ABC fotografii cyfrowej cz. 9 - Autofocus cz. 2

W dziewiątym odcinku naszej serii opisujemy dokładnie bardziej zaawansowane metody pracy systemu automatycznego ustawiania ostrości oraz przedstawimy ich podstawy teoretyczne.
Metody autofokusa oparte o zasadę triangulacji
Triangulacja to metoda stosowana w geodezji do mierzenia dużych powierzchni, polegająca na pokryciu mierzonego obszaru siecią trójkątów. Nieco inna definicja mówi, że jest to metoda wyznaczania współrzędnych punktów geodezyjnych w terenie za pomocą układów trójkątów tworzących sieć triangulacyjną. W literaturze fachowej dotyczącej fotografii używany jest czasami termin "metody triangulacyjne pomiaru odległości" ale nie jest to zbyt szczęśliwie dobrane słownictwo. Triangulacja jest, we wszystkich słownikach i encyklopediach, opisywana jako metoda stosowana w geodezji do pomiarów powierzchni.

Pojedynczym krokiem realizującym triangulację jest wyznaczanie współrzędnych punktu C, na podstawie znajomości współrzędnych punktów A i B oraz odpowiednich kątów. Ten etap triangulacji jest tym co wykorzystuje się dla ustawiania ostrości w aparacie fotograficznym. Wyjaśnimy to na rysunku.

rys. 2: zasada pomiaru odległości metodą triangulacji

Z dwóch punktów A i B odległych o d, mierzymy kąty (alfa) i (beta) do punktu C. Znajomość trygonometrii pozwala wyliczyć odległość x od punktu C do odcinka łączącego punkty obserwacji. Oznaczyliśmy tę odległość przez x, gdyż w naszych rozważaniach jest to odległość od aparatu do fotografowanego obiektu na rys.1 w części 1. tego artykułu. Wynik pomiaru jest tym dokładniejszy, im większa jest długość odcinka d, zwanego bazą. Taka metoda pomiaru odległości do obiektu fotografowanego stosowana jest w aparatach tzw. dalmierzowych.

Do aparatu wpadają promienie świetlne przez dwa oddalone od siebie punkty. Nie mierzymy kątów i nie wykonujemy obliczeń, lecz obracając pierścieniem ustawiania ostrości, sprzężonym z odpowiednio usytuowanymi zwierciadłami lub pryzmatami, "zgrywamy" położenie dwóch kawałków obrazu widocznych w celowniku. To zgrywanie polega na poprawnym ustawieniu przesuniętych względem siebie fragmentów obrazu.

Metoda ustawiania ostrości z bezpośrednim wykorzystaniem zasady z rys. 2 jest rzadko stosowana w aparatach cyfrowych, nie będziemy więc opisywać jej szczegółowych rozwiązań.

W przypadku aparatów fotograficznych nie interesują nas wartości kątów (alfa) i (beta) a jedynie takie ustawienie obiektywu, aby jego odległość y z rys.1. od matrycy spełniała równanie:

1/x +1/y = 1/F

zapewniając ostre odwzorowanie punktów odległych o x od aparatu. Istnieją dziesiątki o ile nie setki rozwiązań technicznych opartych na wykorzystaniu idei pomiaru odległości x przedstawionej na rys.2.

W przypadku lustrzanek, w których metody te są stosowane, bazę do pomiaru stanowi średnica otworu obiektywu. Światło wpadające przez lewy i prawy skraj obiektywu rozdzielane jest układem półprzeźroczystych lusterek lub pryzmatów i kierowane jest na dwie małe matryce światłoczułe. Może to być też jedna nieco większa matryca. Idea jest taka, by osobno rejestrować obraz wytworzony przez skrajne części obiektywu. Odległość d z rys.2 to w przybliżeniu średnica otworu obiektywu. Wszystkie metody pomiaru odległości do fotografowanego obiektu oparte o opisaną tu ideę rejestrowania obrazów wytworzonych przez promienie wchodzące do aparatu przez skrajne obszary obiektywu nazywane są metodami detekcji fazy, czy dokładniej ? detekcji różnicy fazy. Czym w takim razie jest ta faza? Wyjaśnimy to w oparciu o rys.3.

rys.3: wyjaśnienie pojęcia fazy i różnicy faz rozchodzących się fal świetlnych

Część A to schemat fali świetlnej rozchodzącej się w kierunku x. Długość fali (lambda) zaznaczono czarnym odcinkiem zakończonym strzałkami. Długości fal światła widzialnego leżą w przedziale od około 400 nm do 700 nm, co w przeliczeniu na milimetry (bardziej przemawiające do naszej wyobraźni) wynosi od 0,0004 mm do 0,0007 mm. A więc są to bardzo krótkie, z punktu widzenia człowieka, odcinki. Światło to fala elektromagnetyczna ale za efekty widziane przez człowieka odpowiadają drgania pola elektrycznego. Drgania te odbywają się prostopadle do kierunku rozchodzenia się światła, co symbolizuje zielona strzałka. Fazą fali nazywamy aktualne wychylenie drgającego pola elektrycznego. Nie jest to precyzyjna definicja fazy ale nie jest nam potrzebna dokładniejsza. Bardziej potrzebnym dla naszych rozważań pojęciem jest różnica faz.

Część B i C rys.3 przedstawia dwie wiązki światła, które wyszły z tego samego punktu w tym samym czasie ale do momentu uwidocznionego na rysunku przebyły nieco różne odległości. Ta różnica przebytych dróg wynosi tutaj 1/4 długości fali i zaznaczona jest na rys. 3 odcinkiem koloru fioletowego. Mówimy, że fale te mają różnicę faz 1/4 (lambda). Odpowiednie urządzenia optyczne pozwalają mierzyć tak maleńkie odległości, czyli różnice faz dwóch wiązek światła. I na pomiarze takiego przesunięcia fazowego między światłem wpadającym przez skrajne części obiektywu oparte są metody wyznaczania odległości obiektu fotografowanego od aparatu.

Autofokus oparty o detekcję różnicy faz
Spójrzmy na rys. 2. Odległość x można wyznaczyć nie tylko ze znajomości długości bazy d i kątów (alfa) i (beta) ale także znając różnice długości odcinków CA i CB i jeden z kątów. Nie wnikając w skomplikowane wzory trygonometrii, metod wyznaczania odległości d jest wiele.

Punkty A i B z rys. 3 to, w przypadku lustrzanki, skrajne części otworu obiektywu, przez które wpadają promienie światła odbite od fotografowanego obiektu. Wyznaczenie odległości x ze znajomości różnicy dróg przebytych przez te promienie i z położenia obrazów wytworzonych przez skrajne części obiektywu wymaga dość zawiłych obliczeń trygonometrycznych, ale wykonanie takowych przez program zapisany w pamięci procesora aparatu to absolutnie żaden problem. Zwróćmy uwagę na fakt, że te różnice przebytych dróg są bardzo małe, ze względu na małą długość "bazy" d, czyli średnicy obiektywu w stosunku do typowej odległości fotografowanych obiektów. Różnica ta jest najczęściej mniejsza od długości fali światła i dlatego mówi się o pomiarze różnicy faz.

Metody wyznaczania odległości i ustawiania ostrości oparte na tej zasadzie noszą ogólną nazwę metod detekcji fazy. Szczegółowych rozwiązań, zgłoszonych jako patenty, jest kilkaset. Różnią się one tak drobnymi szczegółami, że autor tego artykułu czytając kilkanaście, z wielu setek opisów patentowych, nie był w stanie zauważyć czym one się różnią. Co więcej, producenci aparatów fotograficznych raczej nie patentują swoich rozwiązań a trzymają je w ścisłej tajemnicy. To pewniejsza metoda walki z konkurencją, niż zgłaszanie patentu i śledzenie, czy ktoś nie korzysta z tego rozwiązania bez wnoszenia opłat. Dla najbardziej nawet zaawansowanego fotografa profesjonalisty nie mają żadnego znaczenia takie, czy inne szczegóły rozwiązań. Podsumujemy więc metodę autofokusa metodą detekcji fazy, jak powszechnie jest nazywana.

Odpowiedni układ optyczny rzutuje obrazy pochodzący ze skrajnych części obiektywu na dwie specjalne matryce. Z położenia tych obrazów procesor wylicza odległość do fotografowanego obiektu i ustawia obiektyw w takiej odległości, by zapewnić najlepszą ostrość na matrycy rejestrującej obraz. Ta sam procedura stosowana jest w nowoczesnych aparatach analogowych.

Autofokus oparty o tę metodę działa znacznie szybciej, niż ten wykorzystujący kontrast do ustawiania ostrości. W metodzie detekcji fazy procesor natychmiast po dokonaniu pomiaru wie, w którą stronę i o ile przesunąć obiektyw, by otrzymać ostry obraz. Nie ma więc dochodzenia obiektywu do właściwego położenia metodą kolejnych przybliżeń jak w metodzie maksymalizacji kontrastu. Ta ostatnia jest natomiast uważana za dokładniejszą i dlatego w aparatach wysokiej klasy stosuje się autofokus hybrydowy.

Metodą detekcji fazy ustawiana jest ostrość w bardzo krótkim czasie a następnie włączana jest metoda maksymalizacji kontrastu, która uściśla już tylko położenie obiektywu, co zajmuje znacznie mniej czasu, niż ustawianie ostrości tą metoda od początku, gdy położenie obiektywu może być bardzo dalekie od wymaganego dla danej odległości fotografowanego obiektu.

Wielosegmentowe ustawianie ostrości
Opisane dotychczas metody dotyczą ustawienia ostrości na jednym elemencie fotografowanej sceny. Wiemy, że aparaty fotograficzne mają wiele trybów ustawiania ostrości. Rzecz polega na tym, że układ autofokusa wyznacza warunki otrzymania ostrego obrazu dla różnych fragmentów zdjęcia a następnie odpowiednie programy analizując te warunki, wybierają takie położenie obiektywu, które zapewni optymalną ostrość całego zdjęcia. Niestety, "optymalna ostrość" to pojęcie subiektywne. Dlatego algorytmy (przepisy obliczeń) realizujące takie ustawianie najlepszej ostrości są nadzwyczaj skomplikowane i również pilnie strzeżone przez producentów jak szczegóły rozwiązań technicznych ustawiania ostrości.

Światło wspomagające autofokus
Wiele aparatów wyposażonych jest w specjalną lampkę pomagającą ustawić ostrość w złych warunkach świetlnych. Nie jest to jednak element aktywnego autofokusa, opisanego w cz. 1. artykułu. Istnieją dwa rodzaje takich lampek. Jedne to coś w rodzaju małego reflektorka, oświetlającego fotografowany obiekt a drugie rzutują kontrastowy obraz z wyraźnymi krawędziami niezbędnymi do ustawiania ostrości metodą maksymalizacji kontrastu. Jaką lampką dysponuje nasz aparat łatwo stwierdzić kierując go w stronę białej ściany w ciemnym pokoju. Po naciśnięciu przycisku migawki do połowy, na moment zapali się lampka i na ścianie zobaczymy obraz wiązki przez nią wysyłanej.

Ręczne ustawianie ostrości
Mimo najlepszych rozwiązań technicznych i programowych, autofokus nie zawsze ustawi ostrość tak, jak by sobie tego życzył fotograf, szczególnie, gdy mamy mało czasu na wykonanie zdjęcia. Dlatego już trochę lepsze aparaty kompaktowe, nie mówiąc o drogich lustrzankach, mają możliwość ręcznego ustawiania ostrości. Przykładem niekorzystnego efektu działania autofokusa jest poniższe zdjęcie. Gałązki świerku są na nim ostre, podczas gdy ostrzy mieli być strażacy ścinający przechylone wichurą drzewo.



Kolejne zdjęcie, zrobione w trybie ręcznego ustawiania ostrości pozwoliło uzyskać ostrość tych fragmentów, na których zależało fotografowi.



Jak wspomnieliśmy na początku artykułu, ostrość zdjęcia to bodaj najważniejszy parametr dla uzyskania poprawnego technicznie zdjęcia. Dlatego też metody ustawiania ostrości, zarówno automatycznie jak i ręcznie, są ciągle doskonalone przez producentów aparatów fotograficznych. Metody matematycznej analizy stosowane do wyznaczania odległości fotografowanych obiektów od aparatu są nadzwyczaj skomplikowane. Jeszcze bardziej skomplikowane są metody analizy zdjęcia i wyznaczanie na nim elementów stanowiących "pierwszy plan", czyli to, na co powinna być nastawiona ostrość.

Użytkownikowi aparatu nie jest potrzebna znajomość tych szczegółów ale warto o nich mieć pojęcie, by wiedzieć, dlaczego aparaty o pozornie takich samych parametrach mogą różnić się bardzo ceną.

Autor jest profesorem na Wydziale Fizyki Uniwersytetu im. A. Mickiewicza.

Jedno z wykorzystanych źródeł:
"Complete Digital Photography", Third Edition (Digital Photography Series) (Paperback)
by Ben Long

Paperback: 544 pages
Publisher: Charles River Media; 3 edition (October 2004)
Language: English
ISBN-10: 1584503564
ISBN-13: 978-1584503569

 
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.
2
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