Automatinis fokusavimas: apibrėžimas, veikimas ir metodai kamerose

Sužinokite, kaip veikia automatinis fokusavimas kamerose: apibrėžimas, metodai, dviejų etapų algoritmai ir praktiniai patarimai tikslesniam bei greitesniam fokusavimui.

Automatinis fokusavimas — tai procedūra, kurios metu nustatoma tinkama objektyvo padėtis scenoje, kad vaizdas būtų aštriausias. Automatinio fokusavimo funkcija paprastai realizuojama sistemoje, kurią sudaro judantis optinis elementas (objektyvas arba jo dalis), variklis (pvz., žingsninis variklis arba VCM — voice coil motor), vaizdo jutiklis ir apdorojimo blokas, atsakingas už fokusavimo algoritmus ir sprendimų priėmimą. Automatinio fokusavimo procedūra atliekama keičiant objektyvo padėtį ir matuojant vaizdo kokybę kiekvienoje padėtyje; pozicija, kurioje gaunamas geriausios kokybės vaizdas, bus nustatyta kaip optimali fokusavimo padėtis.

Kaip vertinama vaizdo kokybė

Vaizdo kokybę galima įvertinti naudojant įvairius fokusavimo kriterijus. Dažniausiai taikomi metodai remiasi vaizdo kontrastu ir gradientais:

• Gradientai ir Sobel filtrai — matuojami kraštų stiprumas ir bendras vaizdo detalumo lygis.
• Tenengrad ir variacijos (Variance of Laplacian) — skaičiuoja intensyvumo pokyčius, kurių reikšmė padidėja aštriame vaizde.
• Moduliacijos perdavimo funkcija (MTF) arba aukštų dažnių energija — įvertina, kiek aukštų erdvinių dažnių yra fiksuojama vaizde.

Tokie matavimo metodai leidžia kompiuterinei sistemai kiekybiškai palyginti vaizdus skirtingose objektyvo padėtyse ir pasirinkti tą, kurioje vertinimo kriterijus yra maksimalus.

Fokusavimo metodai kamerose

Priklausomai nuo technologijos, automatinis fokusavimas gali būti realizuotas skirtingais būdais:

• Kontrasto nustatymas (Contrast Detection, CDAF) — sistema keičia objektyvo padėtį ir stebi, ar vaizo kontrastas didėja; privalumas — tikslumas; trūkumas — gali būti lėtesnė ir linkusi į lokalinius maksimumus.
• Fazės nustatymas (Phase Detection, PDAF) — greitas metodas, naudojamas daugelyje DSLR ir daugumos modernių fotoaparatų jutiklių; nustato fokusavimo klaidą tiesiogiai ir leidžia greitai pastumti objektyvą į reikiamą poziciją.
• Hibridiniai sprendimai — jungia PDAF ir CDAF privalumus: greitą nustatymą ir vėliau tikslinimą.
• Aktyvūs metodai — lazerinis arba infraraudonųjų spindulių atsiuntimas ir atspindžio analizė bei ultragarso matavimai; dažniau naudojami tamsoje arba specifinėse pramonės sistemose.
• Depth-from-defocus / Depth-from-disparity — metodai, leidžiantys apskaičiuoti nuotolį pagal dviejų vaizdų defokuso skirtumus arba stereoskopinius duomenis.

Fokusavimo algoritmai ir paieškos strategijos

Visi automatinio fokusavimo algoritmai sprendžia panašų uždavinį: rasti objektyvo padėtį, kurioje fokusavimo kriterijus yra maksimalus. Populiarios strategijos:

• Visas perėjimas (sweep) — pervažiuojama per visą objektyvo darbinį diapazoną su vienodu žingsniu; paprasta, bet dažnai laikui imli.
• Dvisluoksnis (coarse-to-fine) — pirmasis važiavimas per visą diapazoną su didesniu žingsniu suranda apytikslę poziciją, o antras — per siaurų intervalą su mažesniu žingsniu ją tikslina. Tai metodas, kurį galima naudoti, siekiant pagreitinti procedūrą.
• Hill-climbing / sekamas optimizavimas — pradėjus nuo pradinės pozicijos, atliekami žingsniai didinant fokusavimo kriterijų, kol pasiekiamas maksimumas; greita prieš lokaliems maksimumams jautri.
• Interpoliavimas tarp kelių geriausių padėčių (pvz., parabolės arba spline), siekiant pagerinti rezultatų tikslumą ir nustatyti optimumą tarp diskrečių žingsnių.

Fokusavimo režimai ir funkcijos vartotojui

Fotoaparatai ir vaizdo kameros dažnai siūlo kelis AF režimus, kad būtų patogiau fiksuoti skirtingas situacijas:

• Single AF (One-shot) — fiksuoja fokusą vieną kartą (naudinga statiniams objektams).
• Continuous AF (AF-C) — nuolatinis fokusavimas, seka judančius objektus.
• Tracking/Subject tracking — seka pasirinktą objektą kadravimo metu, dažnai su prognozavimu, kad kompensuotų judesį.
• Face/eye detection — atpažįsta veidus arba akis ir prioritetą teikia jiems (aktualu portretams).
• Manual override ir AF+MF — leidžia fotografui rankiniu būdu koreguoti fokusą, net esant aktyviam AF.

Kas įtakoja AF greitį ir tikslumą

• Objektyvo konstrukcija ir variklio tipas: VCM ir STM varikliai greitesni ir tylūs, o žingsniniai ar USM — greitesni sunkesniems optiniams elementams.
• Apertūra (diafragma): plačiau atvertas diafragma suteikia mažesnę gylio lauko zoną, todėl fokusavimas reikalauja didesnio tikslumo.
• Jutiklio raiška ir šviesos sąlygos: aukštesnė raiška ir pakankama šviesa pagerina fokusavimo metrų jautrumą.
• Scenos tekstūra: vienodų paviršių (pvz., plokščios sienos) fokusavimui sunkiau, nes trūksta kontrastingų detalių.
• Judėjimas: greitai judantys objektai reikalauja prognozuojančio AF arba PDAF sprendimų.

Praktinės pastabos ir problemos

Automatinis fokusavimas nėra universalus sprendimas ir gali susidurti su tam tikromis problemomis:

• Front-focus / back-focus — kai AF nuolat šiek tiek fokusuojasi prieš arba už taikinio; sprendžiama AF mikroreguliavimu arba objektyvo kalibracija.
• Lokalių maksimumų spąstai — kai kontrastinga detalė šalia pagrindinio objekto pritraukia fokusą; reikalingas tinkamas AF taškų pasirinkimas arba sekimas.
• Prasta šviesa — CDAF gali būti nepastovus; aktyvūs IR arba PDAF būdai dažnai geresni prietemoje.

Išvados ir geros praktikos

Automatinis fokusavimas — sudėtinga sistema, kuri naudoja optiką, variklius, jutiklius ir skaitmeninius algoritmus, kad surastų geriausią objektyvo padėtį. Siekiant geriausių rezultatų rekomenduojama:

• Pasirinkti tinkamą AF režimą pagal sceną (single, continuous, tracking).
• Naudoti peržiūros priemones (focus peaking, ampliacija) rankiniam tikslinimui reikalui esant.
• Jei AF sistemą reikia pagreitinti, taikyti dvisluoksnį (coarse-to-fine) paieškos metodą: pirmasis važiavimas per visą objektyvo judėjimo diapazoną su dideliu žingsniu suteiks įvertintą padėtį, kuri bus pagerinta antruoju važiavimu per mažą diapazoną su mažu žingsniu. Interpoliavimas tarp kelių geriausių padėčių gali pagerinti rezultatų tikslumą.

Apibendrinant, AF technologijų pasirinkimas (CDAF, PDAF, hibridas ar aktyvus matavimas) priklauso nuo reikalavimų: tikslumo, greičio ir sąlygų, kuriomis fotografuojama. Tinkamai sukonfigūruota ir prižiūrima AF sistema leidžia pasiekti aiškiai sufokusuotus vaizdus dažnose fotografavimo situacijose.

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra automatinis fokusavimas?

K: Kokie komponentai gali būti įtraukti į sistemą su automatinio fokusavimo funkcija?

K: Kaip atliekama automatinio fokusavimo procedūra?

K: Kaip galima įvertinti vaizdo kokybę naudojant automatinį fokusavimą?

K: Kaip pagreitinamas automatinis fokusavimas?

K: Kaip galima pagerinti automatinio fokusavimo rezultatų tikslumą?

K: Kokia yra automatinio fokusavimo svarba?

Paieška pagal raidę