Вероника Голубь
декабрь 2016.
387

Как происходит фокусировка у камер фотоаппаратов и телефонов? Как они понимают что надо размыть?

Ответить
Ответить
Комментировать
1
Подписаться
3
5 ответов
Поделиться

Дело, на самом деле, не в контурах, а в деталях объекта. Простого объяснения принципа в интернете я не нашел, поэтому придется расписать все подробно, «на пальцах».

Когда-то использовали активную фокусировку, представлявшую собой лазерный или ультразвуковой дальномер. Там все просто – по расхождению или запаздыванию отраженного сигнала определялась дистанция, и фотоаппарат выкручивал фокус на нужное расстояние. Пример – знаменитые Polaroid, которые умели сами печатать снимки. В них стоял ультразвуковой активный автофокус. Система неточная, а в случае лазера еще и опасная для зрения, и ее постепенно сменили пассивные системы, хотя иногда их комбинируют (например, лазерный автофокус в смартфонах LG).

А вот пассивные системы – штука интересная. Сейчас используется два типа пассивного автофокуса – контрастный и фазовый. Контрастный применяется в «мыльницах» и дешевых смартфонах, более быстрый и точный фазовый в основном в зеркальных фотоаппаратах.

Система контрастного автофокуса двигает точку фокусировки и периодически замеряет контрастность. Делается это очень просто – диафрагма открывается, свет попадает на матрицу, процессор замеряет освещенность каждой точки в зоне фокусировки и определяет общую контрастность зоны. Если фокус не на объекте, все детали объекта расплываются, свет как бы размазывается по нему, и, хотя общая яркость не меняется, разница яркости между светлыми и темными точками падает.

Когда точка фокусировки движется к объекту, контрастность зоны фокусировки растет. Как только фокус начинает сдвигаться от объекта, контрастность падает. Как только контрастность начинает падать, система автофокуса возвращает точку фокусировки туда, где была максимальная контрастность. Точно так же действует человек, настраивая фокус вручную, «на глазок».

Фазовый автофокус работает гораздо хитрее. По сути, он точно измеряет расстояние до объекта, что позволяет системе быстро установить нужное фокусное расстояние, за один-два замера. В этом фазовый автофокус схож с активными системами, только ему не нужно собственное излучение, его принцип основан на расхождении лучей света, отраженного от объекта.

Упрощенно можно объяснить его действие через физику работы объектива. Для простоты будем считать объектив одной линзой. Свет, проходящий через каждую точку линзы, дает резкое изображение объекта на любом расстоянии за этой точкой, а линза, преломляя лучи, уже собирает эти изображения в одно, многократно более яркое, в точке своего заднего фокуса.

При этом если объект расположен не в точке переднего фокуса, а ближе или дальше, картинка от каждой точки линзы будет немного сдвинута, так как угол падения отраженного от объекта света на линзу будет разный. Причем сдвиг зависит от того, где именно на линзе расположена эта точка. Например, картинка от центральной точки будет всегда по центру, на каком расстоянии ни находился бы объект, а вот картинка, проходящая через точку на краю линзы, будет сдвинута максимально.

Именно из-за этого объект, находящийся не в фокусе, размывается – бесчисленные картинки из разных точек линзы попадают не в одно и то же место матрицы, а по-разному сдвигаются, размазывая суммарное изображение. Совпадут они лишь при условии, что объект находится в заранее заданной оптическими характеристиками линзы точке – точке переднего фокуса. Время шоппинга! Что самое дорогое и необычное продавали на eBay?Какие есть лайфхаки, чтобы выгодно совершать покупки в интернете?Что делать, если не пришла покупка из интернет-магазина?Задавайте вопросы экспертам

Посмотрите на рисунок (не очень подходящий, но лучше не нашел). У нас тут, условно, отображены линии лучей, идущих от трех объектов, расположенных на разном расстоянии. Черные стрелки - самый дальний объект, красные - от объекта поближе, зеленые от самого близкого. Каждый луч-стрелка несет, по сути, полную картинку объекта, но чтобы получить яркое изображение, нам надо собрать все картинки в одном месте. Если мы, к примеру, разместим в точке F матрицу, то "черный" объект окажется в фокусе и будет четким, а вот красный и зеленый размажутся, причем зеленый сильнее.

В системе фазового автофокуса каждый датчик смотрит на объект через две точки объектива, расположенные на разных его краях. Тут важно понимать, что для датчика объект – это не весь кадр, это небольшой фрагмент кадра, по которому мы пытаемся сфокусироваться. В видоискателе зеркалки этот фрагмент (зона фокусировки) отмечается красным крестиком или прямоугольником. Остальную часть кадра датчик фокусировки отбрасывает, она ему не нужна.

Два изображения, полученные через эти краевые точки, разводятся в стороны с помощью призм и попадают на два кусочка матрицы автофокуса. Напомню, что каждая отдельная картинка, полученная через одну точку, в любом случае резкая.

Так как датчик получает картинку не с оси, а с периферии линзы, то изображения объекта, попадающие на матрицу автофокуса, будут сдвигаться тем сильнее, чем дальше объект от точки переднего фокуса линзы, причем сдвигаться в противоположные стороны. То есть расстояние между изображениями на матрице автофокуса напрямую зависит от расстояния самого объекта от точки переднего фокуса.

Картинка взята у Владимира Дорофеева с vlador.com.

Тут системе автофокуса надо определить, насколько сдвинуты эти изображения. Для этого с каждой картинки берется маленький фрагмент из пары десятков пикселей (наша зона фокусировки), и на нем ищется контрастная линия. Далее, условно, по этой линии измеряется расстояние между картинками на матрице автофокуса и вычисляется сдвиг. Из этого система автофокуса высчитывает, насколько сам объект, которому принадлежит найденная контрастная линия, сдвинут относительно точки переднего фокуса – и дает команду объективу подкрутить фокус.

Очевидно, что если датчик не найдет в своей зоне фокусировки контрастной линии, он не сможет определить сдвиг. Именно поэтому сложно сфокусироваться на недостаточно освещенном объекте, или на объекте однородном – к примеру, на листе бумаги. Там просто не измерить сдвиг картинок через две точки. И, наконец, система фазового автофокуса может испытывать проблемы при попытке сфокусироваться на объекте с множеством одинаковых деталей (например, сетка, решетка), так как на каждый датчик будет попадать несколько четких линий, различить которые датчики не смогут.

Есть два распространенных типа автофокуса.

Фазовый в основном в зеркальных фотоаппаратах, контрастный в недорогих фотоаппаратах и в телефонах.

Фазовый. Свет разбивается на два пучка дающих одно и тоже изображение пришедшее с двух сторон входного отверстия объектива. Датчик фазового автофокуса сравнивает их и на основе разности фаз сигналов даёт команду на фокусировку -- насколько ближе или дальше объект той точки на которой сейчас сфокусирован объектив. Таких датчиков в фотоаппаратах несколько. Поэтому возможен многозонный автофокус. Этот тип автофокуса работает мгновенно. Для фокусировки требуется всего одна транзакция (набор операций). Вы направили объектив на объект, фотоаппарат вычислил расстояние и дал команду объективу. Вы или снимаете или чуть изменяете кадр и снова фокусируетесь.

Контрастный. Программа считывает изображение с матрицы, сдвигает фокусировку, считывает изображение ещё раз. Сравнивает контраст мелких деталей изображения. Там где он выше, там и точность фокусировки выше. Для поиска максимального контраста в области куда направлен объектив программе приходится иногда делать полную прогулку по вариантам фокусировки. Отсюда характерное всем известное елозение туда сюда перед определением лучшего варианта фокуса. Это относительно медленный тип автофокуса.

В дорогих современных смартфонах применяется ещё один тип автофокуса -- лазерный дальномер. Не уверен, но думаю, тоже фазовый. Посылается луч, сравнивается отправленный и отраженный. Бывает ещё на основе подсчета времени возврата сигнала, но это не для смартфонов. У него есть свои минусы -- нельзя посылать мощный сигнал, так как можно в глаз попасть. Так что ограничена мощность, а значит дальность действия. 

Были также ультразвуковой и инфракрасный локаторы. У них свои сложности, сейчас непопулярны.

На чём именно сфокусироваться -- автофокус хватает просто ближайший объект на который направлен объектив и который попал в зону работы какого-то из датчиков. А контрастный просто предлагает ближайший объект на который направлен объектив. Обычно делая предпочтения расположенным в центре. Разумеется сейчас есть системы которые автоматически ищут в кадре лица и фокусируются на них. 

Надо отметить, что в случае смартфонов (и дешевых фотоаппаратов) задача фокусировки немного проще. В них глубина резко изображаемого пространства больше (почему -- отдельная тема). Это значит можно фокусироваться неточно, то всё равно попасть в фокус. А в случае если объект не прямо перед тобой можно и вообще сфокусироваться на бесконечность и всё будет изображено резко.

Но, всё равно, быстрыми остаются фазовый автофокус, далее лазерный, далее контрастный. Контрастный нормально справляется с большинством простых ситуаций, особенно когда люди позируют и ждут. А если дети и коты играют, то нужен фазовый. Лично я лазерный не пробовал.

Как правило, размытие применяется в одном конкретном сюжете: это портретная съемка. Рядом с камерой размещается лицо фотографируемого, далеко от лица размещается фон. Как вариант этого сюжета - макросъемка - когда рядом с объективом цветочек, а остальной фон далеко.

Реализация этого развития осуществляется оптическим эффектом. Есть такое понятие, как "глубина резкости". Она зависит от расстояния до объекта, который должен быть резким, и от открытия диафрагмы при съемке. Соответственно, когда мы хотим добиться размытия фона, мы делаем небольшую глубину резкости полностью открывая диафрагму, размещаем объект недалеко от фотоаппарата и подальше от фона.

Современные фотоаппараты умеют определять лица и автоматически включают программу "портрет" с максимальным открытием диафрагмы и фокусировкой на лице, то есть указание по некоторым признакам картинки дает процессор. Аналогично они могут определить некий предмет рядом с объективом и постараться полностью открыть диафрагму, чтобы минимизировать выдержку, это вторая причина автоматического возникновения размытия

Показать остальные 2 ответа
Ответить