Ostrość jest podstawowym czynnikiem w fotografii. I ważne, żeby była dokładnie tam, gdzie jest potrzebna. Najmniejsze błędy w ustawianiu ostrości podczas fotografowania będą skutkować odesłaniem obrazu „do kosza”, ponieważ błędów przy ustawianiu ostrości nie da się skorygować (z nielicznymi wyjątkami – więcej o tym poniżej). Za ustawianie ostrości w nowoczesnych aparatach zwykle odpowiada automatyzacja. Często jednak różni się subtelnością działania i ustawieniami. Którymi dokładnie? Zacznijmy od podstaw.

Układy aktywne i pasywne

Układy autofocusa w aparatach arbitralnie dzielą się na dwa duże obozy: aktywny i pasywny. Aktywny autofocus działa na zasadzie wysyłania sygnału na zewnątrz – on dociera do celu, odbija się i powraca, na podstawie czego wyliczana jest dokładna odległość do obiektu. Jako sygnał można wykorzystać wiązkę promieni podczerwonych, ultradźwięki, a nawet laser. Na tej zasadzie działają pomocnicze skanery LiDAR w smartfonach. Podobną zasadę działania mają kamerki ToF przeznaczone do skanowania trójwymiarowych kształtów obiektów – znajdują zastosowanie w systemach odblokowywania twarzy, rzeczywistości rozszerzonej itp.

Układy aktywne autofocusa emitują określone sygnały, które odbijają się od celu i dostarczają informacji o odległości do obiektu. Na tej samej zasadzie działają moduły 3D ToF w smartfonach.

Układy aktywne nie są zależne od warunków oświetlenia otoczenia i doskonale „widzą” w całkowitej ciemności. Mają jednak też dużą wadę – często jest to brak możliwości precyzyjnego wycelowania przy ustawianiu ostrości przez przezroczyste przeszkody (np. przez szybę). Aktywny autofocus jest zwykle używany jedynie jako narzędzie pomocnicze, a główna praca spada na barki pasywnych układów automatycznego ustawiania ostrości.

Ważna dygresja. Wiele aparatów „dorosłych” posiada charakterystyczną czerwoną żarówkę, która emituje wiązkę światła. Nie należy jednak jej mylić z aktywnym autofocusem – jest to po prostu podświetlenie umożliwiające ustawianie ostrości na obiekcie w ciemnym otoczeniu.

Układy pasywne autofocusa opierają się na zasadzie detekcji kontrastu lub przesunięcia fazowego. Dostępna jest także opcja hybrydowego autofocusa, łącząca metody detekcji kontrastu i fazy TTL. Każdy z tych punktów wymaga omówienia bardziej szczegółowego.

Autofocus z detekcją kontrastu

Autofocus z detekcją kontrastu opiera się na algorytmach oprogramowania. Działa to na najprostszej zasadzie – obraz ostry jest zawsze bardziej kontrastowy niż obraz nieostry. Zasadniczo podczas procesu ustawiania ostrości aparat dosłownie losowo przechodzi przez różne wartości ostrości, kontrolując zmiany kontrastu. Jeśli poziom kontrastu spadnie, punkt ostrości zacznie przesuwać się w przeciwnym kierunku, jeśli kontrast wzrośnie, ostrość będzie przesuwać się w tym kierunku, aż do osiągnięcia wartości maksymalnej. Pamiętaj, że autofocus zawsze będzie „przelatywać” obok idealnego poziomu kontrastu — aby zrozumieć, że ta konkretna wartość była maksymalna i wrócić do niej.

Stosując metodę detekcji kontrastu, aparat kontynuuje przesuwanie soczewek skupiających wewnątrz obiektywu, aż do osiągnięcia maksymalnego poziomu kontrastu (średni słonecznik na zdjęciu).

Autofocus z detekcją kontrastu wykorzystuje dane bezpośrednio z czujnika i nie wymaga żadnych dodatkowych modułów. A ponieważ wykorzystuje algorytmy czysto programowe, można je „doprowadzać” do perfekcji niemal w nieskończoność — często praca autofocusa z detekcją kontrastu jest radykalnie poprawiana przez nowe oprogramowanie.

Drugą stroną medalu autofocusa z detekcją kontrastu jest tzw. efekt odchylenia – kiedy ostrość charakterystycznie przesuwa się tam i z powrotem, próbując znaleźć idealną wartość kontrastu. Podczas fotografowania scen statycznych nie odgrywa to decydującej roli, ale w scenach dynamicznych i podczas kręcenia wideo odchylenie autofocusa może być znaczącym zgorszeniem.

Podczas fotografowania jednorodnych tekstur, takich jak bezchmurne błękitne niebo czy biała ściana, metoda autofocusa z detekcją kontrastu może okazać się całkowicie bezużyteczna, ponieważ aparat po prostu nie ma się czego chwycić, aby poprawnie porównać poziom kontrastu. Ponadto taki autofocus często popełnia błędy w ciemności i słabo nadaje się do rejestrowania szybko poruszających się obiektów (szczególnie w trybie śledzenia — po prostu nie da się w nim pracować). Jeśli kontrastowe algorytmy autofocusa nie są doskonałe, takie układy często mogą popełniać błędy podczas fotografowania z bliska, gdy tło jest znacznie jaśniejsze i bardziej kontrastowe niż obiekt na pierwszym planie. Co więcej, w takich warunkach autofocus jest rozmazany, nawet jeśli pole ostrości jest wymuszone. Wady tej technologii zostały poprawione w układach automatycznego ustawiania ostrości z detekcją fazy.

Autofocus z detekcją fazy

Takie układy automatycznego ustawiania ostrości działają na zasadzie określania różnicy fazowej promienia światła wpadającego przez obiektyw aparatu. Autofocus z detekcją fazy wykorzystuje specjalne czujniki, które wychwytują przechodzące światło za pomocą szeregu mikrosoczewek. Światło jest podzielone na dwie części, z których każda trafia w ultraczuły sensor. Jeśli światło pada dokładnie na środek czujnika, obiekt jest ostry. Jeśli ogniskowanie zostanie przeprowadzone bliżej lub dalej niż fotografowany obiekt, odległość między wiązkami będzie odpowiednio mniejsza lub większa.

W układach autofocusa z detekcją fazy za ustawianie ostrości odpowiadają specjalne czujniki światłoczułe.

Na podstawie informacji z czujników autofocusa aparat natychmiast oblicza, jak bardzo zła jest ostrość i szybko „przekręca” ją w żądanym kierunku. Fazowe układy automatycznego ustawiania ostrości działają tak szybko i wytrwale, jak to tylko możliwe, szczególnie w trybie śledzenia poruszających się obiektów, nie są jednak pozbawione wad.

W „czystej” postaci autofocus z detekcją fazy dominuje w lustrzankach cyfrowych. Na moduł detekcji fazy w korpusie aparatu konieczne jest wydzielenie wystarczającej ilości miejsca, a dokładność takich układów zależy bezpośrednio od liczby i rodzaju czujników ostrości (punkty poziome działają lepiej w przypadku części pionowych i zwyczajowo umieszcza się czujniki w kształcie krzyża na środku kadru). Jednocześnie modele z niższej półki są zwykle uzbrojone w proste układy z kilkoma punktami ostrości, podczas gdy profesjonalne aparaty mają złożone układy autofocusa z dużą ilością punktów ostrości o różnych kształtach.

Kształt punktów wpływa bezpośrednio na chwyt układów autofocusa. Najlepiej uchwycić obiekt są w stanie punkty ostrości w kształcie krzyża i podwójnego krzyża, umieszczone głównie w środku kadru.

W przypadku korzystania z autofocusa z detekcją fazy w lustrzankach cyfrowych istotny jest moment, w którym fotograf naciśnie spust migawki do połowy. To właśnie w tym momencie aparat ustawia ostrość, a obiekty, które uzyskują ostrość, wyświetlane są na wyświetlaczu w ramkach lub zaznaczane punktami. Aby detekcja fazy działała prawidłowo, mechanizm musi być odpowiednio ustawiony, w przeciwnym razie lustrzanka cyfrowa może napotkać problemy z tylnym i przednim ustawianiem ostrości (gdy ogniskowanie odbywa się nieco za lub nieco przed pożądanym obiektem).

W aparatach bezlusterkowych i smartfonach autofocus z detekcją fazy działa nieco inaczej. Wśród zwykłych pikseli tworzących matrycę aparatu znajdują się specjalne piksele PDAF (Phase-Detection Autofocus). Nie są bezpośrednio zaangażowane w konstruowanie obrazu, ale służą wyłącznie do pomocy w ustawianiu ostrości, przechwytywaniu światła i analizie wiązki światła w celu obliczenia odległości do obiektu. Jednym z najbardziej zaawansowanych typów takiego autofocusa jest markowy Dual Pixel CMOS AF firmy Canon. Występuje w aparatach japońskiej marki i wielu smartfonach (w szczególności telefonach komórkowych Samsung).

W układach podobnych do Dual Pixel piksele na matrycy składają się z dwóch połówek – odpowiadają jednocześnie za autofocus i tworzenie obrazu.

W układach typu Dual Pixel około 80 – 90% wszystkich pikseli na matrycy to piksele dwuskładnikowe – strukturalnie składają się one z dwóch fotodiod. Podczas ustawiania ostrości aparat wykorzystuje informacje z każdej fotodiody osobno, a podczas fotografowania sygnały z dwóch fotodiod są łączone w jeden, tworząc ostateczny obraz. Dzięki temu ostrość jest skutecznie śledzona w niemal całym kadrze. „Wizytówką” Dual Pixel można nazwać kinowy efekt płynnej zmiany ostrości w miarę przesuwania się obiektu w stronę widza, utrzymując go w strefie ostrości na rozmytym tle.

Na podobnej zasadzie działają inne nowoczesne układy autofocusa z detekcją fazy. Jednak w matrycach o wysokiej rozdzielczości (jak 108 MP czy 200 MP) nie wszystkie piksele mają dwuskładnikową strukturę – technologia po prostu nie osiągnęła takiego efektu miniaturyzacji. Moduły dwuskładnikowe są wbudowane w siatkę pikseli z pewnym krokiem, aby zapewnić jak najszersze pokrycie pola przyszłej klatki.

Lustrzanki cyfrowe

Autofocus hybrydowy

Zalety autofocusa z detekcją kontrastu i fazy łączą się pod skrzydłami hybrydowych układów autofocusa. W prostych słowach zasadę ich działania można wyjaśnić w następujący sposób: czujniki fazowe bezpośrednio na matrycy aparatu zapewniają podstawowe ogniskowanie (określają przybliżone miejsce ogniskowania), następnie ostrość poprawia kontrastowy autofocus.

Układy hybrydowe łączą zalety metod detekcji kontrastu i fazy i nie mają poważnych wad. Jedynym „ale” jest to, że w trybie śledzenia ostrości są one nadal gorsze pod względem szybkości niż konwencjonalny autofocus z detekcją fazy. Hybrydową architekturę autofocusa często można spotkać w nowoczesnych aparatach fotograficznych i aparatach smartfonów.

W hybrydowych układach autofocusa detekcja fazy służy do określenia przybliżonej odległości od obiektu, a ostrość jest ustalana metodą kontrastu.

Tutaj, z pewnym naciągnięciem, można również zapisać niezwykłą funkcję post-focus promowaną w wielu bezlusterkowcach Panasonic z przetwornikiem obrazu formatu Micro 4/3. Podczas korzystania z tej funkcji aparat wykonuje serię zdjęć skupiając się na wszystkich obszarach kadru. Konkretny punkt ostrości można wybrać na gotowym zdjęciu.

Aparaty bezlusterkowe

Tryby autofocusa

Z praktycznego punktu widzenia ważne jest nie tylko rozumienie konstrukcji układów autofocusa, ale także rozumienie różnic pomiędzy różnymi trybami, co bezpośrednio wpływa na ostrość zdjęć i nagrywanych filmów. Spójrzmy na to na przykładzie aparatów (nieco podobne nazwy trybów używane są w smartfonach, jeśli fotografujemy z ustawieniami ręcznymi). Więc:

  • AF-S (AutoFocus Single) — tryb pojedynczy przeznaczony do fotografowania scen statycznych (krajobrazów, architektury itp.). Gdy tylko aparat znajdzie ostrość, natychmiast blokuje ją w określonym punkcie, całkowicie ignorując jakikolwiek ruch w kadrze.
  • AF-C (AutoFocus Continuous) – tryb ciągły do fotografowania poruszających się obiektów (imprez sportowych, samochodów i ludzi w ruchu, zwinnych ptaków i zwierząt). Ostrość w tym trybie jest automatycznie dostosowywana, jeśli Ty lub obiekt w kadrze się poruszy.
  • AF-A (AutoFocus Automatic) – tryb automatyczny. W nim aparat samodzielnie określa, czy obiekt jest w ruchu, czy pozostaje nieruchomy. W związku z tym automatyzacja wybiera odpowiedni tryb ustawiania ostrości: AF-S lub AF-C.
W przypadku scen statycznych i dynamicznych ważny jest wybór odpowiednich trybów ostrości.

Trio opisanych trybów autofocusa to podstawa. W niektórych modelach aparatów lista trybów może być rozszerzona (grupowy, dynamiczny itp.), tutaj należy sięgnąć do materiałów referencyjnych i/lub wskazówek.

Sztuczna inteligencja w systemach autofocusa

Porozmawiajmy teraz o najciekawszej funkcji współczesnych układów autofocusa. Obecnie do aparatów masowo wprowadzane są algorytmy uczenia maszynowego i sztucznej inteligencji, które potrafią rozpoznać obiekt w kadrze, a nawet przewidzieć jego ruchy. Najlepsze osiągnięcia w tej dziedzinie można znaleźć w najwyższej klasy aparatach bezlusterkowych, które potrafią automatycznie ustawiać ostrość na oczach ludzi i zwierząt, twarzach, identyfikować w kadrze ptaki, żywe stworzenia i różne pojazdy (samochody, pociągi, a nawet samoloty).

„Inteligentny” autofocus stale analizuje kadr i stale utrzymuje ostrość obiektu zarówno w trybie fotografowania, jak i podczas nagrywania wideo. Zapewnia to większą dokładność ustawiania ostrości i łatwość obsługi aparatu. Co więcej, w niektórych zaawansowanych egzemplarzach aparatów za operacje związane z algorytmami sztucznej inteligencji może odpowiadać nawet osobny koprocesor. Uderzającym tego przykładem jest Sony A7r V. System autofocusa w tym aparacie potrafi ocenić pozy ludzi pod kątem płynnego ustawiania ostrości i nie traci ostrości, nawet jeśli obiekt zostanie na krótko zasłonięty przez coś w kadrze.

Inteligentne systemy autofocusa wykorzystują algorytmy sztucznej inteligencji i mogą ustawiać ostrość w trybie śledzenia nawet na oczach zwierząt.

Zasady uczenia maszynowego w systemach autofocusa to zdecydowanie przyszłość. Jednak na dzień dzisiejszy autofocus prawie nie wymaga pomocy człowieka i całkiem skutecznie radzi sobie z przypisanymi mu obowiązkami zapewnienia właściwej ostrości kadru w różnorodnych warunkach fotografowania.

Autofocus w obiektywach

W kontekście aparatów na szybkość reakcji ostrości wpływa nie tylko wbudowany w aparat system autofocusa, ale także rodzaj napędu w obiektywie. Występują zatem następujące rodzaje silników:

  • Silnik konwencjonalny — systemy autofocusa oparte na napędach prądu stałego. Działają nieco wolniej niż inne typy i wytwarzają szumy tła, które mogą mieć krytyczne znaczenie podczas nagrywania wideo, jednak obiektywy z podobnym silnikiem są znacznie tańsze niż inne opcje.
  • Silnik krokowy — schematycznie takie napędy wykorzystują prąd stały przepływający przez kilka grup cewek. Podanie prądu do grup w wymaganej kolejności polega na obróceniu silnika o jeden krok. Im więcej grup, tym dokładniejszy można wykonać ruch napędu. Silniki krokowe są wyposażone zarówno w przekładnię zębatą, jak i śrubową. W modelach Nikona często oznaczane są jako AF-P, w obiektywach Canona — STM. Silniki takie zapewniają płynne i ciche ogniskowanie, jednak pod względem prędkości ogniskowania ustępują ultradźwiękowym. Obiektywy z napędem krokowym są optymalne do nagrywania filmów, dlatego często są preferowane przez kamerzystów.
  • Silnik ultradźwiękowy — prędkość reakcji takich napędów mierzona jest w dziesiątych, a nawet setnych części sekundy. Silniki ultradźwiękowe są również prawie bezgłośne, co może być bardzo ważne podczas nagrywania filmów. We flocie optyki Nikona obiektywy z napędem ultradźwiękowym oznaczane są jako AF-S, w Sony — SSM, w Canonie — USM (w różnych odmianach, takich jak Micro USM, Nano USM itp.).
  • „Śrubokręt” — z nielicznymi wyjątkami obiektywy z takim napędem nie mają własnego silnika autofocusa. Posiadają jedynie gniazdo umożliwiające dokowanie z aparatem, a silnik umieszczony jest bezpośrednio w aparacie. Głównymi zaletami „śrubokrętów” są ich niewielka waga i wymiary, ale pod względem prędkości są one nieco gorsze od napędów ultradźwiękowych, ale są porównywalne z konwencjonalnymi silnikami (a czasem nawet je przewyższają). Obecnie odchodzi się od tej opcji w przypadku napędów autofocusa na rzecz silników krokowych i ultradźwiękowych.

Czynniki wpływające na działanie autofocusa

Rodzaj napędu ogniskującego wewnątrz obiektywu nie jest jedynym czynnikiem wpływającym na szybkość działania autofocusa. Wszystkie pasywne układy autofocusa są całkowicie zależne od światła przechodzącego przez obiektyw. W warunkach słabego oświetlenia autofocusowi znacznie trudniej jest poprawnie uchwycić obiekt i utrzymać jego ostrość.

Im więcej światła wpuszcza obiektyw, tym pewniejszy jest autofocus.

Ważną rolę odgrywa także zasięg detekcji ostrości – odpowiednio dobrana odległość ostrzenia zwiększa czułość układu ustawiania ostrości, zwłaszcza przy słabym oświetleniu otoczenia.

Istnieje bezpośrednia zależność działania autofocusa od światłosiły optyki. Im więcej światła wpada do przedniej soczewki obiektywu, tym lepiej działają czujniki autofocusa. Przymykając przysłonę do „ciemnych” wartości (konwencjonalnie od f/5.6), przez obiektyw ponownie przechodzi mniej światła, co utrudnia autofocus.



Automatyzacja systemów ustawiania ostrości to prawdziwe wybawienie dla fotografów i kamerzystów. Przy właściwym podejściu możesz jej całkowicie zaufać. Jednak nawet automatyzacja czasami zawodzi, dlatego ważne jest, aby wyrobić w sobie nawyk monitorowania ustawiania ostrości i korygowania jego błędów w odpowiednim czasie. Wtedy odsetek wadliwych zdjęć i filmów z pewnością będzie dążył do zera.