Autofokus (AF) należy do tych rozwiązań, o których nie myślisz, kiedy on działa i ustawia ostrość poprawnie. Wciskasz spust migawki do połowy, słyszysz sygnał, robisz zdjęcie. Zaczynasz o nim myśleć dopiero wtedy, gdy przestaje działać tak, jak należy. Kiedy aparat zaczyna „pompować” ostrością w przód i w tył, z uporem łapie ostrość trochę za daleko, nie tam, gdzie trzeba lub w ogóle jej nie łapie.

Problemy z AF mogą pojawić się w różnych sytuacjach np. kiedy fotografujesz w gęstej mgle lub późnym wieczorem przy małej ilości światła. Mogą też wynikać z technicznych błędów jego działania.

W tym artykule pokażę Ci, co dzieje się w środku aparatu w tych ułamkach sekundy, kiedy dokonywany jest pomiar. Poznasz dwie metody pomiaru ostrości, detekcję fazy i detekcję kontrastu, oraz to, jak współczesne aparaty łączą je w jeden system. To wiedza techniczna, ale bardzo praktyczna. Gdy zrozumiesz, czego aparat szuka, przestaniesz się dziwić, dlaczego czasem tego nie znajduje i dowiesz się, co zrobić, by ułatwić jego pracę i mieć ostre zdjęcia.

Mgła, a co za tym idzie niewielki kontrast, utrudniają i często uniemożliwiają poprawną pracę AF.

Dwa pytania, na które musi odpowiedzieć autofokus

Ostrość w aparacie ustawiana jest za pomocą przesunięcia soczewki lub grupy soczewek w obiektywie. AF daje informację do systemu aparatu, jak te soczewki powinny zostać przesunięte. Dlatego autofokus ma do rozwiązania nie jedno, ale dwa zadania.

Pierwsze zadanie brzmi: czy w tym miejscu kadru jest już ostro? Drugie (podwójne): jeśli nie jest, to w którą stronę i o ile przesunąć soczewki w obiektywie?

W aparatach najczęściej masz do czynienia z dwoma metodami na ustawianie ostrości. Są to detekcja fazy oraz detekcja kontrastu. Cała różnica między obiema metodami sprowadza się do drugiego zadania. Detekcja fazy odpowiada na oba naraz. Detekcja kontrastu potrafi odpowiedzieć tylko na pierwsze. Z tej różnicy wynikają wszystkie pozostałe, czyli szybkość, precyzja, zachowanie przy słabym świetle i zachowanie wobec obiektów w ruchu.

Detekcja fazy w lustrzankach

Detekcja fazy pojawiła się pierwsza i przez wiele lat była z powodzeniem stosowana w lustrzankach. Żeby zrozumieć, jak to działa, zobacz drogę światła w aparacie.

Gdzie w lustrzance jest czujnik AF

Światło wchodzi przez obiektyw i trafia na lustro główne, ustawione pod kątem 45 stopni. Większość tego światła odbija się od lustra w górę, na matówkę, a stamtąd przez pryzmat pentagonalny do wizjera. Dzięki temu widzisz obraz w wizjerze.

Środkowy obszar lustra głównego jest jednak półprzepuszczalny. Niewielka część światła nie odbija się, tylko przechodzi przez lustro na wylot. Tuż za lustrem głównym znajduje się drugie, mniejsze lustro pomocnicze, ustawione pod innym kątem. Odbija ono tę przepuszczoną część światła w dół, na dno komory lustra.

Tam właśnie siedzi osobny moduł autofokusa. Ma własną optykę i własne czujniki. W lustrzance ostrość mierzy więc zupełnie inny podzespół niż ten, który rejestruje zdjęcie. To ważna informacja.

Na czym polega sam pomiar

Światło do pomiaru przechodzi przez specjalny układ optyczny, który rozdziela je na dwie wiązki. Każda z nich tworzy osobny obraz tego samego fragmentu kadru, a oba obrazy padają na osobne zestawy czujników.

Jeśli ostrość jest ustawiona prawidłowo, to odczytane obrazy na obu zestawach czujników się pokrywają. Jeśli ostrość jest ustawiona za blisko, obrazy przesuwają się względem siebie. Jeśli za daleko, przesuwają się w drugą stronę.

Aparat mierzy więc wzajemne przesunięcie dwóch obrazów i odczytuje z niego dwie informacje naraz. Kierunek przesunięcia mówi, w którą stronę przekręcić układ ostrzący. Wielkość przesunięcia mówi, o ile.

Jeśli szukasz obrazowego porównania, zobacz, jak to było w analogowych lustrzankach z matówką klinową, w której łączyło się ze sobą dwa przesunięte obrazy widoczne w centrum kadru. Tutaj dzieje się dokładnie to samo, tylko robi to elektronika, a nie Twoje oko.

Matówka z klinem i rastrem w aparacie Praktica MTL 3. Ostrość ustawiona przed obiektem. Wyraźnie widać przesunięcie krawędzi śruby.

Ostrość ustawiona za obiektem. Wyraźnie widać przesunięcie krawędzi śruby w drugą stronę.

Ostrość ustawiona na obiekcie. Nie ma przesunięcia krawędzi pionowej.

Efekt jest taki, że aparat nie musi niczego szukać. Wie od razu, gdzie jest cel, i przesuwa soczewki jednym płynnym ruchem. Co więcej, mając serię takich pomiarów, potrafi obliczyć, jak szybko obiekt się zbliża, i przewidzieć, gdzie znajdzie się w momencie otwarcia migawki. To dlatego mógł powstać tryb ciągły „AF-C”, który nadaje się do fotografowania obiektów w ruchu.

Czujniki liniowe, krzyżowe i podwójnie krzyżowe

Pojedynczy czujnik w module AF to rządek maleńkich elementów światłoczułych ułożonych w linii. Odczytuje on rozkład jasności wzdłuż jednej osi. I tu pojawia się ograniczenie, o którym warto wiedzieć.

Czujnik liniowy reaguje tylko na kontrast prostopadły do swojej osi. Rządek ułożony poziomo świetnie widzi pionowe krawędzie, na przykład krawędź framugi drzwi albo pionowy słupek. Za to na krawędzi poziomej, czyli takiej, która biegnie równolegle do rządka, jest zupełnie ślepy. Wzdłuż całej swojej długości widzi po prostu jednakową jasność, więc nie ma czego porównywać.

Czujnik krzyżowy to dwie pary czujników liniowych ułożone w tym samym punkcie AF prostopadle do siebie. Jedna para obsługuje krawędzie pionowe, druga poziome. Taki punkt poradzi sobie z krawędzią o dowolnym kierunku i jest wyraźnie czulszy przy słabym świetle.

Czujnik podwójnie krzyżowy ma dodatkową parę ustawioną pod skosem. Zwykle korzysta ona z szerszej wiązki światła i uruchamia się dopiero wtedy, gdy założysz jasny obiektyw, na przykład f/2,8.

Warto więc zajrzeć do instrukcji swojego aparatu i sprawdzić, które punkty są krzyżowe. Zwykle jest tam rysunek z ich rozkładem.

Rozmieszczenie punktów AF w lustrzance Canon EOS 50D. Wszystkie 9 punktów jest krzyżowych działających z obiektywami o przysłonie f/5.6 lub jaśniejszymi. Najczulszy jest centralny punkt krzyżowy po skosie (przekręcony o 45°) działający z obiektywami f/2.8 i jaśniejszymi.

Zatem to, czy aparat w ogóle ma możliwość zmierzenia ostrości, zależy od rodzaju punktu i od kierunku krawędzi, na którą celujesz.

Ograniczenia detekcji fazy w lustrzance

Metoda jest szybka i sprawna, ale ma trzy słabe punkty.

Po pierwsze, pomiar odbywa się na osobnym torze optycznym, a nie na matrycy. Moduł AF mówi „jest ostro”, ale ostrość powstaje kilka centymetrów dalej, na matrycy. Każda niedokładność mechaniczna aparatu i obiektywu przesuwa ten punkt. Stąd zjawiska nazywane front focusem i back focusem, gdy aparat konsekwentnie ostrzy odrobinę przed albo za obiektem. I stąd też opcja mikroregulacji AF w menu niektórych lustrzanek.

Po drugie, gdy lustro jest podniesione, światło w ogóle nie dociera do modułu. Dlatego w lustrzance detekcja fazy nie działa w podglądzie na żywo ani przy filmowaniu.

Po trzecie, punkty pomiarowe nie obejmują całej przestrzeni kadru. We wczesnych lustrzankach kuło ich wręcz tylko kilka i były skupione raczej wokół środka kadru. Moduł AF ma ograniczone miejsce w aparacie, a każdy punkt pomiarowy to fizyczny element, który musi się w nim zmieścić.

Detekcja kontrastu

Druga metoda pojawiła się wraz z aparatami, które nie miały lustra ani miejsca na osobny moduł, czyli z kompaktami i kamerami cyfrowymi. Miały one za to obraz odczytywany na bieżąco z matrycy.

Zasada działania detekcji kontrastu jest bardzo prosta. Aparat analizuje różnicę jasności między sąsiednimi pikselami w wybranym obszarze kadru. Na zdjęciu nieostrym krawędzie są rozmyte, więc przejścia jasności są łagodne. Im ostrzejszy obraz, tym różnice są większe. Aparat przesuwa soczewki, sprawdza, czy kontrast urósł i szuka jego maksimum.

Obraz nieostry o niskim kontraście.

Obraz ostry o wysokim kontraście.

Z samej jednak wartości kontrastu nie wynika ani kierunek, ani odległość. Aparat wie tylko, że nie jest ostro, ale nie wie, w którą stronę ma się ruszyć. Musi więc spróbować, sprawdzić wynik, ewentualnie zawrócić, przejechać przez maksimum i cofnąć się do niego. To właśnie widzisz na ekranie jako charakterystyczne „pompowanie” obrazu.

Metoda ma jednak dwie poważne zalety. Obie wynikają z tego, że pomiar odbywa się na matrycy.

Pierwsza to precyzja. Aparat mierzy ostrość dokładnie w tym miejscu, w którym powstaje zdjęcie. Nie ma tu żadnego pośrednika, więc nie ma czego kalibrować i nie ma mowy o front lub back focusie. Przynajmniej w teorii, bo jak pokazuje praktyka, nawet do obiektywów do bezlusterkowców producenci dostarczają stacje dokujące, do ich kalibracji w tym zakresie. Może to jednak wynikać z jakiegoś innego powodu.

Druga to swoboda. Obszar pomiaru może być w dowolnym miejscu kadru i dowolnej wielkości, bo to tylko fragment odczytywanego obrazu. To otworzyło drogę do wykrywania twarzy, a później oka.

Wady również są. Metoda jest wolniejsza, bo wymaga wielu prób. Dlatego duże znaczenie ma moc obliczeniowa procesora w aparacie. Przy słabym świetle i przy niskim kontraście gubi się, bo różnice jasności są zbyt małe. Wobec obiektu w ruchu jest bardzo ograniczona, bo zanim znajdzie maksimum, obiekt już zdąży się przesunąć.

Detekcja fazy na matrycy

Jest na nią przynajmniej kilka sposobów.

W rozwiązaniu nowszej generacji każdy piksel zostaje podzielony na dwie fotodiody ze specjalną optyką. Odczytane osobno dają pomiar fazy, odczytane razem tworzą zwyczajny piksel obrazu.

Efekt jest taki, że punkty pomiarowe mogą pokrywać całą lub niemal całą powierzchnię kadru. Do tego aparat może przypisać ostrość do rozpoznanego obiektu i prowadzić ją za nim po kadrze, bo ma czym mierzyć w każdym jego miejscu.

Nadal jednak do działania AF potrzebne jest światło i kontrast. Przy bardzo słabym świetle i bardzo niskim kontraście nadal brakuje sygnału do porównania, więc autofokus zwolni albo się pogubi.

Jak obie metody współpracują we współczesnym aparacie

W dzisiejszych aparatach nie wybiera się jednej metody. Obie pracują razem, z podziałem ról.

Detekcja fazy wykonuje pierwszy, szybki krok. W jednym ruchu sprowadza ostrość w miejscu docelowym. Następnie detekcja kontrastu sprawdza, czy kontrast jest już maksymalny. Otrzymujesz szybkość jednej metody i precyzję drugiej.

Trzy rozwiązania w skrócie

	Faza w module lustrzanki	Kontrast	Faza na matrycy
Skąd bierze sygnał	osobny czujnik pod lustrem	obraz z matrycy	dedykowane piksele matrycy
Zna kierunek błędu	tak	nie	tak
Szybkość	duża	mniejsza	duża
Precyzja	zależna od kalibracji	bardzo duża	duża
Pokrycie kadru	do kilkuset punktów ułożonych bliżej środka kadru	dowolne miejsce z całego lub niemal całego kadru	niemal cały kadr lub trochę mniejszy

Zwróć uwagę, że żadna z tych metod nie jest w stanie zmierzyć ostrości tam, gdzie nie ma kontrastu. Ani jedna, ani druga nie widzi obrazu tak, jak Ty. Obie szukają w wybranym miejscu różnicy jasności, którą da się przeanalizować. Jasne niebo, gładka ściana, gęsta mgła, czy zbyt mały obiekt, zbyt cienka gałązka nie dają takiej różnicy, więc aparat nie ma z czym pracować. To nie usterka, tylko ograniczenie metody pomiaru.

W przypadku fotografowania obiektów statycznych najczęściej wykorzystuję mały lub pojedynczy punkt AF i nakierowuję go na ten fragment kadru, na którym ma być ustawiona ostrość i jednocześnie jest on najbardziej kontrastowy. Wtedy aparat szybko łapie ostrość, tam gdzie trzeba.

W dobrych warunkach oświetleniowych można śmiało zdać się na system AF aparatu. W trudnych pozostaje tryb manualny i ostrzenie ręczne.

Dodatkowe źródła:

• Postępy w zakresie samoczynnego ustawiania ostrości
  blog.interfoto.eu…
• MF, AF i DFD, czyli o ustawianiu ostrości słów kilka
  www.optyczne.pl/…
• A Brief History of Focusing
  pointsinfocus.com/…
• Phase detection AF
  en.namu.wiki/w/…

Udanych zdjęć!