ABC fotografii cyfrowej cz. 8 - Autofocus cz. 1

W dzisiejszym odcinku naszego ABC zajmujemy się tematem wykraczającym poza fotografię cyfrową. W pierwszej części materiału poświęconego systemom automatycznego ustawiania ostrości omawiamy różnicę między metodami pasywnymi i aktywnymi oraz wyjaśniamy szczegółowo zasadę działania autofocusa opartego na detekcji kontrastu. Zapraszamy!
Autofocus, czyli automatyczne ustawianie ostrości na fotografowany obiekt, to jeden z najtrudniejszych problemów fotografii, nie tylko cyfrowej. Równocześnie jest to bodaj najważniejszy parametr niezbędny do uzyskania poprawnego technicznie zdjęcia. Obróbka w komputerze pozwala na rozjaśnianie, przyciemnianie, zmianę kontrastu, zmianę nasycenia kolorów i wykonanie wielu innych korekt, ale ze zdjęciem nieostrym nie można praktycznie nic zrobić. Programowe "poprawianie" ostrości to nic innego jak zwiększanie kontrastu, dające jedynie optyczne złudzenie poprawy ostrości.

Przypomnijmy warunki powstania ostrego obrazu na kliszy, filmie czy matrycy.
Dla jasności rozważań omówimy aparat z obiektywem jednosoczewkowym. W latach 20. poprzedniego wieku taki zestaw wystarczał do zrobienia zdjęcia. Schemat takiego zestawu na poniższej ilustracji.

rys. 1 - schemat budowy aparatu z jednosoczewkowym obiektywem

Warunkiem powstania ostrego obrazu na matrycy jest spełnienie równania 1/x + 1/y = 1/F, w którym F jest ogniskową obiektywu. Przyjmując stałą odległość obiektywu od fotografowanego przedmiotu (x), ostrość ustawiamy regulując y, czyli odległość obiektywu od matrycy. Obiektyw aparatu to kilka do kilkunastu odpowiednio pogrupowanych soczewek, ale do naszych rozważań model z rys.1 jest lepszy, gdyż prostszy do zrozumienia. Dalszy opis automatycznego ustawiania ostrości, czyli funkcji autofocusa, ograniczymy do aparatów cyfrowych, aby nie wprowadzać zbędnych wątków rozpraszających uwagę czytelnika.

Istnieją dwa podstawowe typy autofocusa:
  • aktywny
  • pasywny

AUTOFOCUS AKTYWNY
To taki system ustawiania ostrości, w którym aparat jest źródłem sygnału mierzącego odległość od fotografowanego obiektu. Sygnałem tym może być wiązka promieniowania podczerwonego lub fala ultradźwiękowa. Aparat wysyła sygnał, który odbija się od fotografowanego obiektu i wraca do aparatu. Procesor rejestruje czas mijający od wysłania do powrotu i ze wzoru na drogę w ruchu jednostajnym (S = v * t droga równa się prędkość pomnożona przez czas trwania ruchu) oblicza x z rys.1, które jest równe połowie drogi przebytej przez sygnał pomiarowy (od aparatu do obiektu i z powrotem), czyli x = S / 2. Procesor aparatu znając odległość x i aktualną długość ogniskowej F, wylicza y i ustawia obiektyw w takiej właśnie odległości od matrycy, co zapewnia ostrość obrazu. W tym systemie aparat mierzy odległość na tej samej zasadzie co radar, ale nie wykorzystuje do tego mikrofal (czyli fal radiowych o długości rzędu centymetra), a najczęściej ultradźwięki lub światło podczerwone.

UWAGA. Lampka wspomagająca system automatycznego ustawiania ostrości montowana w większości cyfrowych aparatów kompaktowych nie ma nic wspólnego z aktywnym autofocusem, o czym napiszemy w drugiej części niniejszego artykułu.

Aparaty, w których zastosowano aktywny autofocus, należą już teraz do rzadkości, nie będziemy więc zajmować się szczegółami rozwiązań technicznych tej metody.

AUTOFOCUS PASYWNY
Poprawniej po polsku byłoby używać nazwy "autofocus bierny", ale określenie "pasywny" jest powszechnie przyjęte, nie będziemy więc tworzyć własnego słownictwa. Ten system ustawiania ostrości ma dwie odmiany. Jedna polega na takim ustawieniu odległości obiektywu od matrycy (y), by uzyskać największy kontrast obrazu. Druga odmiana pasywnego autofocusa to pomiar odległości od aparatu do fotografowanego obiektu metodami wykorzystującymi zasady triangulacji (o czym szczegółowo napiszemy za tydzień). Metoda maksymalizacji kontrastu jest najczęściej stosowana w aparatach kompaktowych, czyli tych najpopularniejszych i dlatego omówimy ją na początku.

Kontrastowe ustawianie ostrości
Zdjęcie zamieszczone poniżej doskonale demonstruje zagadnienie głębi ostrości, ale zwróćmy uwagę na inny jego aspekt.


Elementy nieostre na powyższym zdjęciu są mało kontrastowe. Im większa ostrość, tym bardziej kontrastowy jest obraz i ta zależność jest wykorzystywana do automatycznego ustawiania ostrości. Schemat działania autofokusa w tym systemie najlepiej wyjaśnić poprzez opis kolejnych etapów ustawiania ostrości.

  1. Kierujemy aparat w stronę fotografowanego obiektu.
  2. Procesor wczytuje wybrany fragment zdjęcia.
  3. Odpowiedni program analizuje ten fragment, szukając obszarów, które możliwie mocno różnią się jasnością lub barwą.
  4. Procesor zapisuje w pamięci położenie znalezionych obszarów i różnicę ich jasności.
  5. Program ustawiania ostrości zmienia nieco odległość obiektywu od matrycy, np. zwiększa ją.
  6. Procesor wczytuje ponownie wybrany fragment zdjęcia i analizuje kontrast obszarów zapamiętanych w punkcie 4.
  7. Jeżeli kontrast jest teraz większy, to program ustawiania ostrości ponownie zwiększa odległość obiektywu od matrycy.
  8. Jeżeli po zwiększeniu odległości obiektywu od matrycy kontrast wybranych do analizy punktów zmniejszy się, program zaczyna zmniejszać tę odległość.

  9. Taką metodą kolejnych zmian położenia obiektywu względem matrycy, wykonywanych coraz mniejszymi krokami, program ustawia obiektyw w położeniu dającym największy kontrast, co jest równoznaczne z najlepiej ustawioną ostrością. Omówmy kolejne etapy tego procesu nieco dokładniej.

    Punkt 2. jest w praktyce wczytywaniem nie jednego, ale nawet kilkunastu fragmentów obrazu wytworzonego na matrycy. W lepszych aparatach możemy wybrać tryb pracy autofocusa ciągły lub pojedynczy. W trybie ciągłym system AF cały czas pracuje, analizując fragmenty obiektów, na które jest skierowany, i w momencie naciśnięcia spustu migawki mamy już ostrość ustawioną. W trybie pracy pojedynczej ostrość zaczyna być ustawiana dopiero po wciśnięciu spustu do połowy. Tryb pojedynczy charakteryzuje się więc pewnym opóźnieniem między naciśnięciem przycisku a zrobieniem zdjęcia. Jeżeli w tym trybie naciśniemy spust migawki do końca, zdjęcie i tak zostanie wykonane dopiero po ustawieniu ostrości, co może trwać zauważalny ułamek sekundy. Tryb ciągły nie ma tego opóźnienia, ale powoduje szybsze zużycie akumulatorów i ruchomych części obiektywu, które cały czas przystosowują położenie obiektywu do otrzymania najlepszej ostrości widzianej przez aparat sceny.

    W punkcie 3. analizowany jest kontrast wszystkich wczytanych fragmentów zdjęcia. Odpowiednie programy zapisane w pamięci procesora wyznaczają wypadkowy kontrast, będący bardzo skomplikowaną funkcją położenia poszczególnych fragmentów branych do analizy.

    System pracy autofocusa oparty na ustawianiu największego kontrastu daje bardzo dokładne ustawienie ostrości, ale działa dość wolno, szczególnie w aparatach kompaktowych z jedną matrycą światłoczułą, służącą zarówno do rejestracji zdjęcia, jak i do ustawiania ostrości oraz pomiaru ekspozycji. W lustrzankach montowane są dodatkowe małe matryce systemów AF wykorzystujących metodę największego kontrastu. Zwiększa to szybkość działania, ale ma pewną wadę. Pozycja tej dodatkowej matrycy musi być dobrana z dokładnością do tysięcznych części milimetra, a jej minimalne przemieszczenie w stosunku do matrycy rejestrującej zdjęcia powoduje nieprawidłowe ustawienie ostrości. Obraz będzie wtedy ostry na tej dodatkowej matrycy, a nieco rozmyty na głównej, rejestrującej zdjęcie. Nietrudno o takie przemieszczenie matryc względem siebie choćby w wyniku upadku aparatu na ziemię. Warto o tym pamiętać, ponieważ usterka ta może być zauważalna dopiero na nieostrych zdjęciach.

    Przypomnimy, że rys. 1 jest ogromnym uproszczeniem, a obiektyw nawet najtańszego kompaktowego aparatu składa się z przynajmniej kilku soczewek.

    AF-S VR Zoom-Nikkor 70-300 mm f/4.5-5.6G IF-ED

    schemat budowy obiektywu AF-S VR Zoom-Nikkor 70-300 mm f/4.5-5.6G IF-ED

    Ustawianie ostrości nie polega na zmianie odległości całego obiektywu od matrycy, ale na przesuwaniu pewnej grupy soczewek w obrębie jego obudowy. Za tę czynność odpowiada silniczek elektryczny, w nowszych obiektywach jest to silnik ultradźwiękowy (np. Canon oznacza go symbolem USM, z ang. UltraSound Motor). Jest to urządzenie wykorzystujące drgania o częstotliwościach powyżej 20 kHz, czyli niesłyszalne dla człowieka. Odpowiedni mechanizm zamienia te drgania na ruch postępowy, przesuwający soczewki.

    Pasywna metoda ustawiania ostrości jest skuteczna podczas fotografowania przez szybę, np. samochodu. Przezroczyste przedmioty na drodze obiekt fotografowany - aparat nie zakłócają pracy takiego systemu. W metodach aktywnych, opartych na pomiarze czasu przebiegu sygnału wysłanego z aparatu, czas ten jest zmieniany przez przeszkody, co prowadzi do wyznaczenia błędnej odległości do obiektu.

    Kontrastowe ustawianie ostrości - szczegóły
    W aparatach kompaktowych do wyznaczania kontrastu wybierany jest wąski, poziomy wycinek zdjęcia. Wycinków takich może być branych pod uwagę kilka, ale są one usytuowane poziomo i procesor porównuje jasność kolejnych pikseli "przeglądając" je z lewa na prawo lub z prawa na lewo. Ta informacja ma duże znaczenie praktyczne. Procesor znajduje bowiem kontrast i ustawia ostrość na krawędzie pionowe znajdujące się w polu widzenia aparatu. Jeżeli fotografujemy obiekt mający wyłącznie krawędzie poziome, to autofocus tego typu może nie zadziałać. Demonstrujemy to kilkoma zdjęciami kolorowego paska papieru naklejonego na dużą białą powierzchnię.

    fot. 1 - Zdjęcie czerwonego paska papieru. Ramka pokazuje fragment brany do ustawiania kontrastu a tym samym ostrości. Brak pionowych krawędzi w obszarze tej ramki powoduje, że autofocus nie potrafił ustawić ostrości.


    fot. 2 - Fragment fot. 1 wykorzystywany, bez sukcesu, do ustawienia ostrości.


    fot. 3 - Zdjęcie czerwonego paska papieru. Ramka pokazuje fragment wykorzystywany do ustawiania kontrastu a tym samym ostrości. Obecność pionowej krawędzi umożliwiła systemowi AF ustawienie ostrości.


    fot. 4 - Fragment zdjęcia z fot. 3 przed i po ustawieniu ostrości przez autofocus. Ustawienie obiektywu zostało tak dobrane, by kontrast na pionowej krawędzi czerwonego paska był największy.


    Na tym zakończymy I część artykułu, w której umieściliśmy przede wszystkim opis ustawiania ostrości metodą maksymalizacji kontrastu. Szczegóły rozwiązań technicznych i algorytmów (przepisów obliczeniowych) tej metody są bardzo skomplikowane, a ich znajomość potrzebna jedynie konstruktorom aparatów. Poza tym takie informacje są bardzo pilnie strzeżoną tajemnicą producentów, gdyż skrócenie czasu ustawiania ostrości choćby o kilka setnych części sekundy to zwiększenie konkurencyjności danego modelu.

    W drugiej części artykułu omówimy najczęściej stosowane systemy automatycznego ustawiania ostrości oparte, w mniejszym lub większym stopniu, na metodzie triangulacji oraz metody hybrydowe, w których do szybkiego i precyzyjnego ustawiania ostrości wykorzystuje się zarówno maksymalizację kontrastu, jak i triangulacyjny pomiar odległości aparatu do fotografowanego obiektu. Zapraszamy!

    Autor jest profesorem na Wydziale Fizyki Uniwersytetu im. A. Mickiewicza w Poznaniu.
 
Komentarze
Polecane artykuły
Ilya Shtutsa: „Dobra fotografia jest darem“
5 Lis 2018
O swoich początkach, darze jakim jest fotografia czy wpływie prac Arnolda Mindella opowiada nam Ilya Shtutsa - rosyjski entuzjasta street’a, który opisuje fotografię jako grę o nieprzewidywalnym wyniku.
1
Najnowsza sesja Vanity Fair należała do Polaków
2 Lis 2018
Suspiria, włoski horror z lat siedemdziesiątych, doczekał się odświeżenia i właśnie wchodzi na ekrany polskich kin. W obsadzie znalazły się takie gwiazdy jak Tilda Swinton i Dakota Johnson, ale zagrała w nim również Polka - Małgosia Bela. Postprodukcję obszernej sesji obsady filmu dla włoskiego Vanity Fair wykonało studio House OF Retouching.
0
Oded Wagenstein: „Nie możesz po prostu pojawić się u kogoś w drzwiach i poprosić o zdjęcie”
1 Lis 2018
W syberyjskiej wiosce Yar-Sale mieszka grupa starszych kobiet. Większość dni spędzają w odosobnieniu, odizolowane od świata, który kochały. Podczas gdy mężczyźni zwykle zachęcani są do pozostania w migrującej społeczności i utrzymania ról społecznych, kobiety muszą same radzić sobie ze starością. Fotograf Oded Wagenstein przybliża ich historię w projekcie “Forgotten Like Last Year’s Snow”.
0
Siena International Photo Awards 2018 to piękno świata pod różną postacią
30 Paź 2018
Za nami już czwarta edycja prestiżowego konkursu Siena International Photo Awards. W tym roku zwycięzcą został K M Asad - freelancer współpracujący między innymi z Getty Images. Jednak wśród laureatów nie zabrakło też Polaków. III miejsce w kategorii „The beauty of the nature“ zajął Mariusz Potocki, a Bartłomiej Jurecki otrzymał wyróżnienie w sekcji „Journeys & Adventures“.
0