Резкость с ювелирной точностью: как работают современные системы фокусировки

Те, кто еще не забыл школьный курс физики, помнят, что линза строит изображение находящихся перед ней объектов на некотором удалении от себя. Это так называемое фокусное расстояние. Однако изображение будет резким только в том случае, если предмет находится от линзы бесконечно далеко. В реальности, конечно, никаких бесконечно удаленных объектов нет, да они нам и не нужны. Ибо изображение будет резким и в том случае, если расстояние до фотографируемого предмета просто достаточно значительно.

Чем меньше фокусное расстояние линзы – или группы линз – тем ближе находится граница условной «бесконечности». Находясь за ней, предмет будет изображен резким. Объектами ближнего плана будут выглядеть размытыми. Те, что подальше – слегка, ну а самые близкие могут вообще утратить узнаваемость.

Несфокусированный кадр мало кому понравится.

Бывают случаи, когда такого эффекта мы и хотим добиться – например, так можно получить приличный кадр, несмотря на тот факт, что прямо перед объективом фотоаппарата была мелкая решетка или сетка. Ее изображение попросту размоется, несколько снизив контраст снимка – но это гораздо лучше, нежели «небо в клеточку».

Однако в большинстве съемочных ситуаций размытый передний план устроить нас никоим образом не может.

Правильная фокусировка совершенно необходима для получения технически качественного снимка.

Если известно расстояние до объекта, не составляет особого труда рассчитать и требуемое положение линзы. При использовании самых простых камер, называвшихся шкальными, фотограф измерял расстояние до фотографируемого объекта, ну а затем 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 сегодняшний день никак нельзя.

Слева – две шкальные камеры, справа – три дальномерные. Преемственность между ними очевидна.

Иное дело – другой стародавний способ, фокусировка по матовому стеклу. Если позади объектива расположить полупрозрачный экран, мы сможем увидеть изображение, которое готовимся запечатлеть. Это очень удобно и при построении кадра, и при фокусировке: не требуется уже знать расстояние до снимаемого объекта, достаточно просто поворачивать кольцо объектива до тех пор, пока изображение снимаемого предмета на матовом стекле не станет максимально резким.

Такой метод фокусировки благополучно дожил до нынешних времен, хотя и претерпел существенные изменения. Если в начале века матовое стекло вставлялось вместо пленки (или светочувствительной пластины), то позднее от такой практики по большей части отошли. Матовое стекло обрело место постоянного базирования, в видоискателе. Благодаря этому радикально выросла оперативность съемки, не требовалось уже постоянно менять местами стекло и пластину. Правда, возникла иная проблема: как сделать так, чтобы свет попадал в нужный момент на стекло, а во время экспозиции – на поверхность пленки или матрицы фотоаппарата?

Неавтофокусные зеркальные камеры, такие, как этот Киев-6с, долго 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» через мгновение светочувствительный элемент 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 используется одна линза, а для собственно фотографирования – другая, впрочем, почти такая же. Приводы фокусировки обоих объективов механически связаны, получив максимально резкое изображение в видоискателе, мы получаем четкую картинку и на сенсоре. Однако такие аппараты всегда были нишевыми, из-за необходимости покупать – а впоследствии носить с собой – два недешевых объектива вместо одного.

Двухобъективная зеркальная камера, Любитель-166С. В данном случае объективы несколько отличаются, верхний дает меньшую глубину резко изображаемого пространства, чем нижний, для повышения точности фокусировки.

Однако до наступления в шестидесятых годах прошлого века эпохи доминирования зеркальных фотоаппаратов господствовал иной метод фокусировки. На основе упоминавшихся ранее шкальных фотоаппаратов был создан еще один класс камер - дальномерных.

Мы уже вспоминали кое-какие сведения из курса физики – ну а теперь решим простенькую геометрическую задачку. Наш дальномер имеет два объектива, расположенных на известном расстоянии друг 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 настоящий момент «дальномерки» прочно ассоциируются с продукцией фирмы Leica, однако первоначально она выпускала именно шкальные фотоаппараты, а дальномер предлагался отдельно. Совместив в его видоискателе две картинки, можно было узнать точное расстояние до снимаемого объекта, и выставить его на фокусировочной шкале объектива. Да, так просто – для использования дальномера не обязательно знать принцип его работы, благо решение поставленной нами в предыдущем абзаце задачи он находит автоматически.

Однако оперативности такому методу явно не хватало, что весьма существенно осложняло съемку любых минимально динамичных сцен. Поэтому механика дальномера была в итоге сопряжена с фокусировочным приводом объектива. Отныне два процесса – измерение расстояния до объекта и наводка объектива на резкость – стали выполняться синхронно.

Была у дальномера и ахиллесова пята – его весьма проблематично использовать с длиннофокусными объективами, потому-то «зеркалки» и вырвались в свое время вперед. К тому же серьезнейший удар по позициям «дальномерок» нанес и приход в фотографию систем автофокусировки. Конструкция «зеркалок» позволяла добавить необходимые модули сравнительно легко, а у «дальномерок» такой апгрейд был бы несколько сложнее.

Зеркало, конечно, пришлось модифицировать, оно стало полупрозрачным. Теперь в видоискатель попадало только около 60 процентов собранного объективом света, остальные сорок перенаправлялись вторым, дополнительным зеркальцем прямиком на датчики автофокуса. Таким образом, зеркальная система позволяла строить кадр и производить фокусировку, глядя через тот объектив, который мгновение спустя 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. Поскольку приспособления для промера дистанции были полностью независимы от оптической системы камеры, нередко случались ошибки – камера фокусировалась вовсе не на снимаемый объект, а на какой-нибудь другой. Также система фокусировки этого типа легко могла быть обманута, скажем, обычным стеклом. Все видели кадры, привезенные незадачливым туристом из отпуска: четко различимые на окне экскурсионного автобуса царапины и отпечатки пальцев, а на заднем плане – едва узнаваемые, размытые контуры достопримечательностей.

Посему долгое время превосходство «зеркального» автофокуса над всеми другими его видами было абсолютным. Но с приходом цифровой фотографии ситуация приобрела более интересный оборот, а некоторые и вовсе заговорили об «устарелости» и «ненужности» зеркала в цифровом фотоаппарате. Так ли это?

На первый взгляд может показаться, что да. Цифровые камеры, в отличие от пленочных, имеют возможность фокусироваться прямо по изображению на матрице. Такой подход выглядит очень 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 совершенно идентичны по протяженности. Если расстояние от задней линзы объектива до фокусировочного экрана не равно дистанции до датчиков автофокуса, сфокусированная картинка будет казаться нам нерезкой. И наоборот, кадр, который мы сочтем в момент съемки резким, будет в реальности несфокусированным. Эталонным является, естественно, расстояние до поверхности матрицы или фотопленки. Чтобы добиться нужного нам равенства, зеркальную камеру приходится оборудовать специальной системой юстировки зеркал, датчиков автофокуса и матового экрана. Если система должным образом не настроена, появляется постоянная ошибка 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 чуть погодя изображение. Соответственно, фронт- и бэкфокус появиться не могут.

У «зеркалом» было еще одно преимущество – они позволяли смотреть на мир через объектив, причем через тот самый, с помощью которого мы ведем съемку. Ни «дальномерки», ни пленочные компакты такой возможности не имели. Камеры этих типов традиционно оснащались независимыми видоискателями, обладавшими собственными объективами, пусть и простенькими. В результате мы сталкивались с явлением параллакса – смещения изображения объекта относительно реальных границ кадра. Так, расположенный близко к объективу цветок может попасть в кадр, будучи невидимым в такого рода видоискателе. Параллакс особенно затруднял макросъемку, однако доставлял существенные хлопоты и любителям других жанров. Каждый хоть раз сталкивался с попавшим на край кадра размытым изображением пальца фотографировавшего – если б его можно было заметить 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 можно приблизительно понять, какое влияние на результат окажет изменение тех или иных настроек.

Итак, на первый взгляд все выглядит замечательно, и будущее действительно за фокусировкой по изображению на матрице. Однако если присмотреться внимательнее, нарисованная нами благостная картина начинает стремительно меняться.

Во-первых, контрастный автофокус по изображению на основной матрице работает довольно медленно. Вначале с матрицы считывается изображение, затем оно анализируется процессором. Потом объектив слегка 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 – сразу после того, как мы ее проскочили. Отыгрываем чуть назад, и только теперь можно снимать.

Видите, сколько действий надо выполнить? Вот отсюда и берется, ставшая уже притчей во языцех, «тормознутость» цифровых «мыльниц». Разумеется, производители боролись с такого рода задержками, но что они могут сделать? Самое очевидное решение – увеличить скорость выполнения всех операций. Это отлично 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 неплохо помогают нам в этом. А вот «ерзанье» объектива не ускоришь практически никак, тут ограничения накладывает прочность конструкции фотоаппарата. Слишком быстрые движения снизят надежность до неприемлемо низкого уровня.

Поэтому инженеры пошли другим путем – они всеми способами сокращали необходимое количество движений объектива. Начали использоваться разнообразные «интеллектуальные» алгоритмы, призванные угадать, куда и на сколько надо смещать линзы. Вообще говоря, на подобных принципах работает наша система «глаз-мозг», и не сказать, чтобы плохо. Проблема лишь в том, что для достижения такого уровня эффективности фотоаппарату нужна полноценная система искусственного интеллекта. А ее, увы, пока что не существует. Посему в результате увеличения скорости фокусировки – весьма относительного, конечно, отнюдь не до уровня приличных «зеркалок» - зачастую заметно 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 немало энергии, а аккумулятор имеет свойство разряжаться в самый неподходящий момент. В далеком походе, когда от ближайшей розетки вас могут отделять десятки и сотни километров, такая «прожорливость» серьезно осложняет жизнь. К тому же при фокусировке и визировании у компакта нагревается матрица. Конечно, кулер на нее ставить не потребуется, но вот уровень 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 понять его устройство, проследим за путем, проделываемым внутри фотоаппарата лучом света. Пройдя сквозь 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. Именно поэтому, кстати, можно слышать 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 пленка или матрица. Каждый датчик состоит из двух призм, направленных на вторичное зеркальце так, чтобы они «видели» диаметрально противоположные точки в оправе объектива. Самые внимательные читатели могли уже заметить некоторое сходство с обсуждавшимся выше дальномером, с базой в несколько сантиметров.

Соответственно, мы имеем два изображения: если они одинаковые, значит, объект в фокусе, все замечательно. Если нет, то по фазе – сиречь сдвигу картинок друг относительно друга - можно определить, куда требуется передвинуть линзы объектива, чтобы достичь бритвенной резкости.

Для захвата изображения в датчике используется обычно две миниатюрных КМОП-матрицы. Их ширина – всего лишь один пиксель, зато длина – несколько десятков. Обычно этого достаточно, чтобы отследить взаимное смещение наиболее и наименее контрастных деталей анализируемого фрагмента изображения.

Однако периодически возникают некоторые сложности. Нетрудно догадаться, что наиболее простой для фокусировки с помощью датчика такого типа объект должен иметь 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 обнаружить смещение картинки не удастся.

Чтобы исправить этот недочет, некоторые фирмы – например, Canon – стали делать фокусировочные матрицы более широкими, не в один пиксель, а в несколько. Но полностью проблема устранена не была.

Однако инженерная мысль не стоит на месте – и вот уже созданы крестовые датчики. Такие состоят не из двух, а из четырех матриц, расположенных под углом 90 градусов друг к другу. Крестовой датчик легко 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 обычно 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 делать до одиннадцати кадров в секунду, и при этом успевает перефокусироваться перед каждым спуском затвора. Используя контрастный автофокус, таких результатов не достичь.

Есть также специальные датчики, включающиеся только в том случае, если в данный момент используется светосильное стекло. Очевидно, что светосила тесно связана с физическим размером применяемых при создании объектива линз, а потому «светлое» стекло позволяет увеличить базу нашего псевдодальномера. Благодаря этому возрастает точность фокусировки, что весьма 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» множество датчиков фокусировки. Иногда даже возникает вопрос: не переборщил ли производитель с их количеством? В самом деле, чем их больше, тем большее время придется затратить на выбор 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 процесс позволяет нам заметно улучшить качество следящего автофокуса. Когда мы включаем режим «слежки», камера не только фокусируется на выбранном объекте, но и постоянно 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 мало – движущийся объект все время двигается, и за счет этого постоянно попадает в «слепые зоны» камеры – если, конечно, они есть. Камера теряет цель и перефокусируется на фон, ну а для выправления ситуации времени уже нет, сцена-то динамичная.

Однако множество точек фокусировки бывает необходимо и при съемке статики. В большинстве случаев, конечно, хватает и центральной, даже если нужный нам объект расположен и не в центре будущего кадра – можно сфокусироваться и перестроить кадр так, как заблагорассудится.  Однако такой метод не пойдет в том случае, если глубина резкости крайне мала; такое бывает, например, при съемке портрета, когда надо сделать акцент на глаза модели. В этом случае кадрирование надо производить до фокусировки, иначе 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 любой части изображения. Что ж, при съемке портрета такое и в самом деле возможно, но вот при фотографировании динамики преимущество фазового автофокуса будет драматическим, просто за счет скорости, даже если датчиков в имеющемся фотоаппарате мало.

Преимущества фазового автофокуса впечатляют, но, как мы помним, его наличие – прерогатива «зеркалок». Инженерам очень, очень хотелось внедрить его и в компактные камеры, а это невозможно без появления «слепых зон», делить световой поток-то нечем. Конечно, в том случае, если фокусироваться по картинке, создаваемой главным объективом. Однако никто не мешает вынести систему автофокуса вовне, снабдив парочкой независимых объективов; сходство с дальномером усиливается. Метод хорош всем, кроме того, что в реальности совершенно не работает.

Да, компакты с внешним фазовым автофокусом иногда встречаются, однако толку от такой «продвинутости» нет – скорость фокусировки не возрастает. Отчасти в этом виноват малый базис системы, обычно он не дотягивает и до сантиметра. Ну а если разнести вспомогательные объективы подальше, возникнет проблема с точностью, фотоаппарат будет наводиться строго туда, куда сочтет нужным. Короче говоря, рассчитывать 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 настоящий 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 ровно то, что происходит сейчас, а не в прошлом – конечностью скорости света в данном случае можно смело пренебречь.

Ладно, предположим, сцена статична – удобно ли в этом случае фокусироваться по эранчику? Нет, если только фотоаппарат не умеет при включении режима ручной фокусировки показывать 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 всегда снабжен механизмом диоптрийной подстройки, что здорово облегчает жизнь людям с неидеальным зрением. А вот пользоваться экранчиком им бывает зачастую довольно сложно, приходится то снимать, то надевать очки. Не смотреть же на мир исключительно через экран камеры?

Короче говоря, на настоящий момент так и не создана система фокусировки, превосходящая «устаревшую» связку «зеркало – фазовый датчик». Так что все разговоры о скорой смерти «зеркалок» следует считать несколько преувеличенными. Они еще долго будут доминировать в тех областях, где требуется быстрая и точная фокусировка.