Что такое фазовый автофокус: Типы автофокуса: фазовый, контрастный и гибридный

Типы автофокуса: фазовый, контрастный и гибридный


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.

Материалы по теме:
Что такое фокусное расстояние?
Что такое диафрагма, выдержка и ISO?




Как работает фазовый автофокус

Когда дело доходит до технологии DSLR, кажется, есть некоторая путаница в том, как именно работает автофокус с определением фазы. Фотограф Назим Мансуров (Nosim Mansurov) в этой статье рассказывает, как и почему у камеры может быть проблема с автофокусом, и что происходит внутри нее с точки зрения автофокуса, когда делается снимок.

Большинство фотографов, не понимают, что основная проблема необязательно связана с конкретной моделью или типом камеры, а скорее с конкретным способом фокусировки этих камер.  Проблемы с передним и задним фокусом в современных камерах, не являются чем-то новым – они существуют с тех пор, как была создана первая зеркалка с датчиком фазового обнаружения. 

Как работают зеркальные камеры

Чтобы разобраться в этом вопросе более подробно, важно сначала узнать, как работает зеркальная камера. Обычно на иллюстрациях показывается только одно зеркало, расположенное под углом 45 градусов. Однако за ним есть также вторичное зеркало, отражающее часть света на фазовый датчик.

Взгляните на упрощенную иллюстрацию ниже, которую Назим сделал на примере Nikon D800.

  1. Луч света.
  2. Главное/Отражающее зеркало.
  3. Вторичное зеркало, также известное как «Дополнительное».
  4. Затвор камеры и датчик изображения.
  5. Эксцентриковый штифт (шестигранник 1,5 мм) для регулировки главного зеркала.
  6. Эксцентриковый штифт (шестигранник 1,5 мм) для регулировки вторичного зеркала.
  7. Датчик определения фазы (датчик AF).
  8. Пентапризма.
  9. Видоискатель.

Давайте посмотрим, что происходит внутри камеры, когда делается снимок. 

Лучи света попадают в объектив (1) и в камеру. Частично прозрачное главное зеркало (2) расположено под углом 45 градусов, поэтому оно отражает большую часть света вертикально в пентапризму (8). Пентапризма «волшебным образом» преобразует вертикальный свет обратно в горизонтальный и переворачивает его, так что вы видите именно то, что получаете, когда смотрите в видоискатель (9). Небольшая часть света проходит через главное зеркало и отражается вторичным (3), которое также наклонено под углом (54 градуса на многих современных камерах Nikon, как показано выше). Затем свет достигает датчика фазового обнаружения / автофокусировки (7), который перенаправляет его на группу датчиков (два датчика на точку автофокусировки). 

Затем камера анализирует и сравнивает изображения с этих датчиков (аналогично тому, как оценивается фокусировка на дальномере), и, если они не выглядят одинаково, она дает команду объективу произвести правильную настройку.  

Хотя описанный выше процесс выглядит более или менее простым, у этого подхода есть одна серьезная проблема. Датчик фазового определения дает команду объективу выполнить правильную настройку, в то время как изображение захватывается совершенно другим устройством – датчиком на задней панели камеры. В чем тогда проблема? 

Помните, что когда вы делаете снимок, оба зеркала заднего вида поднимаются, затвор открывается, и свет от объектива попадает прямо на датчик камеры (4). Для правильной работы фазового автофокуса расстояние между креплением объектива и датчиком камеры, а также расстояние между креплением объектива и датчиком фазового определения должны быть одинаковыми. Если есть даже небольшое отклонение, автофокус будет некорректным. Вдобавок ко всему, если угол вторичного зеркала не совсем такой, каким должен быть, это также приведет к проблемам с автофокусировкой. 

Как работает датчик фазового определения 

Как было сказано выше, система фазового детектирования работает так же, как и дальномерные камеры. Свет, отражающийся от вторичного зеркала, принимается двумя или более небольшими датчиками изображения (в зависимости от того, сколько точек фокусировки в системе автофокусировки) с микролинзами над ними. Для каждой точки фокусировки, которую вы видите в видоискателе, есть два крошечных датчика разности фаз – по одному для каждой стороны объектива, как показано на иллюстрации (7) (хотя на иллюстрации это поведение чрезмерно преувеличено, показаны два отдельных световых луча, достигающих двух отдельных датчиков).

Фактически, на современном устройстве фазового обнаружения больше, чем два датчика, и они расположены очень близко друг к другу. Когда свет их достигает, если объект находится в фокусе, световые лучи с крайних сторон объектива сходятся прямо в центре каждого датчика (как на датчике изображения). На обоих сенсорах будут одинаковые изображения, указывающие на то, что объект действительно находится в идеальном фокусе. 

Если объект находится не в фокусе, свет больше не будет сходиться и попадет в разные стороны датчика, как показано ниже.

 

На рисунках 1–4 представлены условия, при которых линза сфокусирована (1) слишком близко, (2) правильно, (3) слишком далеко и (4) чрезвычайно далеко. Из графиков видно, что разность фаз между двумя профилями может использоваться, чтобы определить не только в каком направлении, но и на сколько нужно изменить фокус для достижения оптимальной фокусировки. Обратите внимание, что на самом деле вместо сенсора движется объектив. 

Поскольку система фазового детектирования знает, находится ли объект в фокусе спереди или сзади, она может отправлять точные инструкции на объектив камеры о том, в каком направлении и на сколько повернуть фокус. Вот что происходит, когда камера фокусируется на объекте (работа автофокусировки замкнутого цикла): 

  1. свет, проходящий через крайние стороны линзы, оценивается двумя датчиками изображения;
  2. в зависимости от того, как свет достигает датчиков изображения, система автофокусировки может определить, находится ли объект в фокусе спереди или сзади и на сколько далеко;
  3. затем система автофокусировки дает команду объективу отрегулировать фокус;
  4. вышеуказанное повторяется, пока не будет достигнута идеальная фокусировка. Если фокусировка не может быть достигнута, объектив сбрасывается и начинает восстанавливать фокусировку, что приводит к «охоте» на фокус;
  5. после достижения идеальной фокусировки система автофокусировки отправляет подтверждение того, что объект находится в фокусе (зеленая точка внутри видоискателя, звуковой сигнал и т.д.).

Система определения фазы намного быстрее, чем система определения контраста (которая полагается на изменение фокуса вперед и назад до тех пор, пока фокус не будет достигнут, с большим количеством анализа данных изображения, происходящего на уровне датчика изображения). 

Система фазовой детекции/автофокусировки – очень сложна и улучшается практически каждый раз, когда обновляется линейка камер более высокого класса. С годами количество точек автофокусировки увеличивалось, как и количество более надежных точек автофокусировки крестового типа. Взгляните на эту сложную матрицу датчиков автофокуса на камере.

Увеличилось не только количество точек автофокусировки, но и их надежность. Большинство современных профессиональных фотоаппаратов сегодня оснащены чрезвычайно быстрыми и легко настраиваемыми системами автофокусировки, которые могут непрерывно отслеживать объекты и фокусироваться. 

Проблемы с автофокусом DSLR 

Система автофокусировки с определением фазы очень сложна и требует высокой точности для получения результатов. Самое главное, что она должна быть правильно установлена ​​и выровнена в процессе производства. Если есть даже небольшое отклонение, которое случается довольно часто при производстве, автофокус отключится. Это основная причина, по которой фазовое обнаружение было источником проблем с тех пор, как появилась первая такая зеркалка. Понимая возможные отклонения, производители цифровых зеркальных фотокамер разработали систему высокоточной калибровки, которая это учитывает и позволяет проводить индивидуальную калибровку камеры. 

Если обнаруживается проблема выравнивания датчика с определением фазы, система выполняет автоматическое компьютеризированное тестирование, которое проходит через каждую точку фокусировки и вручную настраивает ее в камере. Отклоненные точки повторно калибруются и регулируются, затем значения компенсации записываются в прошивку камеры.

Как работает автофокусировка с определением фазы

Когда дело доходит до технологии DSLR, кажется, что существует некоторая путаница в отношении того, как именно работает автофокусировка с определением фазы. Хотя для большинства людей эта тема может не представлять большого интереса, если вам интересно, как и почему у камеры могут быть проблемы с автофокусом, эта статья прольет свет на то, что происходит внутри камеры с точки зрения автофокуса, когда делается снимок. . Существует огромное количество негативных отзывов о проблемах с автофокусом на таких прекрасных инструментах, как Canon 5D Mark III, Nikon D800, Pentax K-5 и других цифровых зеркальных камерах, и кажется, что большинство фотографов не понимают, что основная проблема не обязательно с конкретной моделью или типом камеры, а скорее с особым способом, которым эти камеры получают фокус. Если вы поищите в Интернете, вы найдете тысячи отчетов об автофокусировке для всех видов зеркальных фотокамер, датируемых более чем 10-летней давностью. Следовательно, проблемы с передним и задним фокусом, которые мы наблюдаем в современных камерах, не являются чем-то новым — они существуют с тех пор, как была создана первая зеркальная фотокамера с датчиком обнаружения фазы.

Как работают цифровые зеркальные камеры

Чтобы разобраться в этом вопросе более подробно, важно сначала узнать, как работает цифровая зеркальная камера. На типичных иллюстрациях цифровых зеркальных камер показано только одно отражающее зеркало, расположенное под углом 45 градусов. Чего они не показывают, так это того, что за рефлекторным зеркалом находится вторичное зеркало, которое отражает часть света на фазовый датчик. Взгляните на упрощенную иллюстрацию ниже, которую я сделал из образца изображения Nikon D800:

Вот описание каждого номера, показанного на рисунке выше:

  1. Луч света
  2. Главное/зеркальное зеркало
  3. Вспомогательное зеркало, также известное как «вспомогательное зеркало»
  4. Затвор камеры и датчик изображения
  5. Эксцентриковый штифт (шестигранник 1,5 мм) для регулировки главного зеркала
  6. Эксцентриковый штифт (шестигранник 1,5 мм) для регулировки вторичного зеркала
  7. Датчик обнаружения фазы (датчик автофокусировки)
  8. Пентапризма
  9. Видоискатель

Давайте посмотрим, что происходит внутри камеры, когда делается снимок. Лучи света попадают в объектив (1) и попадают в камеру. Частично прозрачное главное зеркало (2) расположено под углом 45 градусов, поэтому оно отражает большую часть света вертикально в пентапризму (8). Пентапризма волшебным образом преобразует вертикальный свет обратно в горизонтальный и возвращает его обратно, так что вы видите именно то, что видите, когда смотрите в видоискатель (9). Небольшая часть света проходит через главное зеркало и отражается вторичным зеркалом (3), которое также наклонено под углом (54 градуса на многих современных камерах Nikon, как показано выше). Далее свет достигает датчика фазы/автофокусировки (7), который перенаправляет его на группу датчиков (два датчика на точку автофокусировки). Затем камера анализирует и сравнивает изображения с этих датчиков (аналогично тому, как оценивается фокусировка на дальномере) и, если они не выглядят идентичными, дает указание объективу выполнить надлежащую настройку (подробнее см. ниже).

Хотя описанный выше процесс выглядит более или менее простым, у этого подхода есть одна серьезная проблема. Датчик Phase Detect — это тот, который дает указание объективу выполнить правильную настройку, в то время как изображение захватывается совершенно другим устройством — датчиком на задней панели камеры. Почему это проблема? Помните, что когда вы делаете снимок, и основное, и дополнительное зеркала поднимаются, затвор открывается, и свет от объектива попадает прямо на датчик камеры (4). Для корректной работы фазовой автофокусировки необходимо расстояние между байонетом объектива и датчиком камеры, а также расстояние между байонетом объектива и датчиком Phase Detect должен быть идентичен . Если есть даже небольшое отклонение, автофокус будет некорректным. Кроме того, если угол вторичного зеркала не совсем такой, как должен быть, это также приведет к проблемам с автофокусом.

Как работает фазовращатель

Как я уже говорил выше, фазовращатель работает аналогично дальномерным камерам. Свет, который отражается от вторичного зеркала, принимается двумя или более небольшими датчиками изображения (в зависимости от того, сколько точек фокусировки имеет система автофокусировки) с микролинзами над ними. Для каждой точки фокусировки, которую вы видите в видоискателе, есть два крошечных датчика для разности фаз — по одному для каждой стороны объектива, как показано на иллюстрации вверху страницы (7) (на иллюстрации это поведение чрезмерно преувеличено показаны два отдельных световых луча, достигающих двух отдельных датчиков.

На самом деле датчиков на современном фазодетекторе устройства гораздо больше, чем два, и эти датчики расположены очень близко друг к другу). Когда свет достигает этих двух датчиков, если объект находится в фокусе, световые лучи от крайних сторон объектива сходятся прямо в центре каждого датчика (как на датчике изображения). Оба сенсора будут иметь одинаковые изображения, указывающие на то, что объект действительно находится в идеальном фокусе. Если объект не в фокусе, свет больше не будет сходиться и попадет на разные стороны сенсора, как показано ниже (изображение любезно предоставлено Википедией):

На рисунках с 1 по 4 представлены условия, при которых объектив сфокусирован (1) слишком близко, (2) правильно, (3) слишком далеко и (4) слишком далеко. Из графиков видно, что разность фаз между двумя профилями может быть использована для определения не только того, в каком направлении, но и насколько изменить фокус для достижения оптимального фокуса. Обратите внимание, что на самом деле объектив перемещается вместо сенсора.

Поскольку система обнаружения фазы знает, сфокусирован ли объект спереди или сзади, она может посылать объективу камеры точные инструкции о том, в какую сторону повернуть фокус и насколько. Вот что происходит, когда камера фокусируется на объекте (режим автофокусировки с обратной связью):

  1. Свет, проходящий через крайние стороны объектива, оценивается двумя датчиками изображения
  2. В зависимости от того, как свет достигает датчиков изображения, система автофокусировки может определить, сфокусирован ли объект спереди или сзади и насколько
  3. Затем система автофокусировки дает объективу команду настроить фокус.
  4. Вышеописанное повторяется столько раз, сколько необходимо, пока не будет достигнута идеальная фокусировка. Если фокусировка не может быть достигнута, объектив сбрасывается и начинает заново наводить фокус, что приводит к «рысканию» фокусировки
  5. После достижения идеальной фокусировки система автофокусировки отправляет подтверждение того, что объект находится в фокусе (зеленая точка в видоискателе, звуковой сигнал и т. д.)

Все это происходит за долю времени, поэтому фаза -система обнаружения работает намного быстрее, чем система обнаружения контраста (которая основана на изменении фокуса вперед и назад до тех пор, пока фокус не будет достигнут, при этом на уровне датчика изображения выполняется большой объем анализа данных изображения).

Система обнаружения фаз/AF — очень сложная система, которая улучшается каждый раз, когда обновляется линейка камер более высокого класса. С годами количество точек автофокусировки увеличивалось, а также количество более надежных точек автофокусировки крестового типа. Например, Canon 1D X и Canon 5D Mark III имеют колоссальную 61 точку фокусировки, 41 из которых перекрестного типа. Взгляните на эту сложную матрицу датчиков автофокуса на камере:

Увеличилось не только количество точек автофокусировки, но и их надежность. Большинство современных профессиональных камер сегодня оснащены чрезвычайно быстрой и гибко настраиваемой системой автофокусировки, которая может непрерывно отслеживать объекты и фокусироваться.

Проблемы с автофокусом DSLR

Как вы можете видеть выше, система фазового автофокуса очень сложна и требует высокой точности для получения точных результатов. Самое главное, система фазового обнаружения/AF должна быть правильно установлена ​​и отрегулирована в процессе производства. Если есть даже небольшое отклонение, которое бывает при производстве, автофокус будет отключен. Это основная причина, по которой обнаружение фазы было источником проблем практически с тех пор, как вышла первая зеркальная фотокамера с датчиком обнаружения фазы. Понимая эти возможные отклонения, все производители цифровых зеркальных камер разработали высокоточную систему калибровки, которая учитывает это и позволяет выполнять калибровку отдельных камер в процессе проверки и обеспечения качества (QA).

Если обнаружена проблема с выравниванием датчика фазы, система выполняет автоматическое компьютеризированное тестирование, которое проходит через каждую точку фокусировки и вручную настраивает ее в камере. Отключенные точки повторно калибруются и корректируются, затем значения компенсации записываются в прошивку камеры. Думайте об этом как о процессе, аналогичном AF Fine Tune / AF Micro Adjust, который происходит на уровне определения фазы, за исключением того, что он выполняется для каждой точки фокусировки AF отдельно.

Основы работы с камерой #11: Фазовая автофокусировка

В этой статье:

Фазодетектирующий AF (также известный как AF с определением разности фаз или фазово-разностный AF) — это система автофокусировки, используемая при съемке с видоискателем на цифровых зеркальных камерах. Его главная особенность заключается в быстрой скорости автофокусировки. Далее мы расскажем подробнее о фазовой автофокусировке и о том, как в системе автофокусировки Canon Dual Pixel CMOS AF используется новейшая технология автофокусировки, обеспечивающая фазовую автофокусировку даже в режиме Live View. (Сообщил Томоко Судзуки)

 

Фазовая автофокусировка — это система автофокусировки, используемая при съемке с использованием видоискателя на цифровых зеркальных камерах.

– Требуется зеркальный механизм, который разделяет свет, попадающий в объектив, а также отдельный датчик автофокусировки.

Фазовый автофокус — это система автофокусировки, используемая при съемке с видоискателем на цифровых зеркальных камерах. Он работает путем разделения света, попадающего в объектив, на два, так что он формирует два изображения. Основываясь на разнице в положении точки фокусировки между этими двумя изображениями, камера вычисляет требуемое направление (к камере или от камеры) и величину (расстояние) для перемещения объектива для достижения фокусировки и перемещает объектив соответственно.

АФ с определением фазы позволяет быстро установить автофокус, поскольку камера точно знает, насколько и в каком направлении нужно сместить фокусировочный объектив. Однако для этой формы AF требуется специальный датчик AF вместе с механизмом, который разделяет свет между датчиком AF и датчиком изображения, который преобразует свет, попадающий в объектив, в изображение. Это затрудняет компактность корпуса камеры.

 

Фазовый автофокус позволяет быстро сфокусироваться, поскольку он знает расстояние и направление от объекта

Пример фазовой автофокусировки

Пример контрастной автофокусировки

Чтобы лучше понять, давайте представим ситуацию, когда вам нужно разделить арбуз. Фазодетектирующая автофокусировка похожа на попытку добраться до арбуза без повязки на глазах. Вы уже знаете расстояние и направление до арбуза, и это знание позволяет вам быстро двигаться к нему.

Между тем, контрастный автофокус был бы похож на попытку добраться до арбуза с завязанными глазами. Поскольку вы не можете знать расстояние и направление до арбуза, вам нужно передвигаться, чтобы попытаться определить его положение. Вот почему контрастному автофокусу требуется больше времени для фокусировки на объекте по сравнению с фазовым автофокусом.

 

Связанная концепция 1: Линейный датчик и датчик крестового типа

Схема расположения линейного датчика и датчика крестового типа

Датчик крестового типа обеспечивает высокую точность автофокусировки
A: определяет горизонтальную линию объекта
B: определяет вертикальную линию объекта

Датчик автофокусировки цифровой зеркальной камеры имеет два типа датчиков: датчик линии и датчик крестового типа. Линейные датчики ориентированы либо вертикально, либо горизонтально, поэтому они могут обнаруживать только горизонтальную или вертикальную линию объекта. Однако датчики крестового типа, которые состоят из линейных датчиков, расположенных крестообразно, способны обнаруживать как вертикальные, так и горизонтальные линии объекта и, как следствие, имеют более высокую точность достижения фокусировки.

Камеры начального уровня, такие как EOS 1300D, обычно имеют только одну точку автофокусировки крестового типа, расположенную в центре. Однако более новые модели камер, такие как EOS 77D и EOS 800D, оснащены датчиками крестового типа для всех 45 точек автофокусировки. Этот дизайн подходит даже для опытных пользователей, которые хотят иметь возможность организовать свою композицию так, чтобы их объект можно было разместить в любом месте кадра. Благодаря большему количеству датчиков крестового типа фокусировка может быть достигнута быстро, даже если объект находится у краев кадра.

 

Связанная концепция 2: Dual Pixel CMOS AF

На камерах, оснащенных Dual Pixel CMOS AF, фазовую автофокусировку можно использовать в режиме Live View в широкой области, отмеченной красным, без использования отдельного Сенсор АФ. Быстрая и точная фокусировка может быть достигнута даже на движущихся объектах.

Dual Pixel CMOS AF — новейшая система автофокусировки, разработанная Canon. Он позволяет использовать фазовую автофокусировку в режиме Live View и видеосъемке, в то время как на предыдущих цифровых зеркальных фотокамерах ее можно было использовать только при съемке с видоискателем. Поскольку все пиксели на датчике изображения Dual Pixel CMOS AF оснащены датчиками обнаружения фазы, для него не требуется отдельный датчик AF, поэтому его можно реализовать в беззеркальных камерах, таких как серия EOS M. Наряду с плавной и быстрой фокусировкой он может легко наводить фокус даже на движущиеся объекты.

 

В следующем ролике показано, как технология Dual Pixel CMOS AF помогает при видеосъемке — некоторые моменты применимы и к фотографии!

 

Получайте последние новости о фотографии, советы и рекомендации, подписавшись у нас!

 

Магазин для цифровой фотокамеры

Ежемесячный журнал, который считает, что удовольствие от фотографии тем больше, чем больше человек узнает о функциях камеры.