Резкость с ювелирной точностью: как работают современные системы фокусировки
Те, кто ещё не забыл школьный вектор движения физики, помнят, что линза воздвигает изображение находящихся перед ней объектов на некотором удалении от себя. Это так называемое фокусное расстояние. При всем при том изображение будет резким только в том случае, если предмет находится от линзы безгранично далеко. В реальности, конечно, никаких беспредельно удаленных объектов нет, да они нам и не нужны. Потому что изображение будет резким и в том случае, если пространство до фотографируемого предмета без затей довольно значительно.
Чем меньше фокусное расстояние линзы или группы линз тем ближе находится рубежная линия условной бесконечности . Находясь за ней, предмет будет изображен резким. Объектами ближнего плана будут смотреться размытыми. Те, что подальше слегка, ну а самые близкие могут вообще потерять узнаваемость.
Несфокусированный кадр немного кому понравится.
Бывают случаи, когда такого эффекта мы и хотим достичь например, так позволительно обрести пристойный кадр, несмотря на тот факт, что прямо перед объективом фотоаппарата была мелкая решетка или сетка. Ее изображение просто размоется, немного снизив контраст снимка но это значительно лучше, нежели небо в клеточку .
Однако в большинстве съемочных ситуаций размытый передний проект провернуть нас никоим образом не может.
Правильная фокусировка безупречно необходима для получения технически качественного снимка.
Если известно расстояние до объекта, не составляет особого труда сделать расчет и требуемое положение линзы. При использовании самых простых камер, называвшихся шкальными, фотограф измерял расстояние до фотографируемого объекта, ну а потом выбирал на объективе соответствующую метку. Несмотря на тот факт, что благодаря фотоаппаратам с таким типом наводки на резкость были отсняты многие великие кадры, признать шкалу приемлемой на нынешний день никак нельзя.
Слева две шкальные камеры, с правой стороны три дальномерные. Преемственность между ними очевидна.
Иное занятие прочий стародавний способ, фокусировка по матовому стеклу. Если сзади объектива располагать полупрозрачный экран, мы сможем увидать изображение, которое готовимся запечатлеть. Это шибко благоприятно и при построении кадра, и при фокусировке: не требуется уже ведать расстояние до снимаемого объекта, достаточно нетрудно повертывать колечко объектива до тех пор, в то время как изображение снимаемого предмета на матовом стекле не станет максимально резким.
Такой способ фокусировки успешно дожил до нынешних времен, хотя и претерпел существенные изменения. Если в начале века матовое стеклышко вставлялось вместо пленки (или светочувствительной пластины), то позднее от эдакий практики по большей части отошли. Матовое стекло обрело местоположение постоянного базирования, в видоискателе. Благодаря этому радикально выросла оперативность съемки, не требовалось уже стабильно вносить изменения местами стекло и пластину. Правда, возникла иная проблема: как изготовить так, чтобы свет попадал в необходимый миг на стекло, а во час экспозиции на поверхность пленки или матрицы фотоаппарата?
Неавтофокусные зеркальные камеры, такие, как тот самый Киев-6с, длительно доминировали на рынке.
С помощью подвижного зеркала! Когда мы наводимся на резкость, зеркало опущено, оно отражает собранный объективом свет вверх, и благодаря призме или системе на этот раз уже неподвижных зеркал мы получаем на поверхности матового стекла картинку, в точности соответствующую тому, что увидит посредством миг светочувствительный компонент камеры. Фотоаппарат с оптическим трактом такого типа называется зеркальным однообъективным.
Несложно догадаться, что бывают еще и двухобъективные зеркальные камеры. В них зеркало неподвижно, так как для видоискателя употребляется одна линза, а для собственно фотографирования другая, впрочем, без малого такая же. Приводы фокусировки обоих объективов механически связаны, получив максимально резкое изображение в видоискателе, мы получаем четкую картинку и на сенсоре. И все-таки такие аппараты вечно были нишевыми, из-за необходимости приобретать а в дальнейшем носить с собой два недешевых объектива вместо одного.
Двухобъективная зеркальная камера, Любитель-166С. В данном случае объективы несколько отличаются, верхний дает меньшую глубину грубо изображаемого пространства, чем нижний, для повышения точности фокусировки.
Однако до наступления в шестидесятых годах прошлого века эпохи доминирования зеркальных фотоаппаратов господствовал другой способ фокусировки. На основе упоминавшихся прежде шкальных фотоаппаратов был создан еще единственный класс камер - дальномерных.
Мы уже вспоминали кое-какие сведения из курса физики ну а ныне решим простенькую геометрическую задачку. Свой дальномер имеет два объектива, расположенных на известном расстоянии дружбан от друга (это расстояние называется базой дальномера). Если провести от этих объективов к фотографируемому предмету воображаемые линии, получим равносторонний треугольник. Благодаря небольшому отличию двух имеющихся у нас изображений несложно рассчитать высоту этого треугольника, она и будет расстоянием до нужного нам объекта.
В натуральный момент дальномерки прочно ассоциируются с продукцией фирмы Leica, однако первоначально она выпускала аккурат шкальные фотоаппараты, а дальномер предлагался отдельно. Совместив в его видоискателе две картинки, не возбраняется было изведать точное расстояние до снимаемого объекта, и выставить его на фокусировочной шкале объектива. Да, так несложно для использования дальномера не непременно располагать информацией принцип его работы, благо заключение поставленной нами в предыдущем абзаце задачи он находит автоматически.
Однако оперативности такому методу прямо не хватало, что очень существенно осложняло съемку любых минимально динамичных сцен. Вследствие этого механика дальномера была в итоге сопряжена с фокусировочным приводом объектива. Отныне два процесса обмеривание расстояния до объекта и наводка объектива на резкость стали выполняться синхронно.
Была у дальномера и ахиллесова пята его сильно проблематично применять с длиннофокусными объективами, потому-то зеркалки и вырвались в родное пора вперед. К тому же серьезнейший потрясение по позициям дальномерок нанес и приход в фотографию систем автофокусировки. Конструкция зеркалок позволяла прибавить необходимые модули относительно легко, а у дальномерок таковый апгрейд был бы несколько сложнее.
Зеркало, конечно, пришлось модифицировать, оно стало полупрозрачным. Сейчас в видоискатель попадало только рядом 60 процентов собранного объективом света, остальные сорок перенаправлялись вторым, дополнительным зеркальцем прямиком на датчики автофокуса. Таким образом, зеркальная организация позволяла создавать кадр и изготовлять фокусировку, глядя сквозь тот объектив, тот, что момент через построит картинку на пленке.
При переходе к автоматической системе фокусировки изменилось многое, в том числе и объективы.
Ни дальномерки, ни компакты того времени подобным функционалом похвастаться не могли. Последние использовали по большей части систему активного автофокуса, сиречь замеряли расстояние до снимаемого объекта за счет испускаемых ими самими инфракрасных лучей или ультразвуковых волн. Ибо приспособления для промера дистанции были на все сто независимы от оптической системы камеры, зачастую случались оплошности камера фокусировалась нисколько не на снимаемый объект, а на какой-нибудь другой. Ещё система фокусировки этого типа несложно могла быть обманута, скажем, обычным стеклом. Все видели кадры, привезенные незадачливым туристом из отпуска: толково различимые на окне экскурсионного автобуса царапины и отпечатки пальцев, а на заднем плане чуть узнаваемые, размытые контуры достопримечательностей.
Посему долгое период превосходство зеркального автофокуса над всеми другими его видами было абсолютным. Но с приходом цифровой фотографии обстановка приобрела больше занимательный оборот, а некоторые и отнюдь заговорили об устарелости и ненужности зеркала в цифровом фотоаппарате. Так ли это?
На первостепеннный воззрение может показаться, что да. Цифровые камеры, в различие от пленочных, имеют вероятность фокусироваться прямо по изображению на матрице. Таковой подход выглядит весьма перспективным, он позволяет достичь идеальной точности фокусировки. В самом деле, для того, чтобы зеркалка корректно наводилась на цель, необходимо, чтобы пути, проходимые внутри нее лучами света, были бы абсолютно идентичны по протяженности. Если расстояние от задней линзы объектива до фокусировочного экрана не одинаково дистанции до датчиков автофокуса, сфокусированная картинка будет грезиться нам нерезкой. И наоборот, кадр, который мы сочтем в момент съемки резким, будет в действительности несфокусированным. Эталонным является, естественно, расстояние до поверхности матрицы или фотопленки. Чтобы достигнуть нужного нам равенства, зеркальную камеру приходится оборудовать специальной системой юстировки зеркал, датчиков автофокуса и матового экрана. Если система должным образом не настроена, появляется постоянная оплошность фокусировки. Когда камера наводится на точку, расположенную ближе к ней, чем целевой объект, говорят о фронтфокусе; когда дальше о бэкфокусе.
У компактных камер, фокусирующихся по матрице, подобных сложностей нет и в помине - фокусировка происходит там же, где фиксируется капельку погодя изображение. Соответственно, фронт- и бэкфокус нарисоваться не могут.
У зеркалом было еще одно превосходство они позволяли глядеть на мир через объектив, причем через тот самый, с помощью которого мы ведем съемку. Ни дальномерки , ни пленочные компакты этакий функции не имели. Камеры этих типов традиционно оснащались независимыми видоискателями, обладавшими собственными объективами, пускай и простенькими. В результате мы сталкивались с явлением параллакса смещения изображения объекта сравнительно реальных границ кадра. Так, расположенный рядом к объективу цветочек может угодить в кадр, будучи невидимым в такого рода видоискателе. Параллакс в особенности затруднял макросъемку, однако доставлял существенные хлопоты и любителям других жанров. Всякий хоть раз сталкивался с попавшим на край кадра размытым изображением пальца фотографировавшего если б его разрешается было отметить в видоискатель, брака было бы меньше.
Компактные камеры используют, как правило, автофокус по контрасту
Однако цифровые компакты от параллакса избавлены, так как осуществляют визирование по матрице, с которой изображение и поступает на экран или в электронный видоискатель. К тому же картинка обрабатывается процессором камеры, благодаря чему разрешено приблизительно понять, какое воздействие на плод окажет модифицирование тех или иных настроек.
Итак, на основополагающий точка зрения все выглядит замечательно, и предстоящее истинно за фокусировкой по изображению на матрице. Однако если присмотреться внимательнее, нарисованная нами благостная картина начинает молниеносно меняться.
Во-первых, контрастный автофокус по изображению на первостепенный матрице работает достаточно медленно. Первоначально с матрицы считывается изображение, далее оно анализируется процессором. Позже объектив немножко перефокусируется, изображение анализируется вновь; если оно стало контрастней, мы движемся в правильном направлении, если нет крутим стекла в обратную сторону. Спустя несколько итераций становится ясно, где находится точка фокусировки немедленно вслед за тем того, как мы ее проскочили. Отыгрываем едва-едва назад, и только в настоящее время можно снимать.
Видите, сколь действий надобно выполнить? Вот отседова и берется, ставшая уже притчей во языцех, тормознутость цифровых мыльниц . Разумеется, производители боролись с такого рода задержками, но что они могут сделать? Самое очевидное вывод усилить прыть выполнения всех операций. Это превосходно получается с анализом изображения, благо процессоры совершенствуются стремительно, их вычислительная мощь растет. До некоторой степени можно ускорить и считывание данных с матрицы, различные технологические ухищрения недурственно помогают нам в этом. А вот ерзанье объектива не ускоришь на практике никак, тут ограничения накладывает прочность конструкции фотоаппарата. Излишне быстрые движения снизят надежность до неприемлемо низкого уровня.
Поэтому инженеры пошли другим путем они всеми способами сокращали необходимое число движений объектива. Начали применяться различные интеллектуальные алгоритмы, призванные угадать, куда и на сколько нужно смещать линзы. Вообще говоря, на подобных принципах работает наша система глаз-мозг , и не сказать, чтобы плохо. Задача только в том, что для достижения такого уровня эффективности фотоаппарату нужна полноценная система искусственного интеллекта. А ее, увы, покуда что не существует. Посему в результате увеличения скорости фокусировки жутко относительного, конечно, ни капельки не до уровня приличных зеркалок - зачастую видно страдает ее точность. Впрочем, компакты и раньше были склонны к промахам, особенно в условиях недостаточного освещения.
Контрастный автофокус имеет и иные недостатки. Несложно догадаться, что он потребляет много энергии, а аккумулятор имеет качество разряжаться в самый-самый неподходящий момент. В далеком походе, когда от ближайшей розетки вас могут отделять десятки и сотни километров, такая прожорливость солидно осложняет жизнь. К тому же при фокусировке и визировании у компакта нагревается матрица. Конечно, кулер на нее становить не потребуется, но вот порядок шумов на фотографиях возрастет особенно при съемке в ночное время, с длительными выдержками.
А что у зеркалок? Тут мы имеем дело с принципиально отличным от контрастного фазовым типом автофокуса. Чтобы лучше осмыслить его устройство, проследим за путем, проделываемым внутри фотоаппарата лучом света. Пройдя через линзы объектива, он делится главным зеркалом на две части. Как уже говорилось, 60 процентов излучения отправляются в пентапризму и, затем, на матовое стекло видоискателя. Оставшиеся 40 процентов отражаются маленьким вторичным зеркалом прямиком на датчики автофокуса. Как раз поэтому, кстати, можно чуять утверждения о том, что настоящие видоискатели только у неавтофокусных зеркалок. Действительно, при использовании одного и того же объектива мы получим гораздо более яркую картинку, если отправим весь собранный свет в видоискатель, не делясь им с системой фокусировки.
Датчики автофокуса находятся, конечно, на таком же оптическом расстоянии от объектива, что и пленочка или матрица. Любой датчик состоит из двух призм, направленных на вторичное зеркальце так, чтобы они видели диаметрально противоположные точки в оправе объектива. Самые внимательные читатели могли уже заприметить некоторое сходство с обсуждавшимся выше дальномером, с базой в несколько сантиметров.
Соответственно, мы имеем два изображения: если они одинаковые, значит, предмет в фокусе, все замечательно. Если нет, то по фазе сиречь сдвигу картинок товарищ относительно друга - можно определить, куда требуется передвинуть линзы объектива, чтобы достичь бритвенной резкости.
Для захвата изображения в датчике применяется заурядно две миниатюрных КМОП-матрицы. Их ширина всего лишь один пиксель, зато длина несколько десятков. Просто этого достаточно, чтобы отследить взаимное смещение наиболее и наименее контрастных деталей анализируемого фрагмента изображения.
Однако периодически возникают некоторые сложности. Нетрудно догадаться, что наиболее несложный для фокусировки с помощью датчика такого типа объект должен иметь в распоряжении на своей поверхности несколько вертикальных линий. А вот горизонтальные линии для фокусировки практически непригодны, одна из них перекроет обе матрицы (не забываем, их ширина всего пиксель), и приметить смещение картинки не удастся.
Чтобы исправить этот недочет, некоторые фирмы например, Canon стали совершать фокусировочные матрицы более широкими, не в один пиксель, а в несколько. Но на сто процентов проблема устранена не была.
Однако инженерная идея не стоит на месте и вот уже созданы крестовые датчики. Такие состоят не из двух, а из четырех матриц, расположенных под углом 90 градусов приятель к другу. Крестовой датчик нетрудно справляется и с вертикальными, и с диагональными, и с наклонными линиями; он гораздо более цепкий . Чем выше класс фотоаппарата, тем больше у него крестовых датчиков. У зеркалок эконом-класса он обыкновенно один, в центре поля зрения. У камер среднего уровня их может быть больше дюжины, ну а топовая техника несет на борту десятки таких датчиков.
Современная зеркалка , благодаря фазовому автофокусу, может действовать до одиннадцати кадров в секунду, и при этом успевает перефокусироваться перед каждым спуском затвора. Используя контрастный автофокус, таких результатов не достичь.
Есть кроме того специальные датчики, включающиеся только в том случае, если в данный момент используется светосильное стекло. Очевидно, что светосила узко связана с физическим размером применяемых при создании объектива линз, а потому что светлое стекло позволяет повысить базу нашего псевдодальномера. Благодаря этому возрастает пунктуальность фокусировки, что крайне актуально для светосильной оптики, вечным спутником которой является малая глубина резкости и, как следствие, частые промахи автофокуса.
Мы уже отметили, что фотоаппараты более высокого уровня несут на борту море датчиков фокусировки. Другой раз более того возникает вопрос: не переборщил ли производитель с их количеством? В самом деле, чем их больше, тем большее миг придется затратить на отбор нужной точки. Конечно, топовые тушки оснощаются весьма продвинутой системой управления, но все равно
На самом деле, конечно, причина для наращивания количества фокусировочных точек есть, и не одна. Во-первых, этот ход позволяет нам приметно улучшить свойство следящего автофокуса. Когда мы включаем порядок слежки , камера не только фокусируется на выбранном объекте, но и все время производит дофокусировку, по мере его смещения. Несложно догадаться, что особенно полезным такой режим будет при съемке спорта или, скажем, диких животных. Но он неэффективен, если фокусировочных точек всего ничего движущийся объект все момент двигается, и за счет этого всегда попадает в слепые зоны камеры если, конечно, они есть. Камера теряет мишень и перефокусируется на фон, ну а для выправления ситуации времени уже нет, сцена-то динамичная.
Однако уймище точек фокусировки бывает необходимо и при съемке статики. В большинстве случаев, конечно, хватает и центральной, даже если потребный нам объект расположен и не в центре будущего кадра можно сфокусироваться и перестроить кадр так, как заблагорассудится. Однако такой приём не пойдет в том случае, если глубина резкости весьма мала; такое бывает, например, при съемке портрета, когда необходимо свершить выговор на глаза модели. В этом случае кадрирование надо делать до фокусировки, по-другому резким будет не то, что нам нужно. Если точек фокусировки много, и они распределены по пространству кадра относительно равномерно, проблем нет выбирай нужную, да снимай. С маленьким их количеством будет, конечно, сложнее.
Кому-то может показаться, что уж в таких-то случаях контрастный автофокус превзойдет фазовый: он-то может фокусироваться по каждый части изображения. Что ж, при съемке портрета такое и в самом деле возможно, но вот при фотографировании динамики преимущество фазового автофокуса будет драматическим, легко за счет скорости, даже если датчиков в имеющемся фотоаппарате мало.
Преимущества фазового автофокуса впечатляют, но, как мы помним, его существование прерогатива зеркалок . Инженерам очень, сильно хотелось внедрить его и в компактные камеры, а это нельзя без появления слепых зон , дробить световой поток-то нечем. Конечно, в том случае, если фокусироваться по картинке, создаваемой главным объективом. Однако никто не мешает перенести систему автофокуса вовне, снабдив парочкой независимых объективов; сходство с дальномером усиливается. Алгоритм хорош всем, помимо того, что в реальности идеально не работает.
Да, компакты с внешним фазовым автофокусом подчас встречаются, однако толку от такой продвинутости нет скорость фокусировки не возрастает. Отчасти в этом повинен малый базис системы, типично он не дотягивает и до сантиметра. Ну а если разнести вспомогательные объективы подальше, возникнет проблема с точностью, фотоаппарат будет наводиться жестко туда, куда сочтет нужным. Короче говоря, планировать на преимущества фазового автофокуса при покупке компакта не стоит.
Автоматика это хорошо, но и по сию пору случаются такие ситуации, когда фокусироваться приходится вручную. Что для этого удобней, матовое стекло зеркалки , или экранчик компакта? Несмотря на все ухищрения производителей, ни экранчики, ни электронные видоискатели так и не смогли на истинный момент сравняться по своим потребительским качествам с устарелым зеркальным видоискателем. Ни по разрешению, ни по быстродействию, ни тем более по энергопотреблению. Прогресс, конечно, достигнут ощутимый, но все же он не является достаточным. Даже у самой современной камеры картинка впотьмах начнет несколько запаздывать, при съемке динамики это заметно. У дешевых компактов проблемы могут быть и на свету. А в видоискатель зеркалки мы видим гладко то, что происходит сейчас, а не в прошлом конечностью скорости света в данном случае можно отважно пренебречь.
Ладно, предположим, сцена статична подходяще ли в этом случае фокусироваться по эранчику? Нет, если только фотоаппарат не может при включении режима ручной фокусировки являть центральную область кадра в увеличенном размере. Если на экранчике виден весь кадр, разрешения для фокусировки не хватит.
Немаловажен и тот факт, что видоискатель зеркальной камеры постоянно снабжен механизмом диоптрийной подстройки, что здорово облегчает существование людям с неидеальным зрением. А вот пользоваться экранчиком им бывает зачастую довольно сложно, приходится то снимать, то натягивать очки. Не взирать же на мир только через экран камеры?
Короче говоря, на действительный момент так и не создана система фокусировки, превосходящая устаревшую связку зеркало фазовый датчик . Так что все разговоры о скорой смерти зеркалок следует полагать несколько преувеличенными. Они еще продолжительно будут доминировать в тех областях, где требуется быстрая и точная фокусировка.
По материалам: http://ferra.ru/online/digiphoto/95330/
Опубликовано: 01 февраля 2010
Зеркальная камера Nikon D800 и ее модификация D800E представлены официально
Ferra Зеркальная камера Nikon D800 и ее модификация D800E представлены официально Ferra Алгоритмы и модуль датчика фокусировки были переработаны для повышения чувствительности в условиях недостаточного освещения вплоть до -2 ЭЧ (ISO 100, 20 C 68 F). В целом по характеристикам данная фотокамера близка к новой флагманской фотокамере Nikon D4. Автофокусировка возможна даже при ... Nikon D800 и D800E
