Записки на холодильник. №13 - Проблемы автофокуса
У автофокуса есть несколько основных проблем, которые пока не получается просто так взять и под корень решить техническими инновациями:
1. Чувствительность в плохих условиях освещения
2. Необходимость юстировки
3. Ошибки режима следящей фокусировки
4. Реальный размер зоны фокусировки
С ними как раз и связано 90% промахов.
Начнем с DSLR.
Для фокусировки большинство зеркальных камер использует отдельный блок фазового автофокуса. Это небольшая микросхема с датчиками, на которую проецируется картинка, прошедшая через полупрозрачное основное зеркало и отраженная потом от дополнительного малого зеркала.
Есть хорошая статья, которая объясняет, как устроен фазовый автофокус, там и картинки, и все остальное - цитировать я не буду, кому надо - сам прочтёт, написано на доступном понятном инглише с картинками: How Phase Detection Autofocus Works
Датчики фазового автофокуса должны иметь внушительную чувствительность, поскольку их достигает лишь малая часть света из объектива. Чувствительные датчики стоят дороже. На датчиках стоят линзы, обеспечивающие собственно их работу - эти линзы тоже сжирают свет. То есть нужны хорошие дорогие линзы. Плюс к этому нужно сделать очень хорошее покрытие основного зеркала, которое и отражает, и пропускает как надо. Если сделать зеркало, которое много пропускает, но мало отражает, то на датчики придется достаточно света, а вот в видоискателе картинка будет темной. Если наоборот стремиться к светлому видоискателю, то придется делать зеркало, отражающее много, а пропускающее мало. И здесь даже при идеальном качестве изготовления зеркала производителям все равно приходится идти на компромисс, решать, как делить свет между видоискателем и датчиками фазового автофокуса. Если мы недодадим света фазовым датчикам, то автофокус будет плохо работать в сумерках. Но видоискатель будет светлее. Если сделаем наоборот, то датчики получат много света, а видоискатель - мало, т.е. будет темным и неудобным для визирования.
В дешевых зеркалках с темными видоискателями, где обычно вместо хорошей светлой пентапризмы используется довольно темное пентазеркало, более дешевое в производстве, обычно делают плохо просвечивающее, но хорошо отражающее зеркало, которое основной световой поток отражает в видоискатель, а то, что останется - на фазовые датчики АФ. Получается не совсем уж темный видоискатель, но автофокусу достается мало света. Это один из факторов, ухудшающих АФ в любительских зеркалках.
Поскольку датчики фазового АФ сидят на отдельном блоке, его точное расположение внутри камеры влияет на точность АФ. Датчики довольно маленькие, линзочки тонкие, вся система прецизионная, и любое смещение туда-сюда дает ошибку АФ. Поэтом автофокус в зеркальной камере требует юстировки - как на аппаратном уровне, когда тупо подкручивают регулировочные винты, так и на программном - когда в мозги камеры в процессе калибровки на стенде с эталонным объективом-болванкой и мишенью вносят специальную таблицу поправок.
Если камера подвергается встряскам и ударам, то может потребоваться повторная юстировка.
Также проблема в том, что вся система камера-объектив обладает некой инерцией. Процессор обрабатывает данные не мгновенно, а двигатель автофокуса (в камере либо в объективе) - устройство механическое, и блок линз при фокусировке не передвигается и не тормозит моментально. Поэтому тогда, когда датчики АФ уже "почувствовали", что уже всё в резкости, и дали команду "стоп!", блок линз в объективе еще по инерции доползает какие-то доли миллиметра, и фокус оказывается не там, где надо.
Для этого внутри каждого объектива имеется микросхема, в память которой, как и в мозги камеры, заносится таблица поправок для разных дистанций фокусировки, разных фокусных расстояний (если это зум-объектив), для разных диафрагм (чтобы компенсировать эффект фокус-шифта). Эта таблица формируется и записывается в объектив также в процессе юстировки.
Проблемы со следящим автофокусом на движущихся объектах обычно связаны со всеми вышеперечисленными факторами. Но в первую очередь - с качеством алгоритмов определения движения, которые живут в мозгах камеры. Если процессор слабый или программная часть не идеальна, следящий автофокус будет неточным.
Есть и еще одна проблема, которая тоже отчасти техническая, но о ней фотографу знать важнее всего. Это размер датчиков фазового АФ.
Изначально производители камер пошли на откровенный маркетинговый обман, когда нарисовали на матовом экране квадратики датчиков АФ. Дело в том, что эти квадратики - чистая фикция, они никак не коррелируют с реальными размерами датчиков на блоке автофокуса. Ну, фотографу конечно приятнее и удобнее, когда в видоискателе зоны АФ маленькие - придает уверенности в себе, ощущение точности. А в реальности площадь датчика АФ раза в полтора-два больше, чем контуры, нанесенные на матовый экран.
В связи с этим регулярно возникает множество недоразумений, например когда фотограф прицеливается на глаз модели, а камера фокусируется на бровь, потому что на самом деле зона датчика покрывает бОльшую площадь, чем нарисовано на экранчике, а бровь оказывается при этом более контрастным объектом, чем глаз.
Поэтому при фокусировке нельзя быть уверенным, что камера фокусируется по той же самой части объекта, по которой ВЫ ДУМАЕТЕ, что она
фокусируется. И принимать меры. Не спрашивайте, какие. Вручную фокусируйтесь например. Не вы первые, не вы последние, полтора столетия люди снимают портреты с ручной фокусировкой, ничего, никто от этого не умер.
Теперь посмотрим, как дела обстоят с беззеркалками и с зеркалками в режиме лайв-вью.
Изначально там использовался контрастный автофокус. Это значит, что процессор камеры считывает картинку непосредственно с матрицы с определенной частотой и одновременно перефокусирует объектив туда-обратно, пока не будет достигнут наибольший контраст в зоне, которую фотограф выбрал для фокусировки. Этих "туда-сюда" может потребоваться несколько итераций, на что уходит время, да и картинка считывается не мгновенно.
Поэтому контрастный АФ долгое время был крайне медленным. Это же нужно считать изображение с матрицы, подать его в процессор камеры, определить степень контраста в зоне фокусировки, подать команду на объектив... В общем, не айс. Но зато точность отличная.
Понемногу процессоры и матрицы ускорились, и например в Olympus OM-D E-M5 или в панасониках контрастный автофокус работает уже очень быстро (но все равно медленнее, чем в зеркалках с фазовыми датчиками).
Кроме скорости у контрастного АФ есть также проблема чувствительности в плохих условиях освещения (и здесь она дополняется еще и шумами).
Но зато обычно при контрастном АФ нет проблемы с юстировкой, поскольку картинка считывается прямо с матрицы, и поправки на расстояние до зеркала и т.д. там не нужны. И контроль окончательной фокусировки производится также по реальной картинке с матрицы, ошибки там быть не может. А у фазового АФ такой возможности нет, он доверяется только своим кривым кое-как отъюстированным в пространстве датчикам и больше никак не может проверить правильность фокусировки.
Ошибки следящего АФ в беззеркалках также очевидны и часты, как и в зеркалках. И опять же проблема в мозгах и алгоритмах. Например тот же OM-D обладает довольно слабеньким следящим автофокусом - видимо, эту часть алгоритмов программисты не доработали должным образом.
Что касается размера зоны фокусировки, то здесь у беззеркалок и у зеркалок в режиме лайв-вью есть преимущество - фокусироваться камера будет точно в пределах квадратика, который вы видите на экранчике. Причем большой плюс в том, что во многих беззеркалках размер зоны можно произвольно менять, вплоть до очень маленькой, что позволяет бить не в бровь, а прямо в глаз.
Чуть позже совместными усилиями (сейчас уже трудно сказать, кто был первым), производители придумали сделать так называемый гибридный автофокус, когда датчики фазового АФ располагаются прямо на матрице, промеж байера. В каких-то камерах это улучшило скорость, в каких-то - нет. Например, у Canon M автофокус ощутимо медленнее, чем у конкурентов, хотя там гибридные датчики на матрице. А у фуджи скорость фокусировки вполне достойная. А у олимпуса и панасоника и без фазовых датчиков всё неплохо.
Видимо, сильно зависит все-таки от качества мозгов и алгоритмов.
В общем, здесь все еще идет брожение, и что там набродит - сказать трудно.
Например, сони выбродила в камеру с полупрозрачным зеркалом, где фазовые датчики стоят и отдельным блоком, и прямо на матрице: 102 Autofocus Points on Sony A99
И говорят, что действительно "две головы лучше". Но не со всей линейкой оптики оно работает - видимо, связано с разной скоростью и точностью моторов автофокуса в разных объективах. А может быть еще и с углом падения лучшей света на периферии матрицы. Хрен его знает.
Кэнон активно взбраживает собственный чан с фекалиями инновациями - они решили все пиксели на матрице сделать также и фазовыми датчиками автофокуса. Результатом этого старческого маразма именитой конторы будет камера Canon 70D. Вкусный или нет - неизвестно, догнать никто не может :)
А в чем мораль-то? - спросит въедливый, говнистый читатель.
Щёлкнув подтяжками и поправив очки на носу, вспомним, что бОльшая часть шедевров классического периода фотографии была сделана в режиме ручной фокусировки.
1. Чувствительность в плохих условиях освещения
2. Необходимость юстировки
3. Ошибки режима следящей фокусировки
4. Реальный размер зоны фокусировки
С ними как раз и связано 90% промахов.
Начнем с DSLR.
Для фокусировки большинство зеркальных камер использует отдельный блок фазового автофокуса. Это небольшая микросхема с датчиками, на которую проецируется картинка, прошедшая через полупрозрачное основное зеркало и отраженная потом от дополнительного малого зеркала.
Есть хорошая статья, которая объясняет, как устроен фазовый автофокус, там и картинки, и все остальное - цитировать я не буду, кому надо - сам прочтёт, написано на доступном понятном инглише с картинками: How Phase Detection Autofocus Works
Датчики фазового автофокуса должны иметь внушительную чувствительность, поскольку их достигает лишь малая часть света из объектива. Чувствительные датчики стоят дороже. На датчиках стоят линзы, обеспечивающие собственно их работу - эти линзы тоже сжирают свет. То есть нужны хорошие дорогие линзы. Плюс к этому нужно сделать очень хорошее покрытие основного зеркала, которое и отражает, и пропускает как надо. Если сделать зеркало, которое много пропускает, но мало отражает, то на датчики придется достаточно света, а вот в видоискателе картинка будет темной. Если наоборот стремиться к светлому видоискателю, то придется делать зеркало, отражающее много, а пропускающее мало. И здесь даже при идеальном качестве изготовления зеркала производителям все равно приходится идти на компромисс, решать, как делить свет между видоискателем и датчиками фазового автофокуса. Если мы недодадим света фазовым датчикам, то автофокус будет плохо работать в сумерках. Но видоискатель будет светлее. Если сделаем наоборот, то датчики получат много света, а видоискатель - мало, т.е. будет темным и неудобным для визирования.
В дешевых зеркалках с темными видоискателями, где обычно вместо хорошей светлой пентапризмы используется довольно темное пентазеркало, более дешевое в производстве, обычно делают плохо просвечивающее, но хорошо отражающее зеркало, которое основной световой поток отражает в видоискатель, а то, что останется - на фазовые датчики АФ. Получается не совсем уж темный видоискатель, но автофокусу достается мало света. Это один из факторов, ухудшающих АФ в любительских зеркалках.
Поскольку датчики фазового АФ сидят на отдельном блоке, его точное расположение внутри камеры влияет на точность АФ. Датчики довольно маленькие, линзочки тонкие, вся система прецизионная, и любое смещение туда-сюда дает ошибку АФ. Поэтом автофокус в зеркальной камере требует юстировки - как на аппаратном уровне, когда тупо подкручивают регулировочные винты, так и на программном - когда в мозги камеры в процессе калибровки на стенде с эталонным объективом-болванкой и мишенью вносят специальную таблицу поправок.
Если камера подвергается встряскам и ударам, то может потребоваться повторная юстировка.
Также проблема в том, что вся система камера-объектив обладает некой инерцией. Процессор обрабатывает данные не мгновенно, а двигатель автофокуса (в камере либо в объективе) - устройство механическое, и блок линз при фокусировке не передвигается и не тормозит моментально. Поэтому тогда, когда датчики АФ уже "почувствовали", что уже всё в резкости, и дали команду "стоп!", блок линз в объективе еще по инерции доползает какие-то доли миллиметра, и фокус оказывается не там, где надо.
Для этого внутри каждого объектива имеется микросхема, в память которой, как и в мозги камеры, заносится таблица поправок для разных дистанций фокусировки, разных фокусных расстояний (если это зум-объектив), для разных диафрагм (чтобы компенсировать эффект фокус-шифта). Эта таблица формируется и записывается в объектив также в процессе юстировки.
Проблемы со следящим автофокусом на движущихся объектах обычно связаны со всеми вышеперечисленными факторами. Но в первую очередь - с качеством алгоритмов определения движения, которые живут в мозгах камеры. Если процессор слабый или программная часть не идеальна, следящий автофокус будет неточным.
Есть и еще одна проблема, которая тоже отчасти техническая, но о ней фотографу знать важнее всего. Это размер датчиков фазового АФ.
Изначально производители камер пошли на откровенный маркетинговый обман, когда нарисовали на матовом экране квадратики датчиков АФ. Дело в том, что эти квадратики - чистая фикция, они никак не коррелируют с реальными размерами датчиков на блоке автофокуса. Ну, фотографу конечно приятнее и удобнее, когда в видоискателе зоны АФ маленькие - придает уверенности в себе, ощущение точности. А в реальности площадь датчика АФ раза в полтора-два больше, чем контуры, нанесенные на матовый экран.
В связи с этим регулярно возникает множество недоразумений, например когда фотограф прицеливается на глаз модели, а камера фокусируется на бровь, потому что на самом деле зона датчика покрывает бОльшую площадь, чем нарисовано на экранчике, а бровь оказывается при этом более контрастным объектом, чем глаз.
Поэтому при фокусировке нельзя быть уверенным, что камера фокусируется по той же самой части объекта, по которой ВЫ ДУМАЕТЕ, что она
фокусируется. И принимать меры. Не спрашивайте, какие. Вручную фокусируйтесь например. Не вы первые, не вы последние, полтора столетия люди снимают портреты с ручной фокусировкой, ничего, никто от этого не умер.
Теперь посмотрим, как дела обстоят с беззеркалками и с зеркалками в режиме лайв-вью.
Изначально там использовался контрастный автофокус. Это значит, что процессор камеры считывает картинку непосредственно с матрицы с определенной частотой и одновременно перефокусирует объектив туда-обратно, пока не будет достигнут наибольший контраст в зоне, которую фотограф выбрал для фокусировки. Этих "туда-сюда" может потребоваться несколько итераций, на что уходит время, да и картинка считывается не мгновенно.
Поэтому контрастный АФ долгое время был крайне медленным. Это же нужно считать изображение с матрицы, подать его в процессор камеры, определить степень контраста в зоне фокусировки, подать команду на объектив... В общем, не айс. Но зато точность отличная.
Понемногу процессоры и матрицы ускорились, и например в Olympus OM-D E-M5 или в панасониках контрастный автофокус работает уже очень быстро (но все равно медленнее, чем в зеркалках с фазовыми датчиками).
Кроме скорости у контрастного АФ есть также проблема чувствительности в плохих условиях освещения (и здесь она дополняется еще и шумами).
Но зато обычно при контрастном АФ нет проблемы с юстировкой, поскольку картинка считывается прямо с матрицы, и поправки на расстояние до зеркала и т.д. там не нужны. И контроль окончательной фокусировки производится также по реальной картинке с матрицы, ошибки там быть не может. А у фазового АФ такой возможности нет, он доверяется только своим кривым кое-как отъюстированным в пространстве датчикам и больше никак не может проверить правильность фокусировки.
Ошибки следящего АФ в беззеркалках также очевидны и часты, как и в зеркалках. И опять же проблема в мозгах и алгоритмах. Например тот же OM-D обладает довольно слабеньким следящим автофокусом - видимо, эту часть алгоритмов программисты не доработали должным образом.
Что касается размера зоны фокусировки, то здесь у беззеркалок и у зеркалок в режиме лайв-вью есть преимущество - фокусироваться камера будет точно в пределах квадратика, который вы видите на экранчике. Причем большой плюс в том, что во многих беззеркалках размер зоны можно произвольно менять, вплоть до очень маленькой, что позволяет бить не в бровь, а прямо в глаз.
Чуть позже совместными усилиями (сейчас уже трудно сказать, кто был первым), производители придумали сделать так называемый гибридный автофокус, когда датчики фазового АФ располагаются прямо на матрице, промеж байера. В каких-то камерах это улучшило скорость, в каких-то - нет. Например, у Canon M автофокус ощутимо медленнее, чем у конкурентов, хотя там гибридные датчики на матрице. А у фуджи скорость фокусировки вполне достойная. А у олимпуса и панасоника и без фазовых датчиков всё неплохо.
Видимо, сильно зависит все-таки от качества мозгов и алгоритмов.
В общем, здесь все еще идет брожение, и что там набродит - сказать трудно.
Например, сони выбродила в камеру с полупрозрачным зеркалом, где фазовые датчики стоят и отдельным блоком, и прямо на матрице: 102 Autofocus Points on Sony A99
И говорят, что действительно "две головы лучше". Но не со всей линейкой оптики оно работает - видимо, связано с разной скоростью и точностью моторов автофокуса в разных объективах. А может быть еще и с углом падения лучшей света на периферии матрицы. Хрен его знает.
Кэнон активно взбраживает собственный чан с фекалиями инновациями - они решили все пиксели на матрице сделать также и фазовыми датчиками автофокуса. Результатом этого старческого маразма именитой конторы будет камера Canon 70D. Вкусный или нет - неизвестно, догнать никто не может :)
А в чем мораль-то? - спросит въедливый, говнистый читатель.
Щёлкнув подтяжками и поправив очки на носу, вспомним, что бОльшая часть шедевров классического периода фотографии была сделана в режиме ручной фокусировки.