Автофокусировка в смартфоне. Контрастный и фазовый автофокус, какой лучше? Режимы зоны автоматической фокусировки

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 .

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)

Автофокус - одно из самых полезных достижений современной фотографии. Большинство современных систем видеонаблюдения невозможно представить без автофокуса. Научиться контролировать эту технологию - вот один из важнейших навыков любого фотографа.

Что такое автофокус?

Для начала неплохо бы ответить на другой вопрос. Что такое фокус? В фотографии это понятие центральное, оно относится к изображению с высокой четкостью, самобытностью, какими-то мелкими деталями. Достижение точной фокусировки - вот к чему фотографы обычно стремятся.

Имея в руках камеру, как систему с совершенным зрением, мы видим объектом свое интереса - отображение с идеальной детализацией. Так же, как и при плохом зрении, при плохой фокусировке мир кажется размытым. К счастью, в отличие от наших глаз, фокус объектива можно отрегулировать так, чтобы получить желаемое четким, однако, это не просто и даже не всегда возможно. Тут на помощь приходит автофокус.

По сути своей автофокус - это любая технология, которая автоматически (без вмешательства фотографа) изменяет фокусное расстояние объектива. Эта функция может быть более точной, чем "глазной" контроль и ручная фокусировка, и может быть использована, чтобы улучшить фокусировку на движущихся объектов, которые наши глаза и рефлексы пытаются отслеживать изо всех сил.

Использование автофокуса

Большинство людей уже знакомы с автофокусом. Он существует почти на всех современных фотокамерах, от передовых форматов Hasselblads до обычных смартфонов., и почти всегда фокус настроен по умолчанию. Проще говоря, нет автофокуса - нет уверенности в том, что вы делаете.

Вам не кажется странным, что после покупки причудливой DSLR, автофокус кажется вам менее гибким, чем на телефоне? У смартфонов все просто, нажимаешь кнопку пальцем, получаешь миленькую картинку, и все, что попало в кадр, видно предельно ясно. Какой хороший трюк.

Это экран видоискателя камеры D3100, которая имеет 11-точечную систему автофокусировки. Более продвинуты камеры в настоящее время работают аж до 61-ой точки автофокуса.

Глядя на DSLR, думаешь, ну что за нервотрепка, ограничиваться числом точек в видоискателе! Не вдаваясь в лишние подробности, скажем так, зеркалки используют другой метод автофокусировки, нежели цифромыльницы и смартфоны, для которых не особенно нужно обрабатывать то, что видит объектив.

Это может показаться на первый взгляд недостатком, но такой режим автофокусировки - быстрее и точнее. В данной статье мы уделим особое внимание системе автофокуса на цифровых зеркальных камерах вместо смартфонов (кто хотел прочитать про айфон, забейте его в гугле).

Теперь, когда мы знаем, что мы полагаемся на неподвижные точки, пришло время узнать о двух ключевых проблемах. Как выбрать верный момент и что произойдет, если фокус не остановится на объекте, который нам нужен?

Автофокус vs. Ручная фокусировка

Во-первых, мы должны посмотреть, что за режим выбран в меню. Большинство режимов принадлежат к так называемым - "авторежимам-сценам", где настройки камеры меняются в зависимости от выбранного вами типа съемки. Естественно, эти режимы предполагают автофокусировку (есть, конечно, исключения, такие, как режим макро).

Например, у DSLR-камеры основной режим - это автофокус. Когда вы нажимаете на кнопку спуска затвора, вы как бы даете сигнал к выделению определенных точек на видеоискателе. Эти точки фокусировки - отражение того, как камера видит объект. Если это не то, что вы пытались снять - значит, вам не повезло.

Для того, чтобы самостоятельно управлять автофокусировкой на DSLR, нужно использовать один из "ручных" режимов (P, A/AV, S/Tv или M). В этих режимах точку фокусировки можно выбрать вручную. Точность фокусировки варьируется от модели к модели. Но обычно зеркалки в этом похожи. "Ручной" режим поможет вам, если вы хотите получить контроль над съемкой в полной мере.

Конечно, можно поступать и иначе, но большинство фотографов придерживаются этого метода. Чтобы сфокусироваться на предметах, находящихся в центре, вы должны быть внимательны. Это самый простой способ получить изображение в фокусе, достичь его можно за три шага.

Шаг 1.

Режим фокусировки - One Shot . Установите точку фокусировки в центр видоискателя. Средняя точка автофокуса совпадет с ней, и изображение выйдет гораздо четче.

Шаг 2.

Точка должна быть непосредственно на вашем объекте, нажмите кнопку затвора наполовину для, так называемой, предварительной фокусировки. Как только это будет сделано, AF LOCK вашей камеры будет четко "видеть", что вы хотите снять, какое фокусное расстояние до объекта, и запомнит это, даже если вы переместите камеру.

Шаг 3.

С фокусным расстоянием определились, теперь у вас полная свобода в кадре. Обычно неподвижные предметы довольно скучны для фото, но когда вы будете довольны композицией, нажмите кнопку спуска до конца.

Мы используем центральную кнопку на автофокусе, чтобы сфокусироваться на объекте в первый раз, потом, после AF фиксации, можно свободно творить. Это и называется предварительной фокусировкой.

Выбирайте точку фокусировки вручную.

Это большая редкость, чтобы точка фокуса была именно там, где вы пожелаете, даже с новыми 51-точечными системами. Так что, если у нас есть возможность изменять композицию после предварительной фокусировки, какой смысл в дополнительных точках?

Первая причина в том, что могут быть случаи, когда физически невозможно изменить композицию. В то время, как метод "сфокусируйся и твори" отлично подходит для большинства ситуаций, бывают случаи, когда нужно наиболее точное фокусирование, и никакое "на глаз" не может быть уместным.

В таких ситуациях, наличие гибкой системы автофокуса с множеством точек становится очень полезным.

Основная цель таких систем, однако, вовсе не экономия времени. Цель заключается скорее в том, чтобы дать фотографу возможность снимать движущиеся объекты. Особенно важно это для съемок дикой природы и спортивных фотографов, для них умение правильное использовать автофокус решает, как и для всех, кто снимает динамичные объекты.

Допустим, вы хотите сделать фотографию бегущего ребенка. К тому времени, как вы настроите фокус, ребенок уже давно убежит (забудьте о попытках сменить композицию после предварительной фокусировки в таком случае).

Даже с очень быстрым автофокусом современных систем, нет такого способа, чтобы сделать более одного кадра за раз без изменения фокусной парадигмы. Как можно использовать высокую скорость съемки, чтобы потом выбирать один из последовательных кадров?

Большинство DSLR-камер поддерживают в дополнение к вышеупомянутой функции одноразовой автофокусировки очень мощную функцию - непрерывный автофокус (AF-C в Nikon и AL Servo в Canon).

Как это работает вообще, что сразу после того, как система была сосредоточена на первом кадре, будет отслеживаться движение объекта, и более того - будет выбран автоматический фокус почти сразу!

Это будет продолжаться до тех пор, пока кнопка затвора нажата до половины и удерживается. Во время использования камера будет регулировать объектив для поддержания внимания к объекту, предсказывая, как объект будет использовать свою скорость.

Таким образом, можно сделать серию фотографий в быстрой последовательности, не беспокоясь о фокусе, и максимизировать вероятность сделать лучший кадр.

Совет, который для меня был самым важным, когда я учился снимать на автофокусе. Поскольку автофокус делается с помощью датчиков, которые определяют его, это работает хорошо только тогда, когда точка фокусировки находится с каким-то контрастом!

Например, когда я ставлю точку автофокусировки к краю объекта, акцент делается мгновенно и очень точно. Но если я пытаюсь направить его к середине объекта, где тон и цвет постоянны, датчик не может определить насколько резко видит это.

Подумайте об этом, датчик имеет в распоряжении только информацию, с помощью которой определяет фокус. Это как если бы вы, глядя через соломинку, пытались определись, идеальное у вас зрение или нет. Это возможно лишь тогда, когда вы видите края объектов, а не когда вокруг лишь белая стена.

Чтобы сделать повторно использовать выбранный ранее фокус, вы можете посмотреть, что было, когда я пытался сфокусироваться на двух различных точках напрямую. Левое изображение будет точнее, так как есть резкий контраст между флешкой и фоном. Правое - не будет столь точным, потому как контраст не такой сильный. (Вообще, камера не позволит вам сделать снимок, пока датчики не будут уверены в том, что фокус найден).

Большинство цифровых зеркальных камер имеют подсветку для AF, его можно включать в некоторых моделях. Это помогает сфокусироваться в темноте. Если все черное вокруг, камера сталкивается с той же проблемой, что и в совете №1, датчик понятия не имеет, что в фокусе, а что нет. Помните, однако, что нельзя включать этот режим в тех местах, где запрещена съемка со вспышкой.

Как может показаться, это решение большинства проблем, отдал деньги - получил простой способ улучшить автофокус. Быстрый - то есть имеющий максимальную диафрагму (меньшее диафрагменное число, например, f/1/.8), то есть объектив имеет большее отверстие.

Когда камера пытается автофокусироваться, она всегда максимально открывает диафрагму, чтобы впустить как можно больше света, в соответствии с настройками, конечно. Чем больше у объектива потенциал максимального раскрытия диафрагмы, тем легче будет осуществляться процесс автофокусировки.

В самом деле, при использовании зеркалок низкого уровня с небольшими отверстиями, как например, объективы f/5.6, обычно китовые, автофокус не будет работать ни в каких точках, кроме центра, даже камеры про-класса могут справиться лишь с объективами большого потенциала максимального раскрытия диафрагмы.

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.

Материалы