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.

Дата публикации: 03.12.2015

Новый автофокус

Что такое гибридный автофокус?

Очередную часть этого теста я снова начинаю с короткой теории, чтобы показать революционность некоторых решений, примененных в Sony Alpha ILCE-7RM2. Гибридный автофокус этой камеры сочетает в себе две составляющие: контрастную и фазовую. Начнем с контрастной. Фокусировка по этому принципу осуществляется очень просто: камера шаг за шагом смещает на небольшую величину фокусировочный блок линз в объективе и оценивает микроконтраст изображения. Чем он выше, тем выше резкость. Если после какого-то шага достигнутый ранее высокий контраст начинает снижаться, камера возвращает фокусировочный элемент на несколько микрошагов назад - резкость достигнута!

Плюсов у этой технологии предостаточно. Точность фокусировки может быть потрясающе высокой, ведь камера ее оценивает по изображению с матрицы, то есть по будущей фотографии. Процессор еще в процессе фокусировки может распознавать сюжеты и задействовать дополнительные функции, например, фокусироваться и замерять экспозицию по лицам или другим сюжетно важным частям кадра.

Минусов у этого принципа всего два. Первый - не всегда высокая скорость. Автоматика каждый раз должна сделать сотни и тысячи микрошагов, оценивая резкость изображения после каждого из них. Это непростая задача даже для очень мощного процессора. И каждый шаг автоматика делает вслепую. Она не знает, расположен снимаемый объект ближе к камере или удален на бесконечность. Поэтому направление вращения кольца фокусировки может оказаться неверным, и тогда объектив начинает «рыскать», нащупывая заветную резкость, неизбежно проскакивая ее и тут же возвращаясь назад. Это второй минус.

Датчики фазовой детекции, расположенные непосредственно на матрице, призваны нивелировать оба недостатка контрастного автофокуса. Они подсказывают автоматике величину смещения и направление, в котором нужно вращать кольцо фокусировки для достижения резкости. Прецизионная доводка резкости может осуществляться по контрастному принципу. Это позволяет добиваться идеальных по точности результатов за короткое время. И заметьте, никаких проблем с фронт- и бэкфокусом здесь быть просто не может.

Без малого четыре сотни

Таких фазовых датчиков-помощников на матрице Sony Alpha ILCE-7RM2 ровно 399. Они настолько скромны, что вы их можете даже не заметить. В отличие от зеркалок выбрать один из 399 фазовых датчиков здесь нельзя. Да и как вы себе это представляете? Их же слишком много! Индикацию зоны кадра, покрытой фазовыми датчиками, вы можете включить в меню. А отдельные задействованные в данный момент точки подсветятся зеленым на экране лишь в режиме фокусировки AF-C, да и то при работе с широкими зонами АФ. Именно поэтому многие фотографы, взявшие в руки Sony Alpha ILCE-7RM2, даже не догадываются о наличии в ней фазовой автофокусировки.

Площадь, покрытая датчиками фазовой фокусировки, у Sony Alpha ILCE-7RM2 настолько велика, что трудно представить сюжет, в котором снимаемый объект вышел бы за нее (естественно, при следовании определенным законам композиции). Впрочем, даже в этом случае ничего страшного не произойдет: там его подхватит обычный контрастный автофокус. Например, у автофокуса зеркалок и площадь покрытия меньше, и подстраховки в виде контрастного автофокуса по краю кадра нет.

Цепкости датчиков достаточно, чтобы отследить даже достаточно быстрые объекты. Например, при очень плохом освещении мне без труда удавалось снимать картинг. А это непростая задача: малоконтрастный объект съемки на темном фоне, несущийся на фотографа с приличной скоростью. Кстати, чувствительность фазовых датчиков заявлена на уровне -2 EV, что соответствует уровню серьезной зеркалки.

ILCE-7RM2 / FE 70-200mm F4 G OSS УСТАНОВКИ: ISO 6400, F4, 1/125 с, 114.0 мм экв.

Смаз на снимках появлялся из-за слишком длинной выдержки, но не из-за промахов автофокуса. Здесь мне пригодилась и высокая скорострельность камеры (до 5 кадров/с), и широкий диапазон рабочих ISO.

ILCE-7RM2 / FE 55mm F1.8 ZA УСТАНОВКИ: ISO 6400, F1.8, 1/800 с, 55.0 мм экв.

ILCE-7RM2 / FE 55mm F1.8 ZA УСТАНОВКИ: ISO 6400, F1.8, 1/800 с, 55.0 мм экв.

ILCE-7RM2 / FE 55mm F1.8 ZA УСТАНОВКИ: ISO 6400, F1.8, 1/800 с, 55.0 мм экв.

ILCE-7RM2 / FE 55mm F1.8 ZA УСТАНОВКИ: ISO 6400, F1.8, 1/800 с, 55.0 мм экв.

ILCE-7RM2 / FE 55mm F1.8 ZA УСТАНОВКИ: ISO 6400, F1.8, 1/800 с, 55.0 мм экв.

Возвращаясь к теме датчиков фазовой детекции, нужно отметить, что все они сохраняют свою работоспособность и при установке оптики через переходник Sony LA-EA3. Такая же функция недавно появилась у Sony Alpha ILCE-7M2 благодаря последней версии прошивки. Но отметим, что в младшей модели камеры фазовые датчики покрывают куда более скромную площадь кадра.

Управление автофокусом

Чтобы комфортно и эффективно снимать на Sony Alpha ILCE-7RM2, вам придется от корки до корки прочитать инструкцию и одномоментно забыть целый ряд съемочных приемов, которые вы часто использовали при работе с зеркалками. Во-первых, отрываемся от видоискателя: автофокус и при визировании по экрану будет работать так же быстро и эффективно. Во-вторых, не бойтесь довериться автоматике. Она видит снимаемый сюжет всеми своими 42 миллионами пикселей, оценивает и распознает его в реальном времени, будь то лицо человека или просто доминирующий объект. Для сравнения: зеркалки для распознавания сюжет используют модуль экспозамера, имеющий в сотни раз меньшее разрешение даже в топовых моделях. При работе с широкой зоной автофокуса правильный объект для наведения резкости будет выбран в 90% случаев. Добрая половина тестовых снимков здесь сделана именно с широкой зоной автофокуса.

ILCE-7RM2 / FE 90mm F2.8 Macro G OSS УСТАНОВКИ: ISO 400, F4, 1/250 с, 90.0 мм экв.

Выбор вручную одной-единственной точки автофокуса остался в прошлом. Безусловно, он реализован в Sony Alpha ILCE-7RM2 и будет полезен при предметной или макросъемке. Но для большинства других сюжетов есть куда более продвинутые алгоритмы. Например, выделить снимаемый объект и включить слежение за ним можно буквально одной кнопкой. Дальше камера будет сама удерживать объект в резкости вне зависимости от его перемещений по площади кадра.

Наконец, в Sony Alpha ILCE-7RM2 появился просто потрясающий инструмент для любителей съемки портрета - Eye AF (фокусировка по глазам). В моей камере эта функция присвоена центральной кнопке задней панели. Вам достаточно нажать эту кнопку и удивиться, с какой точностью и скоростью автоматика выбрала один из 399 фазовых датчиков, совпадающий с ближним глазом модели. Вспомните, сколько действий нужно совершить для этого, снимая на зеркалку! А ведь у зеркалок еще и область покрытия автофокуса меньше, из-за чего часто приходится снимать с блокировкой автофокуса и перекадрированием. Все это в прошлом…

Проверяя фокусировку по глазам в деле, я использовал два системных объектива: Zeiss Batis 1.8/85 Sony E и очень хорошо справляющийся со съемкой портретов Sony FE 90mm f/2.8 Macro G OSS . Оба объектива способны обеспечить очень малую глубину резкости. Но ни с тем ни с другим в серии практически не было кадров с браком по фокусу. Я включил непрерывный автофокус, зажал центральную кнопку и дальше лишь наслаждался тем, насколько уверенно камера удерживает в фокусе лицо, а точнее, ближний к камере глаз модели.

Нескольким предыдущим моделям Sony мы записали в минусы отсутствие возможности прямого выбора точки автофокуса (для этого нужно дополнительно нажимать одну из кнопок). И лишь после выхода Sony Alpha ILCE-7RM2 стало понятно: компания шаг за шагом приближалась к новому автофокусу, который работает иначе: более просто, более эффективно.

Две стороны медали

Камера Nikon D5200. Высочайшая точность 39-точечной системы АФ с девятью крестообразными датчиками обеспечивает исключительную резкость изображений благодаря четкой фокусировке на выбранном объекте.

В современных камерах сейчас, как правило, используются так называемые пассивные принципы работы автофокуса - фазовый и контрастный. К слову сказать, существуют еще и активные - ультразвуковой и инфракрасный, но их применяют очень мало (в камерах с моментальными снимками и для некоторых компактов).

Фазовый автофокус

Фазовый автофокус традиционно используется в зеркальных фотокамерах (иногда в компактных), тогда как контрастный изначально применяют в незеркальных моделях. В обоих случаях для удачного наведения фокуса главную роль играет контрастность фокусной точки.

Главную функцию в обеспечении работы фазового автофокуса выполняют специальные датчики. Их число варьируется в зависимости от модели фотоаппарата, например, в Nikon D3200 их одиннадцать, тогда как в Nikon D800 - пятьдесят один. С помощью специальных зеркал датчики ловят световые потоки и распределяют их на светочувствительные сенсоры. Датчики фиксируют расстояние между потоками, и если оно соответствует определенному стандартному параметру - наводка точная, если расстояние больше или меньше - нужно фокусироваться еще раз. Таким образом, при наведении объектива камера изначально определяет, верно ли наведен фокус, если нет, то в каком направлении его нужно изменить для достижения наилучшего результата. Скорость фокусировки у фазовой системы высокая и главным образом зависит от расторопности мотора объектива.

Nikon Advanced Multi-CAM 3500FX - наиболее продвинутый модуль автофокусировки на данный момент. 51 датчик, 15 из которых - повышенной точности. Он дает возможность индивидуального выбора и конфигурации настроек зоны покрытия в 9, 21 и 51 точку.

Количество сенсорных датчиков ограничено, они покрывают лишь некоторую часть кадра. Наиболее распространены два типа датчиков - вертикальные и горизонтальные. Совмещая оба варианта, получаем наибольшую точность фокусировки. Последний подход достаточно дорог и технически сложен, так что количество таких датчиков обычно не столь велико, как вертикальных. Также существует нюанс с подбором объектива. И здесь модели с более высокой светосилой (например, f/2.8) предпочтительнее. Высокая светосила позволяет увеличить точность фокусировки, тогда как использование объективов с более низкой светосилой, наоборот, снижает ее скорость фокусировки и порой приводит к тому, что объектив начинает издавать характерные звуки, которые в профессиональном жаргоне часто именуют "рысканьем".

Рассмотрим систему автофокуса на примере Nikon D800. Она насчитывает 51 датчик, из которых 15 - крестообразные. Они расположены вертикально по центру в три ряда. Все 15 действуют с объективами с максимальной диафрагмой не более f/5.6. При диафрагмах f/5.6 - f/8.0 их становится девять, а при значении f/8.0 - всего один крестообразный (центральный) и десять обычных. Схема расположения датчиков аналогична системе автофокуса Nikon D4.

Отметим, что число активных вертикальных датчиков также варьируется в зависимости от диафрагмы объектива, чем "темнее" объектив, тем их меньше. Без автофокуса можно остаться, используя телеконвертеры, например, Nikon TC-20E III с коэффициентом увеличения 2.0х. Если взять объектив с диафрагмой f/5.6, актуальное значение параметра при использовании упомянутого телеконвертера уменьшится на два полных стопа и составит f/11. В этом случае уже придется наводить фокус вручную.

Контрастный автофокус

А что же контрастный автофокус? В последние годы он получил большую популярность в незеркальных цифровых фотокамерах. Суть работы довольно проста: система считывает картинку с матрицы, анализируя степень контрастности точки фокуса, далее принимает решение о корректировки фокуса объектива, для поиска оптимального значения. Процесс повторяется до тех пор, пока система не найдет наилучшее значение контрастности. Все это занимает время, усложняет ситуацию тот факт, что автофокус в начале процесса может ошибочно пойти вперед или назад, это отнимет еще немного времени. Думаем, многим доводилось наблюдать, как камера фокусируется в одном крайнем положении, потом в другом и только после этого начинает "опознавать" объект съемки. Есть и другой момент - пока камера считывает информацию с сенсора, проходит некоторое время. В итоге можно наблюдать ситуацию - кнопку спуска нажали, кадр делается с некоторой задержкой, и момент упущен. Но нет худа без добра: простая рабочая схема (сенсор и объектив) делает ее дешевле и много компактнее, кроме того этот подход обеспечивает более точную работу автофокуса.

Система Nikon 1 совмещает в себе фазовую и контрастную систему автофокуса, что обеспечивает высокую скорость и точность фокусировки везде и всегда.

Отвлечемся от DSLR-камер и вспомним о том, что инженеры Nikon сумели совместить оба подхода в линейке Nikon 1. В камерах серии J и V используется гибридная система автофокуса: в хороших условиях съемки задействуется фазовый подход, при ограниченном освещении - контрастный. Это позволило реализовать полноценную систему следящего автофокуса и существенно ускорить сам процесс.

Бывают случаи, когда ни один из подходов не поможет, возможности сфокусироваться из-за минимального освещения и/или низкого уровня контрастности нет. На такие случаи жизни камеры снабжаются системой активного автофокуса, а именно подсветкой. Она существенно снижает скорость процесса фокусировки, зато позволяет сделать успешный снимок.

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)

В этой статье изложена информация про автофокус в зеркальных цифровых камерах, о том, какого вида он бывает, как его использовать, и что делать с его неполадками (и как их определить).

Что такое автофокус фотоаппарата

Автофокусом фотоаппарата называют устройство автоматической наводки объектива на объект съемки. Для обозначения автофокуса используют международную аббревиатуру AF, которую можно встретить в названиях автофокусных объективов (о них ниже) и в меню настроек фотоаппарата.

Как работает автофокус

Все очень просто: в зависимости от типа фокусировки камера считывает определенным способом данные о том, что видно в объектив. Затем эти данные анализируются и, при необходимости, камера посылает команды мотору автофокуса, расположенному в объективе. Данный мотор двигает блок линз и производит фокусировку с поправкой, которую требует камера. Данный процесс повторяется, пока фотоаппарат не решит, что фокусировка достигнута.

Та самая «отвертка» на байонете фотоаппарата Nikon

Примечание: некоторые фотоаппараты фирмы Nikon имеют фокусировочный мотор, который расположен в самой камере. Данные фотоаппараты в простонародье называют «тушки с моторами», а сам механизм такой фокусировки - «отверткой» из-за внешнего сходства. Преимущества «отвертки» в том, что автофокус фотоаппарата будет работать и со старой оптикой советского времени, несмотря на отсутствие фокусировочного мотора в старых объективах. Однако учитывайте, что старая оптика требует доработок, чтобы фотоаппарат Nikon смог фокусироваться на бесконечность, чего не надо делать на фотоаппаратах Canon (так как расстояние между задней линзой объектива и матрицей у Canon ближе к данному значению на старых зеркальных фотоаппаратах).

Контрастный автофокус

Контрастный автофокус является самым простым видом автофокуса в современных зеркальных камерах.

Данный тип автофокуса довольно надежен и основан на простейшем прогоне блока линз вперед-назад, а затем определении позиции, когда изображение на датчике фокусировки было наиболее контрастным (то есть, для большинства случаев, резким). Пример алгоритма работы данного метода афтофокуса показан на анимации.

Из минусов данного метода можно отметить его крайне низкую скорость. Также данный метод работает только если изображение с объектива поступает прямиком на матрицу камеры, то есть зеркало камеры поднято (обычно это происходит при включенном экране предпросмотра Live View).

Фазовый автофокус

Фазовый автофокус является более сложным механизмом, для рассмотрения которого требуется сначала немного понять строение зеркальной камеры. Рассмотрим схему работы камеры изображенную ниже.

Здесь изображение попадает на зеркало, откуда оно перенаправляется вверх и попадает в видоискатель с помощью переотражения от пентапризмы (ее нет на этой схеме выше). Но вся суть в том, что зеркало камеры немного не обычное, оно устроено так, что в определенной области по центру зеркала свет проникает и сквозь него, где этот свет уже ждет другое маленькое зеркало, которое направляет центральную часть изображения вниз, прямо на датчики фазового автофокуса. Если перевести включенную камеру в режим Live View и поднять таким образом зеркало, можно увидеть углубление под тем местом, где было зеркало - именно там расположены эти датчики.

Датчики фазового автофокуса работают следующим образом: свет из разных участков изображения попадает на разделители луча (см. на схеме), откуда уже пара лучей через линзы попадает на датчик. Датчик представляет собой пару светочувствительных сенсоров. Суть в том, что когда изображение в фокусе (то есть на разделителе лучи от изображения сходятся в одну точку), на паре сенсоров датчика данные лучи попадают точно в центр. Преимущество данного метода в том, что заранее видно, в какую сторону надо поправить фокусировку, чтобы лучи попали в центр датчика, и более того, насколько велика текущая погрешность.

Отсюда преимущество фазового автофокуса: высокая скорость работы.

Однако для точной работы такого автофокуса нужно чтобы расстояние от объектива до матрицы было точно таким же, как от объектива до разделителей луча. Поэтому есть и недостатки: механизм требует тонкой настройки датчиков фокусировки и/или отражающего зеркала , угол наклона которого может сильно влиять на работу данного механизма. Неправильная настройка может привести к бракованным снимкам в связи с постоянной неточной фокусировкой.

Гибридный автофокус

В современных зеркальных фотоаппаратах продвинутого уровня и беззеркальных камерах встречается гибридный автофокус, который совмещает в себе все плюсы предыдущих способов фокусировки. В данном случае фокусировка производится по матрице, которая уже сама по себе имеет датчики фазового автофокуса в точках фокусировки. Благодаря этому достигается скорость фазового автофокуса и точность контрастного , который в данном случае слегка «доводит» фокусировку до самого точного значения после того как отработали фазовые датчики.

При этом камера может анализировать картинку с матрицы и фокусироваться в интеллектуальных режимах на самых значительных для сюжета частях кадра (например, на лица людей в кадре). Наличие такого автофокуса смотрите в описании конкретной модели фотоаппарата, которую хотите приобрести или уже имеете в наличии.

Неполадки автофокуса

Процесс исправления неполадок объектива и/или фотоаппарата при плохой работе автофокуса называется юстировкой. Юстировка (от немецкого justieren «вымерять») - процесс выравнивания конструктивных элементов вдоль какой-либо оси, в более узком смысле применимо к фотографии это тонкая настройка объектива либо механизмов фотоаппарата.

Юстировка объектива

Довольно часто причиной неточной работы автофокуса зеркального фотоаппарата является неполадка в объективе. Чтобы убедиться, что дело именно в объективе, следует проверить работу автофокуса с другим объективом: если с другим объективом фотоаппарат фокусируется точно, то проблема скорее всего действительно в объективе и его нужно нести на юстировку в сервисный центр.

Юстировка фотоаппарата

Иной раз источником неполадки является сам фотоаппарат, а вернее - фазовые датчики автофокуса. Как уже упоминалось ранее, данный механизм склонен к поломкам при малейшей неточности (расстояние отзадней линзы объектива до фазовых датчиков должно максимально точно совпадать с расстоянием от задней линзы объектива до матрицы).

Чтобы проверить фотоаппарат, следует опять же взять другой объектив и проверить его на точность. Если и с другим объективом автофокус фотоаппарата постоянно «мажет», то можно смело нести фотоаппарат на юстировку. Либо оба объектива, хе-хе. Нет, ну если второй объектив, который Вы одолжили, например, у друзей, работает на их фотоаппарате нормально, значит проблема в Вашем фотоаппарате.

Следует знать, что в сервисном центре могут отъюстировать Ваши фотоаппарат и объективы друг под друга, поэтому можно приносить фотоаппарат со всей Вашей оптикой. Обычно в хорошем сервисном центре хранится идеально отъюстированный эталонный фотоаппарат, и такой же объектив, собственно объективы юстируются на таком фотоаппарате, а фотоаппараты - на таком эталонном объективе. Либо Вам могут отъюстировать Ваш фотоаппарат под Ваш же объектив, но это не очень надежно если Вы рассматриваете вопрос о расширении своего парка объективов.

Также следует помнить, что в продвинутых зеркальных камерах присутствует опция настройки фазового автофокуса для каждого из автофокусных объективов. То есть Вы программно задаете фотоаппарату команду, что, мол, «вот с этим объективом делай поправку на автофокус поближе, а на этом - подальше». Как определить правильность поправки, которую Вы задали - ниже.

Определение характера неполадок автофокуса: фронт-фокус и бэк-фокус

Для определения поправки в опциях фотоаппарата (да и просто для диагностики неполадок автофокуса) следеут знать, что неправильная работа автофокуса делится на два вида: «недолет» и «перелет» фокуса (фронт-фокус и бэк-фокус соответственно). Для определения данного дефекта можно воспользоваться специальными мишенями юстировки автофокуса , коих в Интернете предостаточно. Их следует распечатать и фокусироваться по центру такой мишени. Перед этим не забудьте полностью расфокусировать фотоаппарат куда-нибудь вдаль или вблизь, чтобы ему не было «поблажек» при попытке фокусировки на мишень.

Лично из своего опыта скажу, что автофокус моего фотоаппарата практически одинаково «недолетал» до цели фокусировки на обоих объективах, что четко говорило о проблеме фронт-фокуса с датчиками фазового автофокуса. Пришлось нести на юстировку.

Следите за используемой точкой фокусировки. Обычно это центральная точка, однако, в настройках ее можно поменять на любую другую точку/группу точек, и тогда фотоаппарат может, например, пытаться фокусироваться по левой части кадра, в то время когда Вы расположили главный объект съемки по центру или справа.

Ищите контрастные объекты в зоне фокусировки. Дело в том, что любой автофокус не поймет, что Вы от него хотите, если будете фокусироваться на идеально (белый/черный/любой другой цвет) объект без какой-либо фактуры и деталей.

При отсутствии подходящих контрастных объектов наводитесь на равноудаленный контрастный объект , а затем кадрируйте кадр (переносите взор фотоаппарата туда, куда Вам изначально хотелось). Данный метод очень спасает в сложных ситуациях, например иногда легче сфокусироваться не на идеально голубое небо по центру кадра, а на край облачка слева, а затем заново перенести идеальный голубой фон в центр кадра. На близких дистанциях данный метод используйте аккуратно, так как, например, расстояние от камеры до лица близко стоящего человека сильно отличается от расстояния от камеры до его ног.

Для очень динамичных сюжетов следует использовать следящий режим автофокуса (в Canon он называется servo focus). В данном режиме камера будет периодически посылать камере сигналы на фокусировку, таким образом повышая Ваши шансы на получение сфокусированного на предмете съемки снимка. Я, например, активно использовал данную опцию при макросъемке работающих шмелей, которые не останавливаются на одном месте более чем на одну секунду. Хотя для макро съемки любой автофокус годится плохо (об этом ниже), и у меня вышло очень мало не забракованных кадров, а для съемки, допустим, велосипедиста, который едет Вам навстречу - это самое то!

Интеллектуальный режим автофокуса сам выберет за Вас точки фокусировки. По моим наблюдениям, мой фотоаппарат в данном режиме выбирает ближайший наиболее светлый объект и активирует точки фокусировки, которые он покрывает. Данный режим предназначен для тех, кто совсем уж не хочет париться с автофокусом =).

Для съемки макро с большим увеличением автофокус противопоказан , так как глубина резкости обычно настолько мала, что камера не может ее «словить». Таким образом объектив начинает ездить туда-сюда в поисках фокуса. Вы и сами поймете, что снимать макро руками удобнее, хоть и не легко. Более того, для крупного макро снимка легче наводиться не фокусировкой, а просто перемещая камера ближе-дальше от объекта съемки.

Расширение возможностей автофокуса фотоаппаратов Canon

Для того, чтобы расширить возможности автофокуса (и не только) советую поставить прошивку Magic Lantern . При установке возможно потребуется обновить прошивку Вашей модели фотоаппарата до последней версии, загрузив ее с официального сайта Canon. Затем следуйте инструкциям по установке Magic Lantern .

Сразу скажу, что для владельцев Nikon или других марок фотоаппаратов существуют аналогичные прошивки, их список Вы можете найти .

В Magic Lantern доступны программные сценарии использования автофокуса, такие как:

• ловушка автофокуса (focus trap): фотоаппарат автоматически делает снимок при попадании в зону резкости какого-либо движущегося объекта, например птицы;
• паттерны точек фокусировки: теперь Вы может выбрать не только одиночные точки автофокуса или все сразу, но и отдельные группы (все верхние, нижние, правые, левые и т.д.);
• следящий автофокус (follow focus): ручное управление автоматическим фокусом с постоянной скоростью, может быть полезно при зависи видео с движущимся на Вас/от Вас объектом съемки;
• перемещение фокуса (rack focus): то же самое, но целиком автоматизированный процесс, выбираем начальную дистанцию фокусировки, конечную - и вперед!
• брекетинг по фокусу (focus stacking): крайне полезная опция для фотографирования макро, позволяет сделать несколько снимков со смещением дистанции фокусировки, в последствии Вы можете совместить данные фотографии в любом популярном фото-редакторе в одну фотографию с огромной для макросъемки глубиной резкости и детализацией.

Заключение

Автофокус фотоаппарата - непростая тема, в которой хорошо разобраться «с одного пинка» не получится, тем более если у Вас возникли какие-то неполадки. Если у Вас получаются размытые фотографии на зеркалке, то перед тем как нести камеру в сервис советую . Если данные в ней советы помогли Вам добиться высокой четкости снимков при ручной фокусировке или фокусировке по экрану (контрастная), а автоматическая фокусировка через видоискатель (фазовая) так и продолжает промахиваться, смело несите камеру в сервисный центр!