Да здравствует резкость!

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. 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. 

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. 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. 

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»…