Ким
я могу что надо, то и могу
Ты дурак, если не восходил на Фудзияму. Но если ты был на ней дважды, ты дурак вдвойне (японская пословица)
Ким Александров
Все записи
текст

Да здравствует резкость!

"ММ" №4/115 2015, с. 70
Сколько же прекрасных кадров загублено! Весь год (а то и не один) копишь на отпуск, едешь за тридевять земель, а по возвращении домой – пожалуйте, самые удачные кадры размазаны. Причем вне зависимости от того, какой у вас фотоаппарат – простейшая «мыльница» или дорогущая Mamiya. Так как же не выпасть из фокуса?


Для начала вспомним, что такое резкость. Как известно, современные цифровые методы получения и обработки изображений оперируют пикселями (от английского picture element), элементарными квадратиками, каждый из которых может принимать значения яркости и цвета, определенные в некоторых границах. При этом в цветовой модели RGB задание цвета и яркости взаимосвязано. Если мы, например, имеем дело с пикселем, у которого все значения нулевые, это значит, что данный элемент изображения не активен и его цвет должен быть радикально черным. А вот когда параметры составляющих равны 255 единицам, мы в идеале должны получить белую точку.
В реальности цветовая «кухня» намного сложнее, и на выходе разных дисплеев одно и то же изображение может выглядеть по-разному. Сказываются и нелинейность обработки сигнала, и особенности источников света, и субъективность зрительного восприятия. Отчасти попыткой обойти такую нежелательную уникальность стала попытка «развязать» параметры яркости и цвета в цветовых системах Lab и HSB.

«Детский вопрос»: как мы определяем на изображении, где кончается один объект и начинается другой? Очевидно, по изменению яркости и/или цвета, полагая, например, что физиономия модели не слишком разнотонна. Таким образом, очертания уха на темном фоне должны иметь резкий переход в пределах нескольких пикселей, и чем меньше этот предел, тем отчетливей будет эта граница. Многое зависит также от разницы яркостей, ведь контраст, по сути, и есть мера этой разности. 
Кстати, что делать, если граница слишком резкая? В случае строго вертикальных или горизонтальных линий ничего страшного не произойдет, но вот что делать с кривыми? Пиксел изначально прямоуголен, поэтому плавные наклонные линии превращаются в ступеньки, сразу бросающиеся в глаза. Для избавления от такого прискорбного артефакта придумана технология anti-aliasing, заключающаяся в размытии криволинейных границ, то есть в намеренном снижении граничного контраста. 


Все эти обильные рассуждения приведены не зря. Ответим на очередной «детский вопрос»: а разве нельзя измерять расстояние до объекта съемки напрямую? Ведь есть богатейший военный опыт, есть эхолоты, верой и правдой служащие морякам, есть удобные лазерные дальномеры, избавившие строителей от утомительных манипуляций с рулеткой. Однако не все так просто: даже в артиллерии, для которой точное определение расстояния до цели – часто вопрос жизни или смерти, до сих пор востребована специальность «корректировщик огня».
Тем не менее, первые системы автофокусировки были основаны на принципе сонара. Пальма первенства – у инженеров фирмы Polaroid, в середине 80-х годов снабдивших свои камеры Spectra и SX-70 модулем из высокочастотного генератора и сенсора отраженного сигнала. «Умная» камера посылала в направлении съемки серию ультразвуковых импульсов, запускала секундомер и затем ожидала эхо. Как только датчик фиксировал отраженный сигнал, в дело вступал внутренний калькулятор, вычислявший расстояние и дававший команду исполнительному механизму на подстройку фокусного расстояния.
Метод чрезвычайно быстрый, к тому же не зависящий от установленного на камере объектива. Но иногда приходится снимать сквозь стекло, и тогда система активного автофокуса стоимостью в половину фотоаппарата становится бесполезной. Аналогичные сложности возникают у аппаратов, использующих инфракрасное излучение. К слабости отраженного сигнала, который сложно уловить, прибавляется интенсивное паразитное тепловое излучение от всего, что только попадает в кадр: батареи отопления, лампы накаливания, сигареты и т. д. Отфильтровать его удается далеко не всегда. 
У инфракрасных систем автофокусировки, впрочем, есть одно преимущество: они достаточно уверенно работают в условиях слабого освещения и даже в темноте. Такими датчиками оборудованы «интеллектуальные» вспышки, способные, кроме определения расстояния, найти нужную экспозицию.
Однако современная фототехника в основном полагается на пассивные системы TTL (от английского Through-The-Lens – «через объектив»), в которых все подстройки осуществляются после анализа изображения, построенного объективом, или, если точнее, считывания данных с приемной матрицы. С развитием микропроцессорной техники фотоаппарат постепенно превращается в специализированный компьютер со специфическими устройствами ввода, отображения и хранения информации. Не зря новые модели камер часто отличаются только новым процессором, сохранив механическую «начинку» предшественников. 


Если взять достаточно длинную полоску пикселей (100–200 единиц) и сравнить уровни яркости соседних элементов, то можно заметить одну любопытную вещь: в резком изображении они могут сильно отличаться, а в размытом – нет. Таким образом, фундаментальный принцип работы системы контрастного автофокуса заключается в подборе такого положения объектива, при котором достигается максимальный контраст мерной полосы. И, как легко догадаться, такие эталонные зоны – это и есть точки фокусировки, подсвечиваемые при наведении в более-менее пристойных аппаратах. 
Сказать легко, но сделать ой как непросто! Если с удаленными предметами в основном все понятно (в дешевых фотоаппаратах объектив часто закреплен «намертво» и сфокусирован на бесконечность, то есть у них матрица закреплена точно в фокальной плоскости линзы), то в ситуациях, когда требуется сравнительно небольшая глубина резкости (ГРИП), все сильно меняется.
Дело в том, что изначально аппарат «не знает», на каком расстоянии располагается объект съемки, поэтому подстройка резкости происходит методом дихотомии, то есть парных замеров «ближе-дальше» и замеров мерной полосы, пока не будет достигнут максимально возможный контраст, рассчитанный на основе данных об экспозиции и некоторых закономерностей, среди которых и знаменитое «правило f16». 
Очевидно, что процедура эта требует энергии для подстройки объектива, которую в компактном носимом аппарате следует всячески беречь. Но главный недостаток контрастной автофокусировки – медлительность, способная свести на нет все ее преимущества. Пока аппарат «ловит» фокус, жужжа сервомоторами, объект съемки смещается, меняются условия освещения, то есть в динамичных сценах этот способ практически бесполезен. 


Кстати, многие начинающие фотографы недоумевают, почему объектив с непонятным индексом USM (у Canon), HSM (у Sigma) или SWM (у Nikon) стоит гораздо дороже формального аналога. А это и есть тот самый «моторчик», причем не простой, а ультразвуковой (ultra sonic, high sound или silent wave соответственно). Не стоит пугаться, вредного излучения от него нет, просто речь идет о чрезвычайно высокой резонансной частоте его рабочих элементов – пьезоэлектрических пластин, преобразующих управляющие электрические сигналы в механические колебания. 
Эти приводы обладают целым рядом достоинств. Среди них – высокий КПД (до 90 %), большой крутящий момент, избавляющий от необходимости применения редукторов, чрезвычайно высокая точность, позволяющая, например, при вращении работать с шагом в сотые доли угловой секунды, и отсутствие жесткой механической связи с исполнительным механизмом. Для объектива это значит, что вы в любой момент можете вмешаться и повернуть фокусировочное кольцо. 
Но при всех достоинствах USM-приводы дороги и целесообразны только в устройствах сравнительно высокого класса, то есть фототехнике со сменными объективами. А в них применяется другая система автоматической фокусировки – фазовая. Она работает значительно быстрее, однако конструктивно намного сложнее и капризнее, требует дополнительного оборудования. Технология пришла из «военки»: в 1980 году компания «Honeywell», один из столпов американского ВПК, выпустила любопытный приборчик Visitronic TCL (Through Camera Lens), основанный на собственных разработках дальномеров для военно-морских сил. Вскоре подобная система под названием phase matching появилась в Японии, в фотоаппарате Minolta Maxxum 7000. Обиженные американцы подали в суд на Minolta, обвиняя их в нарушении патентных прав, и выиграли, обязав японцев платить отступные.
Прецедент подтолкнул производителей фототехники разработать собственные версии узла фазовой фокусировки, тем более уже давно использовались фокусировочные экраны с так называемыми клиньями Додена, представлявшими собой половинки призмы Френеля. Даже в те времена фотографы, способные на глаз определить расстояние с точностью до сантиметра, нуждались в помощи в сложном деле наведения на резкость. И, быть может, кто-то из читателей помнит пленочные камеры, в которых изображение в видоискателе делилось на три сегмента. Если они «стыковались», то все было в порядке, но если части были смещены по вертикали относительно друг друга, то за дело брался человек, подстраивавший резкость вручную. 


Сказать, что узел фазовой фокусировки – прецизионный механизм, значит не сказать ничего. По сравнению с ним самый дорогой швейцарский хронометр с пожизненной гарантией – грубая кустарщина! А в камере высокого класса таких датчиков наберется не один десяток, благо уровень современной технологии позволяет. Так как же он (или они) работает?
Не слишком вдаваясь в технические подробности, а у каждого производителя они свои, попробуем понять механику в принципе. Она заключается в следующем: лучи, исходящие/отраженные от точки, находящейся в фокусе, будут в равной степени освещать противолежащие стороны объектива («будут в фазе»). Если же объектив сфокусирован перед этой точкой или позади нее, эти лучи проходят через края объектива по-разному («не в фазе»). Таким образом, для реализации этого принципа нужно раcщепить на пары лучи, проходящие через края объектива, а затем снова сфокусировать их на датчике автофокуса, чувствительной мишени на основе CCD-элементов. 
Образно говоря, датчик должен «увидеть» (то есть зафиксировать попадание лучей в заданные области, симметричные к центру) одинаковые изображения, сформированные оптическими клиньями, и дать разрешение на снимок. Но когда лучи «разъезжаются», то это становится поводом для вмешательства. Как уже отмечалось выше, современный фотоаппарат больше похож на специализированный компьютер со специфичной периферией. И здесь происходит обмен данными – микропроцессор объектива сообщает «Большому брату» о собственной идентификации и текущем положении линз, а тот сверяется с внутренней базой насчет модели и характеристик объектива, вычисляет, каким образом надо поправить фокус, и передает соответствующие команды на сервомотор.

В теории все очень просто, но надо ли говорить, что реализация сталкивается с многочисленными трудностями? Во-первых, датчик автофокуса должен быть синхронизирован с оптической системой объектива (как выражаются знатоки, «отъюстирован»). Задача усложняется тем, что может быть несколько десятков таких датчиков, отвечающих за разные зоны кадра (часть из них подсвечена красными точками в видоискателе), и каждый из них может получить приоритет на коррекцию. Во-вторых, фазовые датчики весьма сложны по устройству и требуют дополнительных зеркал, призм и линз, что весьма удорожает конструкцию. Обычно они располагаются под основным зеркалом вместе с датчиками экспозамера. В-третьих, уверенная работа фазового автофокуса возможна только при достаточной освещенности и/или большой светосиле и взаимно перпендикулярной ориентации датчиков и объектов съемки. Наконец, работа многочисленных датчиков требует большой вычислительной мощности, но для начала XXI века это уже не проблема, и стало возможным воплотить так называемый следящий автофокус (изобретение Minolta), рассчитывающий не только текущие, но и будущие перемещения объекта.

Каждому типу автофокуса присущи свои достоинства и недостатки, и многие производители фототехники прибегли к гибридной тактике, совместив упрощенную фазовую систему для первичной наводки с контрастной, служащей для точной подстройки резкости. Другой вариант – использование некоторых зон матрицы в качестве фазовых детекторов. А это уже наводит на мысль об отказе от зеркала и переходе к другим принципам автофокусировки. Самые радикальные из них – замена чересчур «умных» объективов с моторчиком на недорогие и надежные «фиксы», удаление зеркала и пентапризмы из оптической системы и переход к электронным видоискателям (салют «беззеркалкам»), и, о ужас, коррекция фокусного расстояния не смещением тяжелых и хрупких линз, а легкой и миниатюрной светоприемной матрицы. 

И вполне может случиться, что лет через десять дорогие, тяжелые и капризные «зеркалки» станут безнадежно устаревшими агрегатами вроде патефонов, уступив место компактным и легким фотоаппаратам со сменными объективами. Но – снова без кнопки «шедевр»…


Читать эту статью в онлайн версии журнала "ММ":http://www.21mm.ru/?mag=115#070 
Всего 0 комментариев
Комментарии
OK OK OK OK OK OK OK
Яндекс.Метрика