Autofokuss: definīcija, darbības princips un galvenie komponenti

Automātiskā fokusēšana ir procedūra, ar kuras palīdzību objektīvs atrod pareizo pozīciju attiecībā uz ainu. Automātiskās fokusēšanas funkciju var nodrošināt sistēma, kas ietver kustīgu optisko elementu, motoru, attēla sensoru un apstrādes bloku. Automātiskās fokusēšanas procedūra tiek veikta, mainot objektīva pozīciju un veicot attēla kvalitātes mērījumus katrā pozīcijā. Pozīcija, kas nodrošina vislabākās kvalitātes attēlu, tiek izmantota kā vislabākā fokusēšanas pozīcija.

Attēla kvalitāti var novērtēt, izmantojot attēla gradientus. Lai paātrinātu autofokusa procedūru, autofokuss tiek veikts divos posmos: pirmais piegājiens visā objektīva kustības diapazonā ar ievērojamu soli nodrošinās aplēsto pozīciju, kas tiks uzlabota otrajā piegājienā mazā diapazonā ar nelielu soli. Interpolācija starp dažām labākajām pozīcijām var uzlabot rezultātu precizitāti.

Kas vēl jāzina par autofokusu

Autofokuss tiek izmantots gan fotokamerās, gan videokamerās, tā mērķis ir ātri un precīzi noteikt skaidru fokusu pat mainīgos apgaismojuma un kustības apstākļos. Mūsdienu sistēmas apvieno vairākus principus un algoritmus, lai nodrošinātu labāku veiktspēju dažādās situācijās.

Galvenie autofokusa veidi

• Kontrasta noteikšana (Contrast-Detect): izmanto attēla kontrasta mērījumus sensora izejā. Strādā precīzi, taču var būt lēnāka un “meklējoša” (focus hunting), jo meklē pozīciju, kur kontrasts ir maksimāls.
• Fāžu noteikšana (Phase-Detect): salīdzina atsevišķu gaismas staru fāzes nobīdi, lai tieši noteiktu fokusa virzienu un attālumu. Ātra un efektīva kustīgu objektu izsekošanai. Mūsdienās bieži tiek iebūvēta sensora pikseļos (on-sensor PDAF).
• Hibrīdais autofokuss: apvieno kontrastu un fāžu noteikšanu — fāzes noteikšana nodrošina ātru aptuveno pozīciju, bet kontrasta mērījumi to precizē.
• Speciālās metodes: piemēram, Dual Pixel, lai uzlabotu precizitāti un sejas/acu izsekošanu.

Galvenie komponenti

• Objektīvs un kustīgie optiskie elementi: fiziski maina attālumu starp optikas elementiem, lai mainītu fokusu.
• Motors: steppers, autofocus motors (USM, STM u.c.) pārvieto optiku. Motora raksturlielumi ietekmē ātrumu, trokšņu līmeni un precizitāti.
• Attēla sensors un AF sensori: nodrošina nepieciešamās informācijas mērījumus (kontrasts, fāze).
• Apstrādes bloks un algoritmi: izvērtē mērījumus, izdara lēmumus par fokusa virzienu un soļa lielumu, veic interpolāciju.

Fokusēšanas meklēšanas stratēģijas

• Coarse-to-fine (rupjš-precīzs): vispirms tiek veikts plašs skenēšanas piegājiens ar lielākiem soļiem, pēc tam lokāli precizē ar mazākiem soļiem — tas aprakstīts sākotnējā tekstā.
• Hill-climbing (pakāpeniska optimizācija): algoritms virzās tajā virzienā, kur attēla kvalitātes metri uzlabojas, līdz tiek atrasts lokālais maksimums.
• Interpolācija: izmanto vairākus mērījumus blakus pozīcijām, lai ar matemātisku interpolāciju noteiktu optimālo pozīciju starp fizikālajiem soļiem — tas uzlabo precizitāti.

Fokusa kvalitātes mērījumi

Visizplatītākie mērījumi un metri, ko izmanto autofokusā:

• Attēla gradienti: novērtē, cik strauja ir intensitātes maiņa attēlā — laba pazīme ass detaļām.
• Laplacian un citi frekvenču metri: koncentrējas uz augstām frekvencēm (līnijas, tekstūras).
• Konfidence (uzticamības) rādītāji: daudzi sistēmu ražotāji piešķir katram fokusa rezultātam ticamības vērtējumu, ko izmanto lēmumu pieņemšanā (vai atkārtot mērījumu, vai akceptēt).

Tipiskas problēmas un kompromisi

• Zems kontrasts un slikts apgaismojums: objektīvi grūtāk noteikt fokusu; AF var “kliegt” vai kļūt neprecīzs.
• Kustīgi objekti: nepieciešama ātra fāžu noteikšana vai prognozēšanas algoritmi (servo/AF-C režīmi).
• Dziļuma lāse (depth of field): ar lielu diafragmas atvērumu fokuss kļūst jutīgāks pret nelielām nobīdēm — nepieciešama lielāka precizitāte.
• Priekšējā/atpakaļējā fokusa kļūdas (front/back focus): var būt nepieciešama kropulēšana vai kameras/objektīva mikrokorekcija.

Modi un funkcijas fotogrāfijā

• Single AF (AF-S/One-Shot): fokusē vienu reizi un bloķē fokusu — piemērots statiskām ainām.
• Continuous AF (AF-C/Servo): nemitīgi seko fokusā esošajiem objektiem — labākais kustīgām situācijām.
• Tracking un face/eye detection: mūsdienu kameras atpazīst cilvēku sejas un acis, prioritizējot tās fokusa noteikšanā.
• Manual override (rokas režīms): dažkārt nepieciešams manuāls uzlabojums vai korekcija.

Praktiski padomi

• Izvēlies pareizo fokusa režīmu: statiskām ainām — AF-S, kustīgām — AF-C.
• Izmanto lielus fokusa punktus vai zonas: ja objekts kustas, plašākas zonas palīdz uzturēt fokusu.
• Kontrolē diafragmu: mazāka diafragma (lielāks f-skaitlis) palielina dziļuma lāsi un atvieglo fokusēšanu, bet samazina gaismas daudzumu.
• Kameras mikrokorekcija: ja pamanāmas konsekventas kļūdas, izmanto kameras vai objektīva AF mikroregulāciju.

Apkopojot — autofokuss ir kombinācija no optikas, mehānikas un algoritmiem. Pareizs algoritmu un hardvera salikums, kā arī uzticas mērījumu izvēle (piemēram, attēla gradienti) nosaka, cik ātri un precīzi sistēma spēj noteikt skaidru attēlu dažādos apstākļos.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir autofokuss?

J: Kādi komponenti var būt iekļauti sistēmā ar autofokusu?

J: Kā tiek veikta autofokusa procedūra?

J: Kā var novērtēt attēla kvalitāti autofokusēšanas laikā?

J: Kā tiek paātrināts autofokuss?

J: Kā var uzlabot autofokusa rezultātu precizitāti?

J: Kāda ir autofokusa nozīme?

Meklēt pēc burta