f/8, только самые точные датчики способны работать, но фокусировка будет медленной и менее точной. Именно по этой причине прекращают автофокусироваться объективы f/5.6, когда мы пытаемся использовать телеконвертер, снижающий их максимальную светосилу до f/8 или f/11.

Преимущества фазового автофокуса

Основные преимущества фазового автофокуса мы уже упомянули:

Он много быстрее контрастного - достаточно быстр для съемки движущихся объектов.

Фотоаппарат способен использовать группу датчиков для оценки движения объекта, что дает нам следящий/предикативный автофокус.

Есть и менее явные преимущества. Группы датчиков фазового автофокуса могут использоваться для "электронного ГРИП " – предварительной оценки глубины резкости. Некоторые фотоаппараты (правда, их немного) оснащены функцией автофокусной ловушки (trap autofocus) – они делают снимок в момент, когда что-то попадает в активную точку фокусировки. Если датчики обнаруживают движение в статической сцене, они могут сообщить о недопустимом шевелении фотоаппарата. Но – основное - скорость и следящий автофокус

Недостатки фазового автофокуса

Во-первых, система фазового автофокуса требует физической юстировки . Путь света к матрице фотоаппарата должен быть согласован с путем света к датчику автофокуса так, чтобы предмет, находящийся в фокусе на датчике автофокусировки был в фокусе и на матрице. Каждый объектив должен содержать микросхему, обеспечивающую обратную связь с фотоаппаратом и сообщающую ему информацию о точном положении фокусирующего элемента, о том, на какое расстояние элемент перемещается при подаче определенного тока на моторчик автофокуса. Все это должно быть точно согласовано и выверено таким образом, чтобы объектив смещал точку фокусировки именно туда, куда ему указал фотоаппарат, а фотоаппарат знал точное положение этой точки. Малейшая несогласованность приводит к неточной фокусировке.

Во-вторых, система требует программной настройки . Каждый фотоаппарат и объектив программируются производителем, в память вносится большое количество данных. Благодаря этим данным обеспечивается согласованная работа фотоаппарата и объектива, а точность автофокуса иногда может быть улучшена путем обновления прошивок. Такие обновления часто выпускаются вслед за появлением новых объективов.

Производители скрывают алгоритмы работы своих систем фазового автофокуса. Сторонние производители объективов вынуждены экспериментальным путем считывать и декодировать сигналы, которыми обмениваются фотоаппарат и объектив и на основе этих данных разрабатывать свои микропроцессоры и свои алгоритмы. Из-за этого точность автофокуса при использовании объективов сторонних производителей может быть ниже. Изменение алгоритмов производителями фотоаппаратов приводит к тому, что автофокус на объективах сторонних производителей отказывается работать (их нужно перепрограммировать, как недавно произошло с Sigma AF 120-300/2.8 и Nikon D3X).

Как уже упоминалось, светосила объектива влияет на точность фазового автофокуса. Светосильные объективы способны фокусироваться в более сложных условиях. Обычно зависимость от светосилы не вызывает проблем, потому что у темных объективов большая глубина резкости. Однако, есть значения максимальной светосилы (как правило, f/5.6 или f/8), когда фазовый автофокус просто отказывается работать. (Помните, речь идет о максимальной светосиле объектива - фотоаппарат автоматически полностью открывает диафрагму объектива в процессе фокусировки, поэтому установленное значение не оказывает влияние на автофокус, если максимальная диафрагма объектива соответствует возможностям фотоаппарата).

Поскольку свет попадает на датчики автофокуса только когда зеркало опущено, они перестают работать в момент снимка, и не начинают работать до того, пока зеркало не вернется в исходное положение. Именно поэтому фазовый автофокус не работает в режиме Live View, а следящий автофокус может ошибаться при серийной съемке.

Есть и другие проблемки, которые мы не замечаем. Линейные поляризационные фильтры мешают фазовому автофокусу. Линейных поляриков сейчас осталось немного, но бывает, что купив его «по-дешевке» владелец потом удивляется неточности автофокуса. Фазовый автофокус может просто «сдуться» на некоторых сюжетах (типа шахматной доски или решетки), а контрастный легко справляется с ними.

Live View:

Я выделил режим Live View, потому что именно он заставляет производителей работать над усовершенствованием контрастного автофокуса и над созданием гибридных систем. Как уже упоминалось, контрастный автофокус обладает определенными преимуществами, а преодоление его ограничений будет на пользу всем фотографирующим.

Olympus и Sony уже создали системы, которые разделяют пучок света, отправляя часть в видоискатель, а часть – на дополнительный датчик изображения. Такая система позволяет пользоваться фазовым автофокусом даже в режиме Live View. Но и риск неточной фокусировки возрастает, ведь используется не матрица, а вспомогательный датчик.

Canon описал систему, которая использует фазовый автофокус на начальном этапе, а затем тонко подстраивает фокусировку при помощи контрастного автофокуса.

Nikon кажется, подал заявку на патентование принципа, когда определенные пиксели матрицы фотоаппарата будут использоваться в качестве датчиков фазового автофокуса. Это – по-моему – будет просто революцией.

FujiFilm уже выпустил линейку компактных цифровых фотоаппаратов с гибридной системой автофокуса.

Поживем, увидим. Но очевидно, что впервые за последние годы изменения систем автофокуса могут быть революционным, а не эволюционными. Что – согласитесь – таит для фотолюбителей много интересного и захватывающего.

Первые десятилетия фотографии камеры были большими и представляли собой простую, но громоздкую конструкцию в виде «гармошки», соединяющей объектив и кассетную часть с фотопластинкой. Перед съемкой на место фотопластинки вставлялось матовое стекло (фокусировочный экран), и фотограф вручную двигал объектив (обычно однолинзовый) для фокусировки изображения, накрывшись темным покрывалом для повышения яркости и контраста. Процесс этот был небыстрый, но и спешить особо было некуда: светочувствительность фотопластинок в то время была низкой, выдержка составляла минуты, так что снимали в основном статичные сцены — пейзажи, натюрморты и портреты людей, которым приходилось для этого сидеть неподвижно.

Ручная работа

К началу XX века чувствительность фотоматериалов увеличилась, формат уменьшился, камеры стали намного компактнее и удобнее, но сфокусировать объектив по изображению на маленьком фокусировочном экране стало сложно даже с помощью лупы. Эту проблему можно было решить несколькими путями. Во‑первых, сфокусировать объектив на гиперфокальном расстоянии, так, чтобы большая часть объектов в кадре изображалась резко. Во‑вторых, разметить шкалу расстояний на объективе и наводить резкость, выставляя нужные значения «на глаз». И, в-третьих, можно было применить принципиально новое решение, оснастив камеры устройством для измерения дистанции — дальномером. Этот несложный оптический прибор состоял из светоделительной призмы и поворотного зеркала, разнесенных на определенное расстояние (база). Фотограф, глядя в окошко дальномера, поворачивал зеркало до тех пор, пока изображения не совмещались. С помощью триангуляции, исходя из угла поворота и базы, можно было найти расстояние до объекта съемки и выставить эту дистанцию на объективе (вручную). Такими устройствами камеры начали оснащать с начала XX века, а в 1916 году в модели 3A Autographic Kodak Special конструкторы впервые механически объединили измерение расстояния с одновременной фокусировкой объектива. Настоящую популярность это приспособление получило благодаря компании Leica, которая начала снабжать свои камеры дальномерами начиная с модели Leica I (1925), — собственно, такие камеры и стали называться дальномерными.

Убрать раздвоение

В 1976 году на выставке Photokina компания Leica представила фотокамеру с системой Correfot (которую она разрабатывала с 1960 года) — первой системой автофокусировки в мире. По одной из легенд, несмотря на интерес публики, компания отказалась от ее выпуска, «потому что клиенты уже знают, как правильно фокусировать объектив». На самом деле система была просто слишком прожорлива (комплекта из шести батареек хватало менее чем на час съемок) и в целом «сырая». Поэтому первой серийной автофокусной камерой стала в 1977 году Konica C 35 AF, оснащенная системой Visitronic компании Honeywell. Система эта базировалась на классическом дальномере и триангуляции, только два изображения сводил вместе не сам фотограф, а электромеханическая автоматика, сравнивая сигналы с двух ПЗС-матриц.

Компания Canon пошла немного другим путем, решив обойтись без сложной электромеханики. В Canon AF35M (1977) появился активный автофокус, представлявший собой оптоэлектронную версию классического дальномера: светодиод излучал инфракрасный импульс, а расстояние определялось по углу его отражения от объекта, измеренного с помощью ПЗС-датчика. В следующей модели, Canon AF35ML (1981), уже использовалась пассивная автофокусировка, основанная на «твердотельной триангуляции»: никаких движущихся частей, а «сведение» изображений осуществлялось электронным способом — по разности сигналов на двух ПЗС-матрицах.

В первых дальномерных камерах фотограф совмещал изображения, считывал расстояние и выставлял полученное значение на фокусировочной шкале объектива. В камере 3A Autographic Kodak Special эти процедуры были объединены в одну.

Сдвиг по фазе

Первой автофокусной зеркальной камерой стала Minolta Maxxum 7000 (1985). В этой модели использовалась система фазовой автофокусировки (AF) через объектив (Through The Lens — TTL), которая широко применяется и сейчас. Принцип ее работы основан на том, что лучи, проходящие через две половины объектива, отражаются зеркалом и фокусируются в двух разных точках на датчике АФ — двух ПЗС-линейках. Расстояние между этими точками для идеальной фокусировки точно известно, и если измеренная дистанция между пиками не совпадает с этим значением, система управления начинает двигать объектив в нужном направлении до тех пор, пока пики не окажутся на нужных местах. В реальной жизни, конечно, все намного сложнее — изображение представляет собой не точку, может быть расположено не на оптической оси и т. п. Эти проблемы решаются введением различных масок и дополнительных конденсорных линз, но принцип тот же.

Автоматические дальномеры и настоящая АФ Konica C35 AF была оснащена электромеханическим дальномером с двумя ПЗС-датчиками. Сигналы с датчиков сравнивались, их совпадение означало точную фокусировку.

Фазовый автофокус очень быстрый (система сразу знает, в каком направлении нужно двигать объектив, и благодаря этому даже может отслеживать движение объекта в кадре), не требует большой вычислительной мощности и не имеет движущихся частей. Основной недостаток этой системы — ее неуверенная работа при низком освещении, а также то, что она работает только при опущенном зеркале: в момент съемки зеркало поднимается, и весь свет через объектив попадает на пленку или матрицу, а не на датчик АF. А значит, эта система не годится для тех случаев, когда кадр визируется по ЖК-экрану (LiveView), то есть для большинства компактных цифровых камер и смартфонов.

А первая настоящая АФ появилась в камере Minolta Maxxum 7000. Это была полноценная система фазовой автофокусировки через объектив (TTL) — предок всех современных фазовых систем АФ.

По образу и подобию

Для цифровых камер, которые с начала 2000-х заменили пленочные, пришлось придумывать новый принцип автофокусировки. Ну, не совсем новый. Как человек наводит объектив вручную? Крутит кольцо фокусировки, пока наблюдаемая картинка не станет резкой, то есть максимально контрастной. Контрастный автофокус работает точно так же: двигает объектив, добиваясь максимальной контрастности картинки на светочувствительной матрице.

Такая система работает с основной матрицей и не требует сложных оптических схем и дополнительных датчиков. Но, в отличие от фазовой автофокусировки, она не может определить заранее, в какую сторону следует двигать объектив, и начинает это делать в случайном направлении — точно так, как это делал бы человек. Поэтому скорость фокусировки иногда оставляет желать лучшего — особенно в условиях недостаточного освещения или при съемке малоконтрастных объектов, когда система просто не может «рассмотреть» резкие детали (в точности как человек). Тем не менее долгое время для компактных цифровых камер и особенно смартфонов альтернатив контрастной автофокусировке просто не существовало.

Камера Canon EOS 70D стала первой моделью, оснащенной системой типа Dual Pixel CMOS AF. В отличие от гибридной системы АФ, которая использует специальные выделенные фотодиоды на общей КМОП-матрице, АФ с «двойными пикселями» и для фокусировки, и для фотосъемки задействует все фотодиоды матрицы.

Гибридный подход

В 2010 году компания Fujifilm выпустила камеру FinePix F300EXR с новой, гибридной системой автофокусировки. На матрице камеры, помимо обычных светочувствительных фотодиодов (пикселей), были равномерно разбросаны два типа специализированных — «правые» и «левые», то есть воспринимающие свет только от правой или левой части объектива (другая часть закрыта непрозрачной маской). Система АF сравнивала изображение на субматрицах, образованных «левыми» и «правыми» пикселями. Точное совпадение этих двух изображений говорит о точной фокусировке, а смещение показывает, насколько и в какую сторону следует сместить объектив. Похоже на фазовую АF, не так ли? Почти, но не совсем: разрешающая способность субматриц существенно меньше, чем всей матрицы, и при очень малых отклонениях от точной фокусировки система неспособна увидеть разницу, так что на финальном этапе используется фокусировка по контрасту.

Ничего лишнего

Гибридный автофокус выгодно сочетает достоинства фазовой и контрастной систем АF, однако имеет и недостатки. Для улучшения работы АФ нужно увеличить количество пикселей, которые «работают» только на 50%, а это приводит к уменьшению общей светочувствительности матрицы. Но разработчики матриц придумали остроумный способ обойти это ограничение.

В 2013 году в камере Canon EOS 70D была впервые опробована система Dual Pixel CMOS AF. А в 2016 году на рынке появился первый смартфон с камерой, оснащенной системой Dual Pixel, — флагман Samsung Galaxy S7.

Существует способ сделать так, чтобы «всё было резко» вовсе без автофокусировки. В эпоху пленочных камер дешевые модели обычно снабжались простым объективом с фиксированной фокусировкой (focus-free) на гиперфокальном расстоянии. Такой объектив позволяет более-менее резко изображать все объекты, находящиеся на расстоянии от половины гиперфокального (обычно 0,5−1 м) до бесконечности. Подобными же объективами снабжались и дешевые цифровые камеры, и первые смартфоны с камерами. Однако этот принцип применим только для дешевых широкоугольных объективов с большим минимальным значением диафрагмы. Другой случай — это использование пленоптической камеры, или «камеры светового поля». Она фиксирует не только распределение освещенности в фокальной плоскости, но и направление пришедших лучей (световое поле). Такое изображение можно позднее «перефокусировать» любым нужным образом (в любой плоскости). Идея подобных камер была выдвинута в 1908 году, а несколько лет назад компания Lytro решила производить цифровые версии, хотя особого распространения они пока не получили.

Каждый пиксель матрицы Dual Pixel состоит из двух отдельных фотодиодов — «правого» и «левого». Таким образом, при автофокусировке вся матрица делится на две субматрицы, «правую» и «левую», с таким же разрешением, как и основная матрица. Сравнение сигналов с двух половинок обеспечивает точность выше, чем у гибридных, а скорость гораздо выше, чем у контрастных систем АF (скажем, в Samsung Galaxy S7 время фокусировки составляет менее 0,2 с). Поскольку Dual Pixel является фазовой системой АF, она позволяет отслеживать движение объекта в кадре. А в момент съемки обе субматрицы работают как единое целое, не происходит никакого падения светочувствительности, что важно для смартфонов с их небольшими матрицами. Поэтому такая система на сегодняшний день представляет собой вершину эволюции систем АF. Конечно, до тех пор, пока инженеры опять не придумают что-нибудь новое.

Сонары, радары и лидары

Отдельную ветку на эволюционном древе автофокусировки занимают внешние (относительно оптической системы камеры) дальномеры с прямым измерением расстояния. Одной из первых фотокамер с системой автофокусировки стала модель Polaroid SX-70 Sonar OneStep (1978), оснащенная, как понятно из ее названия, дальномером на основе ультразвукового сонара. Архаика? Вовсе нет, сонарные дальномеры для камер существуют и сейчас. Их выпускает, например, компания RedRockMicro — правда, не для автоматической, а для дистанционной ручной фокусировки профессиональных камер. Более новый принцип определения расстояния, лазерная локация, сейчас активно используется не только в строительной и военной технике, но и в некоторых смартфонах (LG G3) — в дополнение к обычной системе контрастной автофокусировки. В патентах Sony упоминается радарная автофокусировка, но серийных образцов подобного типа на рынке не представлено.

Редакция благодарит Markus Kohlpayntner за помощь в подготовке статьи.

Начнем, пожалуй, с того, что же такое автофокус. Это система, которая обеспечивает автоматическую фокусировку объектива фотоаппарата, видеокамеры на объект (или несколько объектов) съемки. Обозначают автофокус чаще всего как AF.

Существует два режима работы автофокуса: пассивный и активный . Смысл в том, что системе требуется определить расстояние от фокальной плоскости до объекта съемки, и активный автофокус добивается этого за счет элементов, взаимодействующих с объектом съемки (ультразвуковой или инфракрасный локаторы), а пассивный не взаимодействует с самим объектом и ничего не излучает — он лишь анализирует световые пучки, попадающие в камеру.

Всю свою работу автофокус выполняет за считанные мгновения и практически без непосредственного участия самого фотографа. Данное устройство предусмотрено во всех современных фотоаппаратах и различается по своему типу. Как правило, выделяются следующие виды:

• Фазовый автофокус
• Контрастный автофокус
• Гибридный автофокус

Рассмотрим каждый из них поподробнее. Работа фазового автофокуса основывается на использовании специальных датчиков, собирающих лучи света из разрозненных фрагментов, которые поступают к ним из разных точек кадра благодаря системам зеркал (в некоторых устройствах они заменены линзами). После этого весь свет разделяется на два потока и отправляется на светочувствительный сенсор. Окончательная наводка происходит в определенный момент, когда разделенные лучи будут находится на заданном устройством датчика расстоянии. Проведя расчет необходимой дистанции, устройство само определяет каким образом нужно изменить положение линз, для того чтобы был получено изображение лучшего качества. К неопровержимым достоинствам автофокуса фазового типа можно смело отнести точность и быстроту фокусировки, особенно это важно, если вы снимаете движущуюся сцену. Большое количество датчиков буквально следит за изображением, добиваясь максимального качества. Фазовый АФ применяется в зеркальных системах.

Следующий вид фокусировки – контрастный автофокус . Его работа основана на специальных светочувствительных элементах, которые проводят исследования контраста снимаемой сцены. Точная фокусировка происходит в тот момент, когда данное изображение обретет максимально отличающуюся от фона резкость и контрастность. Для достижение лучшего результата микропроцессор подобных устройств может смещать линзы из первоначального положения. К достоинства такого типа автофокуса можно отнести простоту, достаточно маленькие размеры и отсутствие необходимости в каких-либо дополнительных датчиках. Благодаря особенностям данной системы её используют в «мыльницах», камерах современных смартфонов и т.п.

Еще один вид, заслуживающий внимание фотографа – гибридный автофокус . Изначальная мысль заключалась в том, чтобы объединить пассивный и активный АФ. Современные же разработки гибридного автофокуса основаны на комбинации фазовой и контрастной технологии. Данный тип автофокуса сегодня внедряют в беззеркальные системы, где такой АФ показывает более убедительные результаты, чем контрастный, который использовался до этого.