Автофокус: определение, принцип и методи на автоматично фокусиране

Научете как работи автофокусът: принципи, методи и двустепенни алгоритми за бързо и прецизно фокусиране, оценка с градиенти и оптимизация на позицията на обектива.

Автофокусът е процедура за намиране на правилната позиция на обектива за дадена сцена. Функцията за автоматично фокусиране може да бъде осигурена в система, която включва подвижен оптичен елемент, мотор, сензор за изображения и обработващ блок. Процедурата за автоматично фокусиране се извършва чрез промяна на позицията на обектива и измерване на качеството на изображението във всяка позиция. Позицията, която осигурява изображение с най-добро качество, ще се използва като най-добър фокус.

Качеството на изображението може да бъде оценено с помощта на градиентите на изображението. За да се ускори процедурата за автоматично фокусиране, тя се извършва на два етапа: първият пробег в пълния диапазон на движение на лещите със значителна стъпка ще осигури оценената позиция, която ще бъде подобрена при втория пробег в малкия диапазон с малка стъпка. Интерполацията между няколкото най-добри позиции може да подобри точността на резултатите.

Принцип на работа

Основната идея на автофокуса е да се максимизира някакъв критерий за „острина“ или „качество“ на изображението при различни позиции на обектива. Системата променя положението на оптичната група с помощта на мотор и измерва стойността на критерия — най-често базиран на градиенти или честотно съдържание на изображението. Позицията с максимален критерий се приема за правилен фокус.

Основни методи на автоматично фокусиране

• Контрастно базирано (Contrast Detection, CDAF) — използва самия сензор за изображения и търси максимум на мярката за контраст/градиенти. Предимство: висока точност. Недостатък: по-бавен и склонен към „хленчене“ (hunting) при слаба осветеност или малък контраст.
• Фазово базирано (Phase Detection, PDAF) — измерва фазова разлика между лъчите, преминаващи през различни части на обектива, и директно пресмята посоката и величината на дефокуса. Предимство: бързина и възможност за насочване към коригираща стъпка. Използва се в DSLR (отделен PDAF модул) и в много съвременни безогледални камери (on-sensor PDAF).
• Хибридни системи — комбинират PDAF и CDAF, за да осигурят бързина и фина точност (често PDAF за груба корекция и CDAF за фина).
• Активни методи — лазерен или инфрачервен далекометър или система за време на полет (ToF) измерват директно разстоянието до обекта. Предимство при много тъмни сцени или когато визуалният контраст липсва.

Оценка на качеството на изображението (фокусен критерий)

Често използвани метрики за „острина“:

• Варианс на Лапласиана (Laplacian variance)
• Tenengrad (градиентна енергия)
• Мярки, базирани на високи честоти (FFT)
• Нормализирана дисперсия и други статистически показатели

За повишаване на точността се прилагат методи за интерполация (напр. квадратна/параболична интерполация между три най-добри позиции или подходяща аппроксимация с Gaussian), които позволяват да се отбележи оптимална позиция между механичните стъпки на мотора.

Стратегии за търсене и оптимизация

• Coarse-to-fine (два етапа) — бързо преминаване с големи стъпки за откриване на приблизителна позиция, следвано от фина търсачка с малки стъпки около тази позиция.
• Hill-climbing — локално придвижване към посока с нарастваща стойност на критерия, докато не се достигне максимум.
• Exhaustive scan — пълен обход на целия диапазон (използва се рядко поради времето, но понякога необходим при много критични приложения).

Режими на автофокус в практиката

• Single (AF-S) — фокусира еднократно при натискане на спусъка; подходящо за статични обекти.
• Continuous / Servo (AF-C / AF-Servo) — системата продължава да следи и коригира фокуса при движещ се обект.
• Auto (AF-A) — камерата избира автоматично между единичен и продължителен режим според сцената.
• Face/eye detection — приоритет на човешки лица или очи за по-добри портретни резултати.
• Back-button focusing — разделяне на фокусирането от спусъка (често предпочитано от професионалисти за по-добър контрол).

Компоненти и механика

Ключови елементи включват мотор (стъпков, VCM/Voice Coil, линейни мотори), механични водачи, електроника за управление и самият сензор за изображения. Качество на мотора, триене и луфт влияят на бързината, повторяемостта и точността на позициониране.

Ограничения и често срещани проблеми

• Слаба осветеност и нисък контраст — CDAF може да „ловува“; PDAF също се затруднява при крайно нисък сигнал.
• Движещи се обекти — нужда от AF-C и добър алгоритъм за проследяване.
• Back-focus / Front-focus — механични несъответствия между оптика и камера; решава се чрез калибрация (AF microadjust / lens calibration).
• Фокусно „дишане“ — промяна в ъгъла на виждане при промяна на фокуса, важен при видео.

Практически съвети

• При слаба осветеност използвайте помощна светкавица/AF-assist или активен далекометър.
• За движещи се обекти предпочитайте AF-C и широк базов AF-режим с централни кръстовидни точки при нужда.
• За пейзажи и макро, когато се изисква абсолютна точност, използвайте статив и ръчен фокус или фокус стек (focus stacking).
• Ако камерата систематично фокусира преди или след обекта, извършете калибрация на обектива/тялото.
• Back-button focusing улеснява проследяването и отделянето на фокус от експонацията.

Автофокусът е комбинация от оптика, механика и софтуерни алгоритми. Правилният избор на метод и настройка зависи от сцена, осветеност и изисквания за скорост и точност — от студийната фотография до спортните и видео приложения. Развитието на сензорите и алгоритмите продължава да увеличава скоростта и надеждността на автоматичното фокусиране, включително чрез машинно обучение и по-точни модели за проследяване на обекти.

Въпроси и отговори

В: Какво е автофокус?

В: Какви компоненти могат да бъдат включени в система с автофокус?

В: Как се извършва процедурата за автоматично фокусиране?

В: Как може да се оцени качеството на изображението за автофокус?

В: Как се ускорява автофокусът?

Въпрос: Как може да се подобри точността на резултатите от автофокуса?

В: Какво е значението на автофокуса?

Търсене по буква