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!

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?
Да здравствует резкость!
     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»…

Интересно

Машины и Механизмы
Подписывайтесь на наш канал в Яндекс.Дзен
Всего 0 комментариев
Комментарии

Рекомендуем

Актуальное
В Петербурге пройдёт хакатон по научно-популярной журналистике ScienceMedia В Петербурге пройдёт хакатон по научно-популярной журналистике ScienceMedia
Санкт-Петербург, Университет ИТМО 14-16 ноября 2019 года
Конкурс детских книг с иллюстрациями Конкурс детских книг с иллюстрациями
Весь мир Дедлайн – 14 февраля 2020 года
Фотоконкурс «Наука о жизни» Фотоконкурс «Наука о жизни»
Весь мир Дедлайн – 31 января 2020 года
Международная академия аутоиммунитета Международная академия аутоиммунитета
Санкт-Петербург, СПбГУ 11 октября
Студенческая олимпиада по робототехнике Студенческая олимпиада по робототехнике
Санкт-Петербург, СПбПУ 26 октября
Географический диктант Географический диктант
Онлайн – весь мир, оффлайн – Россия 27 октября
Стипендия Chevening 2020/21 Стипендия Chevening 2020/21
Весь мир Дедлайн – 5 ноября
Петросити
Поэма здоровья
Биосфера
Бесконтактная примерка обуви
OK OK OK OK OK OK OK