Хочу опубликовать материалы своей статьи, посвященной системе автофокуса, используемой в объективах Canon.

Итак,

CANON: СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОЙ ФОКУСИРОВКИ

Формат высокой четкости, стремительно ворвавшийся в современную жизнь и не менее стремительно завоевавший всеобщее признание, не только открыл перед специалистами новые горизонты качества, но и породил ряд довольно острых проблем и ограничений.

С уверенностью можно утверждать, что одной из наиболее острых проблем является проблема обеспечения качественной и точной фокусировки, ибо увеличение разрешения изображения повлекло за собой значительное сокращение глубины резкости и уменьшение чувствительности съемочного оборудования. Последнее, нужно отметить, только усиливает проблемы с глубиной резкости: уменьшение чувствительности приводит к необходимости работы на больших апертурах, что в свою очередь, дополнительно уменьшает и без того сокращенную (в сравнении со стандартной четкостью) глубину резкости.

Данные факторы наиболее актуальны в случае оперативных съемок и съемок спортивных событий, что обусловлено несколькими причинами:

во-первых, даже самые дорогие современные накамерные мониторы (ЖК-видоискатели) не могут обеспечить разрешение, эквивалентное FULL HD, что значительно повышает риски некорректной фокусировки, а использование более громоздких средств видеоконтроля значительно ограничивает мобильность работы оператора;

во-вторых, при работе с большими фокусными расстоянии (при высоком увеличении) точная фокусировка на движущихся объектах крайне затруднительна;

в-третьих, требуется крайне аккуратная работа с фокусирующими элементами линзы, что невозможно обеспечить в случае оперативных съемок или неблагоприятных условиях, таких как сильный ветер или мощные звуковые колебания.

Таким образом, проблема с обеспечением точной фокусировки является одной из важнейших для телевизионных операторов, и в большинстве случаев даже мешает последним выполнять свои прямые обязанности, как в формировании правильного композиционного решения, так и корректного экспонирования.

Именно устранение указанных негативных факторов и явилось основным базисом для инженеров Canon при создании системы автоматической фокусировки.

В 2006 году был создан прототип системы автоматической фокусировки, несколько позже интегрированный в длиннофокусный объектив высокой четкости с увеличением 100х.

При разработке максимально использовались все накопленные знания, опыт и различные технологии, дабы в итоговой совокупности реализоваться в качественной и действительно эффективной системе.

Сегодня как раз рассказывается именно о такой системе.

Перед началом описания характеристик системы автоматической фокусировки Canon и правильного понимания ее работы, необходимо рассказать о другом методе определения точного фокуса, активно использовавшемся в прошлом для профессиональных объективов, а также бытовых видеокамер и полупрофессионального съемочного оборудования, о методе анализа контрастности изображения. Справедливости ради нужно отметить, что метод сравнения контрастности продолжает применяться до сих пор для большинства камер бытового и полупрофессионального сегмента благодаря более низкой себестоимости, т.е. отсутствию сложных (и, как следствие, более дорогих) механизмов измерения дистанции.

Данный метод основывается на том, что в момент точной фокусировки изображение имеет максимальную контрастность, поэтому принцип работы крайне прост: изображения, сформированные сенсорами камеры, анализируются в реальном времени для поиска максимального значения контрастности кадровой картинки, осуществляя при этом параллельную и синхронную коррекцию оптических элементов объектива. Однако метод анализа контрастности имеет один серьезный недостаток, который не позволяет эффективно использовать указанный метод при работе с форматом высокой четкости (HD). Основная проблема заключается в том, что для точного определения значения максимальной контрастности необходимо «пройти» мимо искомой точки на несколько шагов дальше, чтобы увидеть вновь снижающиеся значения контрастности, т.е. убедиться в действительности максимального значения контрастности в указанной точке. На практике это будет выражено в видимом «промахе» при определении фокуса и дальнейшей «обратной подстройкой» («плаванием») оптической системы в нужное положение. Естественно, чем сложнее будут условия съемок, тем более явным будет «плавание» системы.

Учитывая малую глубину резкости и высокую чувствительность к погрешностям фокусировки в HD, явление «обратной подстройки» для профессионального применения неприемлемо.

Понимая данные факты, компания Canon разработала новый метод, который имеет название “метод анализа разности фаз” и кардинально отличается от линейного анализа контрастности изображения, когда считается, что контраст изображения максимален в случае расположения анализируемого изображения в фокусе.

Принцип работы основан на использовании специальной схемы с двумя дополнительными сенсорами, интегрированными в объектив
(см. рис. 1).

На основном оптическом пути объектива устанавливается специальная призма, отделяющая от основного потока, проходящего через объектив, небольшой световой поток интенсивностью всего лишь 1/2 диафрагмы, который проецируется на два дополнительных сенсора.

Таким образом, создаются две копии основного изображения (см. рис. 2), поэтому значение точной фокусировки на сенсорах съемочного оборудования совпадает с аналогичными значениями на дополнительных сенсорах.

Когда необходимый объект изображения располагается в фокусе, каждая из точек данного объекта являет собой аналогичную точку (размеры которой определяются размером пятна рассеяния или пикселя) на всех трех сенсорах камеры, а также располагается точно в центре каждого из двух дополнительных сенсоров (см. рис. 3).

При этом физическое расстояние между данными центрами является точной величиной, известной специальному алгоритму.

На рисунке 4 приведены примеры различных значений установки фокуса:
фокус установлен за объектом интереса, т.е. смещен назад (рис. 4а);
на объекте интереса, т.е. в положении точной фокусировки (в середине);
перед объектом интереса, т.е. смещен вперед (рис. 4б).

Это важнейшая составляющая работы системы, ибо именно по расстоянию между данными точками (положению точек) и определяется значение фокуса.

Как можно видеть (рис. 5), в случае точной фокусировки расстояние между точками составляет определенное значение (Df), в случае фокусировки за объектом — большее значение (Dl), в случае же фокусировки перед объектом — меньшее (Ds). Благодаря этому система может более оперативно вычислить направление смещения фокусирующих элементов объектива, что значительно повышает быстродействие системы.

С учетом изложенных выше особенностей был выпущен специальный массив датчиков автофокуса (дополнительных сенсоров) с высокой скоростью считывания (см. рис. 6).

Поскольку на данные сенсоры проецируются копии основного изображения, то можно говорить о наиболее эффективном анализе значения фокусировки по совокупностям различных точек.

Соответственно описанному выше алгоритму для различных расстояний между точками анализируются и данные изображения (см. рис. 7 и 8).

Также стоит отметить и тот факт, что изображения на дополнительных сенсорах формируются потоками света малой интенсивности, поэтому имеют большую глубину резкости в сравнении с глубиной резкости основного изображения, что позволяет обеспечить видимость границ объектов, размытых в основном изображении, что особенно актуально при работе на длинном фокусе
и в неблагоприятных погодных условиях (туман, дождь, пыль).

В условиях реальных съемок исходный кадр может содержать огромное количество несоизмеримых друг с другом объектов съемки, которые при этом могут еще и перемещаться относительно друг друга.
В такой ситуации нужно определить объект интереса и “проинформировать” об этом систему. Указанная задача решается посредством выбора области автоматической фокусировки, определяемой и устанавливаемой оператором (рис. 9).

Выбранная область автофокусировки (рамка) может быть легко перемещена вручную в любую область кадра, а также оперативно изменена в размерах.

Учитывая высокую частоту обновления изображения (кадровую частоту) в телевизионных форматах необходимо обрабатывать поступающие данные с еще более высокой скоростью, поэтому для системы автофокусировки Canon применяет мощные процессоры и специальный алгоритм прогнозирования, основанный на анализе векторов перемещения объекта.

Преимущества предлагаемой системы автоматической фокусировки очевидны:

• корректная работа в различных погодных условиях;
• однозначное определение положения фокуса (отсутствие «промахов» и «подстроек»);
• высокое быстродействие;
• четкая работа при использовании больших фокусных расстояний (большого увеличения);
• обеспечение точной и беспрерывной фокусировки при слежении за объектом, движущимся с высокой скоростью;
• обеспечение быстрого определения фокуса из «крайних» положений его отсутствия;
• возможность выбора области фокусировки (объекта интереса).

Также серьезное преимущество системы заключается в том, что вместо линейной системы определения контраста используется алгоритм анализа разности фаз с использованием дополнительных (вторичных) изображений, что полностью избавляет систему от таких неприятных явлений, как «промахи» и «подстройки».

© Андрей Василенко
© CANON RU LLC
При цитировании материала указание источника и имени автора обязательно.