Різкість – це основний чинник у фотографії. І важливо, щоб вона була саме там, де потрібна. Найменші помилки фокусу в процесі зйомки обіцяють відправкою знімка «в кошик», адже виправити промахи при наведенні на різкість неможливо (за рідкісними винятками про це нижче). За фокусування у сучасних камерах зазвичай відповідає автоматика. Однак вона нерідко відрізняється тонкощами роботи та налаштуваннями. Якими саме? Почнемо з азів.

Активні та пасивні системи

Системи автофокусу в камерах умовно розбиті на два великі табори: активні та пасивні. Активний автофокус працює за принципом відправлення назовні будь-якого сигналу – він досягає цілі, відбивається і повертається назад, на підставі чого розраховується точна відстань до об'єкта. Як сигнал може застосовуватися інфрачервоний промінь, ультразвук або навіть лазер. Саме за таким принципом працюють допоміжні камери-лідари у смартфонах. Аналогічний принцип дії мають і ToF-камери, призначені для сканування тривимірних форм об'єктів – вони застосовуються в системах розблокування по обличчю, доповненої реальності тощо.

Активні системи автофокусування випускають певні сигнали, які відбиваються від цілі та надають дані про відстань до об'єкта. За таким же принципом працюють і модулі 3D ToF у смартфонах.

Активні системи не залежать від умов навколишнього освітлення і добре «бачать» у темряві. Однак є у них і жирний мінус – часто це неможливість точного наведення при фокусуванні через прозорі перешкоди (наприклад, крізь скло). Активний автофокус прийнято використовувати лише як допоміжний інструмент, а основна робота звалена на плечі пасивних систем автоматичного наведення на різкість.

Важливий відступ. У багатьох «дорослих» фотоапаратах є характерна червона лампочка, яка випромінює світловий промінь. Однак не варто плутати її з активним автофокусом – це лише підсвічування для виконання фокусування на об'єкті в темних навколишніх умовах.

Пасивні системи автофокусу покладаються у справі на принципи виявлення контрасту чи фаз. Також існує гібридний варіант автофокусування, що поєднує контрастний та фазовий методи. На кожному з цих пунктів необхідно зупинитись детальніше.

Контрастний автофокус

Робота контрастного автофокусу пов'язана з програмними алгоритмами. В його основі лежить найпростіший принцип – зображення у фокусі завжди контрастніше, ніж картинка не у фокусі. Насправді в процесі наведення на різкість камера буквально навмання перебирає різні значення фокусу, контролюючи зміни контрасту. Якщо рівень контрасту падає, точка фокусування почне зміщуватися у зворотний бік, якщо контраст підвищується – фокус продовжить рухатися в цю сторону, доки не досягнеться максимальне значення. Зазначимо, що автоматика завжди «пролітатиме» повз ідеальний рівень контрасту — щоб зрозуміти, що саме це значення було максимальним, і повернутися до нього.

Використовуючи контрастний метод, камера продовжує рухати фокусувальні лінзи всередині об'єктиву до тих пір, поки не буде досягнуто максимального рівня контрасту (середній соняшник на картинці).

Контрастний метод автофокусування використовує дані безпосередньо з матриці і не потребує додаткових модулів. А оскільки в ньому застосовуються суто програмні алгоритми, їх можна «допилювати» до ідеалу практично нескінченно — нерідко роботу контрастного автофокусу кардинально покращують нові прошивки.

Зворотним боком медалі контрастного автофокусу є так званий ефект нишпорення – коли фокус характерно соватися туди-сюди, намагаючись знайти ідеальне значення контрасту. При фотографуванні статичних сюжетів це не відіграє вирішальної ролі, а ось у динамічних сюжетах і при відеозйомці нишпорення автофокусу може знатно нашкодити.

При зйомці однорідних текстур на кшталт безхмарного блакитного неба або білої стіни контрастний метод наведення на різкість і взагалі може виявитися марним, оскільки камері просто нема за що зачепитися для коректного порівняння рівня контрасту. Також такий автофокус часто помиляється в темряві і погано підходить для захвату об'єктів, що швидко рухаються (особливо в стежачому режимі — у ньому робота просто неможлива). Якщо ж алгоритми контрастного автофокусування не відточені, подібні системи можуть часто помилятися при зйомці зблизька, коли фон набагато яскравіший і контрастніший за об'єкт на передньому плані. При цьому автофокус у таких умовах помиляється навіть у разі примусового вибору області фокусування. Недоліки технології виправлені у фазових системах автоматичного наведення на різкість.

Фазовий автофокус

Такі системи автоматичного наведення на різкість працюють за принципом визначення різниці фаз світлового потоку, що надходить через об'єктив камери. Фазовий автофокус використовує спеціальні датчики, які вловлюють світловий потік, що проходить, за допомогою масиву мікролінз. Світло ділиться на дві частини, кожна з яких потрапляє на надчутливий детектор. Якщо світло надходить саме на середину датчика, значить об'єкт знаходиться у фокусі. А якщо наведення на різкість здійснено ближче або далі об'єкта зйомки, відстань між променями буде меншою або більшою відповідно.

У системах фазового автофокусування за наведення на різкість відповідають спеціальні світлочутливі датчики.

За інформацією з датчиків автофокусування камера відразу прораховує, наскільки помиляється фокус, і оперативно «підкручує» його в потрібну сторону. Фазові системи автоматичного наведення на різкість працюють максимально швидко і чіпко, особливо в режимі відстеження об'єктів, що рухаються, однак і вони не позбавлені вад.

У «чистому» вигляді фазовий автофокус домінує на борту дзеркальних фотоапаратів. Для модуля фазової детекції в корпусі камери потрібно викроїти достатньо місця, а точність таких систем напряму залежить від кількості та типу датчиків фокусування (горизонтальні точки краще працюють з вертикальними деталями, а по центру кадру прийнято розміщувати хрестоподібні датчики). При цьому моделі початкового рівня зазвичай озброюються простими системами з декількома точками фокусування, а камери професійного рангу мають складні системи автофокусування з величезною кількістю точок наведення на різкість різноманітних форм.

Форма точок напряму впливає на чіпкість систем автофокусування. Найкраще захоплюють об'єкт зйомки хрестоподібні та подвійні хрестоподібні точки фокусування, що розміщуються переважно по центру кадру.

При використанні фазового автофокусування в дзеркалках важливим є момент, коли фотограф натискає кнопку спуску затвора наполовину. Саме в цей момент камера наводиться на різкість, а об'єкти, що потрапили у фокус, висвічуються на дисплеї в рамках або позначаються точками. Для коректної роботи фазової детекції потрібне належне юстирування механізму, інакше дзеркальна камера може зіткнутися з проблемами бек- та фронт-фокусу (коли фокусування здійснюється злегка за потрібним об'єктом або трохи перед ним).

У бездзеркалках та смартфонах фазовий автофокус влаштований дещо інакше. Серед звичайних пікселів, з яких складається матриця камери, зустрічаються спеціальні пікселі PDAF (Phase-Detection Autofocus). Вони напряму не беруть участь у побудові зображення, а служать винятково для допомоги в наведенні на різкість, вловлюючи світло та аналізуючи світловий пучок для прорахунку відстані до об'єкта зйомки. Один з найбільш розвинених різновидів такого автофокусування – це фірмова технологія Dual Pixel CMOS AF від компанії Canon. Вона зустрічається у фотокамерах японського бренду та багатьох смартфонах (зокрема, мобільних телефонах Samsung).

У системах за образом і подобою Dual Pixel пікселі на матриці складаються з двох половинок – вони відразу відповідають і за автофокусування, і за формування зображення.

У системах типу Dual Pixel близько 80-90% всіх пікселів на матриці є двокомпонентними – конструктивно вони складаються з двох фотодіодів. Під час наведення на різкість камера використовує інформацію з кожного фотодіоду окремо, а при зйомці сигнали двох фотодіодів об'єднуються в один для формування підсумкового зображення. Як наслідок, різкість ефективно відстежується майже по всьому полю кадру. «Візитною карткою» Dual Pixel можна назвати кіношний ефект плавного переведення фокусу в міру руху об'єкта зйомки на глядача з утриманням його в зоні різкості на розмитому фоні.

За схожим принципом влаштовані й інші сучасні системи фазового автофокусування. Але в матрицях високої роздільної здатності (на зразок 108 МП або 200 МП) аж ніяк не всі пікселі мають двокомпонентну структуру — до такого ефекту мініатюризації просто не дійшли технології. Двоскладові модулі вбудовуються в піксельну сітку з певним кроком, щоб забезпечувалося максимально широке покриття поля майбутнього кадру.

Дзеркальні фотоапарати

Гібридний автофокус

Переваги контрастного та фазового автофокусу об'єднані під крилом гібридних систем автоматичного наведення на різкість. Простими словами принципи їх роботи можна пояснити так: фазові датчики безпосередньо на матриці камери забезпечують первинне наведення на різкість (визначають приблизне розташування фокусу), потім різкість доводиться контрастним автофокусом.

Гібридні системи поєднують переваги контрастного та фазового методів детекції та позбавлені серйозних недоліків. Єдине «але» — у стежачому режимі наведення на різкість вони все ж таки поступаються за швидкістю звичайному фазовому автофокусу. У сучасних фотоапаратах та камерах смартфонів часто зустрічається саме гібридна архітектура автофокусування.

У гібридних системах автофокусування метод виявлення фази використовується для визначення приблизної відстані до об'єкта зйомки, а фіналізація фокусу виконується контрастним способом.

Сюди ж можна з певною натяжкою записати примітну функцію постфокусування, що просувається в багатьох бездзеркалках Panasonic із датчиком зображення формату Micro 4/3. При використанні функції камера робить серію знімків, фокусуючись на всіх ділянках кадру. Конкретну точку фокусування можна вибирати вже на готовому знімку.

Бездзеркальні фотоапарати

Режими автофокусування

З практичної точки зору важливо не тільки розуміти будову систем автофокусування, але і розбиратися у відмінностях різних режимів, від чого напряму залежить різкість фотографій і відеороликів, що записуються. Розберемо це на прикладі фотоапаратів (частково аналогічні назви режимів використовуються і в смартфонах, якщо вести зйомку з ручним встановленням параметрів). Отже:

  • AF-S (AutoFocus Single) – режим покадрового автофокусування, призначений для зйомки статичних сцен (пейзажів, архітектури тощо). Як тільки камера знаходить фокус, вона відразу блокує його на вказаній точці, повністю ігноруючи будь-які рухи в кадрі.
  • AF-C (AutoFocus Continuous) — режим безперервного автофокусування для зйомки об'єктів, що рухаються (спортивних заходів, машин і людей у русі, спритних пташок і звірят). Фокус у цьому режимі автоматично переналащтовується, якщо ви або об'єкт у кадрі переміщується.
  • AF-A (AutoFocus Automatic) — режим автоматичного автофокусування. У ньому камера самостійно визначає, знаходиться об'єкт у русі чи залишається нерухомим. Відповідним чином автоматика підбирає підходящий режим наведення на різкість: AF-S або AF-C.
Для статичних та динамічних сцен важливо вибирати відповідні режими фокусування.

Тріо вказаних режимів роботи автофокусу – це фундамент. У деяких моделях камер перелік режимів може бути розширеним (груповий, динамічний тощо), тут необхідно вдатися до допомоги довідкових матеріалів та/або підказок.

Штучний інтелект у системах автофокусування

А тепер поговоримо про цікаву особливість сучасних систем автофокусування. Сьогодні в камери масово впроваджуються алгоритми машинного навчання та штучного інтелекту, здатні розпізнавати об'єкт у кадрі та навіть прогнозувати його переміщення. Найкращі напрацювання у цій сфері можна зустріти у топових бездзеркалках, які вміють фокусуватися в автоматичному режимі по очах людей та тварин, обличчям, визначати у кадрі птахів, тварин та різні транспортні засоби (автомобілі, потяги та навіть літаки).

«Розумний» автофокус постійно аналізує кадр і чіпко утримує об'єкт зйомки у фокусі як у режимі фотозйомки, так і при відеозаписі. Це забезпечує підвищену точність наведення на різкість та простоту використання камери. Причому в окремих розвинених екземплярах фотоапаратів за операції, пов'язані з алгоритмами штучного інтелекту, може взагалі відповідати окремий співпроцесор. Яскравий приклад — Sony A7r V. Система автофокусу в цій камері вміє оцінювати пози людини для плавного наведення на різкість і не втрачає фокусу, навіть коли об'єкт зйомки на короткий час перекривається чимось у кадрі.

«Розумні» системи автофокусування використовують алгоритми штучного інтелекту і можуть наводитися на різкість у режимі спостереження навіть по очах тварин.

За принципами машинного навчання в системах автофокусування безперечно стоїть майбутнє. Але вже станом на сьогоднішній день автофокус практично не потребує допомоги людини і цілком успішно справляється з покладеними на нього обов'язками щодо забезпечення належної різкості кадру в найрізноманітніших умовах зйомки.

Автофокус в об'єктивах

У розрізі фотоапаратів на швидкість реакції фокусування впливає не тільки внутрішньокамерна система автофокусу, а й тип приводу в об'єктиві. Існують такі різновиди моторів в автофокусній оптиці:

  • Звичайний мотор – системи автофокусу на базі приводів постійного струму. Працюють вони дещо повільніше за інші типи і створюють фоновий шум, що може виявитися критичним при відеозйомці, однак і коштують об'єктиви з подібним мотором відчутно дешевше за інші варіанти.
  • Кроковий мотор – схематично такі приводи використовують постійний струм, що проходить через кілька груп котушок. Подача струму на групи в потрібній послідовності тягне за собою обертання двигуна на один крок. Чим більше груп — тим точнішим можна зробити рух приводу. Крокові мотори оснащуються як шестерінною, так і гвинтовою передачею. У маркуванні Nikon їх часто позначають AF-P, в об'єктивах Canon – STM. Подібні мотори забезпечують плавне і тихе фокусування, але за швидкістю наведення на різкість вони поступаються ультразвуковим. Об'єктиви з кроковими приводами оптимально підходять для зйомки відео, тому їм часто віддають перевагу відеографи.
  • Ультразвуковий мотор – швидкість спрацьовування таких приводів вимірюється десятими, або навіть сотими частками секунди. А ще ультразвукові мотори практично безшумні, що може виявитися дуже актуальним при зйомці відео. У парку оптики Nikon об'єктиви з ультразвуковим приводом маркуються AF-S, у Sony – SSM, у Canon – USM (у різних варіаціях на зразок Micro USM, Nano USM тощо).
  • «Викрутка» – за рідкісними винятками, об'єктиви з таким приводом не мають власного мотора автофокусу. Вони мають тільки гніздо для стикування з камерою, а двигун розміщується безпосередньо у фотоапараті. Головними перевагами «викруток» є невелика вага і габарити, але за швидкістю вони дещо програють ультразвуковим приводам, проте вони цілком порівнянні зі звичайними моторами (а іноді й перевершують їх). В даний час від такого варіанта приводів автофокусування відмовляються на користь крокових та ультразвукових моторів.

Чинники, що впливають на роботу автофокусу

Тип фокусувального приводу всередині об'єктиву – аж ніяк не єдиний чинник, що впливає на швидкість автофокусування. Усі пасивні системи автоматичного наведення на різкість повністю залежать від світла, що проходить через об'єктив. В умовах недостатнього освітлення автофокусуванню набагато складніше коректно ловити об'єкт зйомки та чіпко його утримувати у фокусі.

Чим більше світла пропускає об'єктив, тим впевненіше проявляє себе в роботі автофокус.

Важливу роль відіграє і діапазон виявлення фокусу – правильно обрана дистанція фокусування підвищує чутливість системи наведення на різкість, особливо при поганому навколишньому освітленні.

Простежується пряма залежність роботи автофокусу і від світлосили оптики. Чим більше світла надходить на передню лінзу об'єктиву, тим краще спрацьовують датчики системи автоматичного фокусування. Прикриваючи діафрагму до «темних» значень (умовно від f/5.6), через об'єктив знову пропускається менше світла, що ускладнює роботу автофокусу.



Автоматика у системах фокусування – це справжня знахідка для фотографів та відеографів. І за грамотного підходу їй можна повністю довіритися. Але навіть автоматика іноді дає збої, тому важливо взяти за звичку контролювати фокусування та своєчасно виправляти його промахи. Тоді відсоток браку фотознімків та відеороликів впевнено наближатиметься до нуля.