Autofokus (AF) — definicja, zasada działania i rodzaje

Autofokus: definicja, zasada działania i rodzaje — praktyczny przewodnik po systemach AF, metodach pomiaru ostrości i optymalizacji ustawień dla lepszych zdjęć.

Autofokus (AF) to system i procedura automatycznego ustawiania ostrości, którego celem jest znalezienie takiego położenia obiektywu, aby rejestrowany obraz danej sceny był jak najostrzejszy. Typowy układ AF składa się z ruchomego elementu optycznego (soczewki), napędu (silnika fokusa), czujnika obrazu lub oddzielnego modułu detekcji oraz jednostki przetwarzającej sygnały i podejmującej decyzję o końcowej pozycji. Procedura polega na zmianie położenia elementu optycznego i mierzeniu jakości obrazu dla kolejnych pozycji; pozycja dająca najlepszy wynik zostaje przyjęta jako ostrość.

Zasada działania

W ogólnym ujęciu system AF ocenia ostrość obrazu przy różnych ustawieniach obiektywu i wybiera najlepsze. W praktyce wyróżnia się dwa duże podejścia:

• Detekcja kontrastu (contrast-detect, CDAF) — oceniana jest lokalna zmiana jasności (gradient) na obrazie; maksymalny kontrast zwykle odpowiada poprawnej ostrości. Metryki używane do oceny obejmują wariancję, energię pochodnych (np. operator Laplace’a), wskaźnik Tenengrad, sumę modyfikowanego Laplace’a itp.
• Detekcja fazy (phase-detect, PDAF) — mierzy przesunięcie fazowe promieni świetlnych przechodzących przez różne części układu optycznego; różnica faz pozwala bezpośrednio określić kierunek i wielkość błędu ostrości (czy trzeba przesunąć soczewkę bliżej czy dalej), co umożliwia szybsze i bardziej deterministyczne działanie AF.

Metody oceny jakości obrazu

Typowe miary wykorzystywane w algorytmach AF to:

• gradienty obrazu (wartość pochodnych w pionie i poziomie),
• energia składowych wysokoczęstotliwościowych (np. po filtracji w dziedzinie częstotliwości),
• wariancja jasności i ostrość krawędzi,
• metody oparte na analizie fazy (w PDAF) — bezpośrednie estymacje przesunięcia obrazów z dwóch źródeł światła).

Rodzaje autofokusa i ich warianty

• AF z detekcją kontrastu (CDAF) — powszechny w aparatach bezlusterkowych i w trybie live view DSLR; prosty i dokładny, ale zwykle wolniejszy, bo wymaga przeszukiwania zakresu ostrości (może występować „oscylacja” przy niskim kontraście).
• AF z detekcją fazy (PDAF) — stosowany tradycyjnie w lustrzankach (na modułach AF zlokalizowanych za lustrem) oraz w coraz większym stopniu bezlusterkowcach dzięki pikselom PDAF na matrycy (on-sensor PDAF); szybki i efektywny przy śledzeniu ruchu.
• Hybrodymowy AF — łączy PDAF (dla szybkiego wskazania kierunku i przybliżonej wartości korekty) z CDAF (dla precyzyjnego „doszlifowania” ostrości), co jest popularne w nowoczesnych systemach.
• AF aktywny — wykorzystuje dodatkowe źródło sygnału pomiarowego (np. wiązkę IR, ultradźwięki), mierzy odległość do obiektu i na tej podstawie ustawia ostrość; sprawdza się w warunkach bardzo małego kontrastu, ale ma ograniczoną precyzję i zasięg.

Tryby pracy i obszary AF

• Tryby: AF-S / One-Shot (pojedyncze ustawienie ostrości), AF-C / AI-Servo (ciągłe śledzenie ruchomego obiektu), AF-A / AI-Focus (tryb automatyczny wybierający między jednorazowym a ciągłym), oraz manual focus (MF).
• Obszary AF: punktowy (single-point), dynamiczny / śledzący, strefowy (zone), auto-area (automatyczne wybieranie punktu); nowoczesne aparaty oferują dziesiątki lub setki pól ostrości, w tym sensory typu cross-type (czulsze na krawędzie w obu kierunkach).
• AF dla wideo — wymaga płynnej i cichej pracy silnika (silniki typu STM lub liniowe), a także bardziej stabilnego śledzenia, by unikać „skoków” ostrości.

Strategie wyszukiwania i przyspieszanie

Pełne przeszukiwanie całego zakresu ostrości może być czasochłonne. Dlatego stosuje się kombinacje technik, aby przyspieszyć procedurę autofokusa:

• dwa etapy (coarse-to-fine) — pierwszy przebieg z dużym krokiem po całym zakresie daje przybliżenie pozycji, drugi przebieg w małym zakresie i z drobnym krokiem „doszlifowuje” ostrość;
• algorytmy optymalizacyjne — wyszukiwanie bisekcyjne, metoda złotego podziału (golden-section), algorytmy typu hill-climbing lub dynamiczne dopasowywanie kroku;
• interpolacja — analizując kilka najlepszych punktów funkcji ostrości, stosuje się interpolację (np. parabola przez trzy punkty) aby oszacować precyzyjne położenie maksimum; interpolacja między kilkoma najlepszymi pozycjami poprawia dokładność wyników;
• wykorzystanie PDAF — PDAF może od razu podać kierunek i wartość regulacji, redukując liczbę iteracji potrzebnych do osiągnięcia ostrości.

Czynniki wpływające na dokładność i wydajność

• przysłona obiektywu (większe otwory — mniejsza głębia ostrości, większe wymagania co do precyzji AF);
• długość ogniskowej (teleobiektywy silniej wyczuwają błąd ostrości);
• wielkość i rozdzielczość czujnika obrazu — większe matryce i piksele o większej rozdzielczości pomagają w dokładniejszym pomiarze kontrastu;
• konstrukcja optyczna i jakość obiektywu (aberacje, luzy mechaniczne, «focus breathing»);
• warunki oświetleniowe i kontrast sceny — przy słabym świetle i niskim kontraście CDAF może zawodzić, PDAF także ma ograniczenia;
• ruch obiektu — wymaga trybu ciągłego i szybkiego algorytmu śledzenia;
• opóźnienia systemowe i prędkość napędu fokusa.

Problemy, kalibracja i korekty

W praktyce aparaty i obiektywy mogą mieć przesunięcia ostrości (tzw. front-focus lub back-focus). Dla lustrzanek dostępne są funkcje microadjustment (korekta AF), pozwalające skompensować stałe odchylenia dla konkretnego obiektywu. Inne techniki to:

• kalibracja sprzętowa w serwisie,
• korzystanie z testowych tablic fokusowych lub oprogramowania do focus check,
• użycie AF lock i ręczne dopracowanie (w trudnych warunkach),
• wyłączanie stabilizacji obrazu podczas pomiarów AF w niektórych scenariuszach (zalecenia zależą od konstrukcji obiektu i korpusu).

Praktyczne wskazówki

• używaj pojedynczego punktu AF i centralnej pozycji, gdy zależy Ci na precyzji, a następnie skomponuj zdjęcie ponownie;
• w trudnych warunkach o niskim kontraście zastosuj AF-assist lampę, ręczne doświetlenie lub przełącz na tryb manualny;
• do śledzenia ruchu wybierz tryb AF-C oraz odpowiedni obszar śledzenia (dynamic/zone);
• jeśli widzisz systematyczne odchylenia ostrości, wykonaj kalibrację lub serwisową regulację;
• w filmowaniu preferuj obiektywy i korpusy z płynnym, cichym napędem (STM, silniki liniowe), a także hybrydowy tryb AF dla stabilnej pracy.

Podsumowując, autofokus to złożony układ sprzętowo-programowy, w którym dobrze dobrana metoda detekcji (kontrast, faza), szybkie i stabilne algorytmy wyszukiwania oraz właściwa kalibracja sprzętu decydują o tym, czy aparat szybko i trafnie ustawi ostrość w różnych warunkach fotograficznych.

Pytania i odpowiedzi

P: Co to jest autofokus?

P: Jakie elementy mogą wchodzić w skład systemu z autofokusem?

P: Jak przebiega procedura autofokusa?

P: Jak można oszacować jakość obrazu dla autofokusa?

P: Jak przyspiesza się autofokus?

P: Jak można poprawić dokładność wyników autofokusa?

P: Jakie znaczenie ma autofokus?

Szukaj według litery