Autofokus

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie
Skočit na: Navigace, Hledání

Autofokus, ve zkratce AF, česky též automatické ostření, je součást výbavy většiny současných fotoaparátů, které díky ní dovedou automaticky zaostřit svůj objektiv na vybranou část fotografované scény. Chce-li fotograf zaostřovat ručně, může autofokus vypnout.

Historie[editovat | editovat zdroj]

Přestože současní majitelé fotoaparátů považují funkci automatického ostření za naprostou samozřejmost, od vynálezu fotografie až do nedávné minulosti o ní mohli fotografové pouze snít. První takto vybavené přístroje se začaly vyrábět a prodávat na přelomu 70. a 80. let dvacátého století, ale trvalo ještě nějakou dobu, než se nový systém technologicky rozvinul a zlevnil natolik, aby se ze špičkových modelů dostal i do standardní výbavy konzumních fotoaparátů.

Zaostřovací kroužek (nahoře) na starém kompaktním fotoaparátu

Předtím se dalo ostřit pouze ručním otáčením zaostřovacího kroužku na objektivu. Čísla na kroužku udávala vzdálenost v metrech, kterou musel fotograf odhadovat. Hledáček, do kterého se díval, mu žádnou informaci o zaostření neposkytoval. Často byla na kroužku i trojice pomocných symbolů: krajina, skupina postav a hlava - pro snímky na dálku, na střední vzdálenost a na blízko. Přesně zaostřit bylo opravdu těžké, což dosvědčuje mnoho neostrých amatérských snímků z té doby.

Ve výhodě byli majitelé zrcadlovek, kteří mohli při otáčení kroužkem pozorovat na matnici, jak se obraz zaostřuje. Vedle drahých a tudíž poměrně vzácných jednookých zrcadlovek byly tehdy oblíbené dvouoké zrcadlovky, zejména legendární Rolleiflex a v poválečném Československu jeho hodně rozšířená místní obdoba Flexaret. A v kategorii těch nejlevnějších přístrojů neměly s ostřením problémy aparáty s tzv. objektivem fix-fokus, který fotografuje vše ostře, protože je už z výroby trvale zaostřen na tzv. hyperfokální vzdálenost (stejně se ovšem s pomocí tabulky dá zaostřit i každý obyčejný objektiv).

Za vývojový předstupeň autofokusu lze považovat fotoaparáty s vestavěným dálkoměrem. Využívaly několik různých principů, v kontextu tohoto článku stojí za zmínku koncept triangulace[1].

Aktivní a pasivní autofokus[editovat | editovat zdroj]

Aktivní infračervený autofokus, Canon AF35M, 1979

Systémy automatického ostření se dělí do dvou skupin: aktivní a pasivní. V aktivních systémech se na scénu vysílá nějaký druh záření, jako ultrazvukový signál, infračervený nebo laserový paprsek. Odraz od objektů scény se snímá vhodným senzorem ve fotoaparátu a jeho analýzou se určuje vzdálenost. Naproti tomu v pasivních systémech se scéna nijak neozařuje, ale snímá se její obraz v přirozeném okolním osvětlení, a ten se analyzuje za účelem určení vzdálenosti. V některých pasivních systémech se sice může použít přídavné osvětlení scény, je-li moc tmavá, tím se ovšem ovlivňuje jen celkové nasvícení a systém je stále považován za pasivní.

Aktivní systémy byly přínosem u analogových (filmových) fotoaparátů. Po nástupu digitální fotografie se od jejich nasazování prakticky upustilo, protože v porovnání s pasivními systémy nemají potřebnou přesnost a spolehlivost. Největší nevýhodou je asi to, že se nedají použít k selektivnímu zaostření na určitý prvek scény.[2][3] Mezi aparáty této skupiny patřil například Canon AF35M s infračerveným autofokusem z roku 1979 (na obrázku) nebo Polaroid Autofocus 660 se sonarovým (ultrazvukovým) autofokusem z roku 1981.[4] V současnosti jsou u nových fotoaparátů daleko běžnější pasivní systémy popisované dále. Je možné, že se přístroje s aktivním autofokusem v roce 2015 už vůbec nevyrábějí, ale doklad k takovému tvrzení není k dispozici. Napovídá tomu mj. skutečnost, že se označení „Active AF“ začíná objevovat v novém významu. Samsung tak u své bezzrcadlovky NX1[5] inzeruje „Active AF (subject tracking)”, tedy aktivní AF ve významu „sledování pohyblivého subjektu“ (viz odstavec AI Servo níže).

Fázová detekce[editovat | editovat zdroj]

Ostření metodou fázové detekce je v současnosti zcela běžné u zrcadlovek. Využívá známého principu určování vzdáleností pomocí dvou obrazů téhož objektu, „pozorovaných“ ze dvou různých míst. Lidský mozek umí z mírně odlišných obrazů z levého a pravého oka odhadovat vzdálenosti a podobným způsobem to dokázaly i dálkoměrné fotoaparáty.

Také pro fázovou detekci je klíčové zachytit světlo z vybraného místa scény pomocí jen levé a jen pravé strany objektivu a získat tak dva rozdílné obrazy, které je možné porovnat. V modulu autofokusu, do něhož je světlo z objektivu odkloněno přídavným zrcátkem, jsou malé AF senzory a před každým z nich je umístěna speciální mikročočka. Senzory jsou realizovány jako lineární CCD (tzn. jako krátké posloupnosti pixelů) a jsou rozmístěny v párech. Každý pár přitom reprezentuje jeden zaostřovací bod (AF bod), který „vidí“ jednu určitou část zorného pole objektivu, a to tak, že levý AF senzor vidí jen světlo přicházející z levé strany objektivu a pravý AF senzor jen světlo z pravé strany. Moderní zrcadlovka může mít desítky takových AF bodů, naskládaných vedle sebe na společném čipu.

Obrázek bývá lepší než mnoho slov. Velmi názorné vysvětlení poskytuje animované schéma z kurzu prof. Levoye ze Stanfordovy univerzity, které je komentováno v tomto a v následujícím odstavci. I laikovi pomůže fázové detekci skutečně porozumět. Schéma je značně zjednodušené a aby se dalo znázornit v rovině, k vytvoření dvojice obrazů využívá paprsky procházející horní a spodní částí objektivu (místo levé a pravé strany), což ovšem nijak nevadí. Je zde jen jeden AF bod, umístěný ve středu zorného pole a vyznačený bílým čtverečkem v hledáčku znázorněném dole. Objektiv je redukován na jedinou čočku, kterou se ale dá pomocí jezdce vlevo dole pohybovat dopředu a dozadu a tak simulovat proces ostření. Animace ukazuje, jak se pohyb čočky projevuje na obou CCD senzorech a současně jak by se promítal na vpravo umístěný obrazový senzor fotoaparátu, kdyby zrcátko bylo zvednuté. Ačkoli se v hledáčku po zaostření objeví mince, signály CCD senzorů v grafu dole jsou zjednodušené a vypadají jakoby se zaostřovalo na izolovaný jasný bod na tmavém pozadí. Souřadnice x každého signálu je dána pořadím buňky CCD senzoru, do které paprsek právě dopadá.

Jak tedy při tomto uspořádání autofokus funguje? Jednorozměrné obrazy (nebo spíš malé fragmenty scény) dopadající na oba CCD senzory se zachycují a v zabudovaném procesoru digitálně analyzují, aby se zjistilo, jak jsou vůči sobě posunuté. To je složitý úkol, ale v tomto jednoduchém případě stačí detekovat jen posun mezi oběma vrcholy. Jakmile je velikost tohoto posunu známá, systém ví přesně, jakým směrem a o kolik je třeba čočkou pohnout. Může vydat příslušný příkaz motoru[6] zabudovanému v objektivu, aniž by potřeboval další měření nebo pokusy. V praxi se čočka posune do těsné blízkosti správné pozice a v dalším kroku se ještě jemně donastaví.

Je zřejmé, že ke správné funkci fázové detekce je nutné, aby délka dráhy paprsku od objektivu k CCD senzorům se přesně shodovala s délkou dráhy od objektivu k obrazovému senzoru fotoaparátu. A dále je zřejmé, že fázová detekce může fungovat jen při sklopeném zrcátku. Při fotografování nebo natáčení videa v tzv. živém náhledu (Live Prewiew) se použít nedá. Pak se buď musí zaostřovat ručně nebo použít metoda detekce kontrastu. Platí také, že vyšší přesnosti měření se dosahuje, když je základna pro pořízení dvojice obrazů velká. Velká základna vyžaduje velký průměr objektivu neboli velkou světelnost, alespoň f/2,8 nebo i větší. Stává se, že s objektivem nižší světelnosti nejsou některé AF body funkční (je to vždy uvedeno v uživatelské příručce fotoaparátu).

Detekce kontrastu[editovat | editovat zdroj]

Alternativní metodou pasivního autofokusu je detekce kontrastu, která se používá u kompaktních fotoaparátů, u mobilů, které nemají objektiv fix-fokus, a rovněž u zrcadlovek v režimu živého náhledu, kdy je zrcátko zvednuté. Detekce kontrastu nevyžaduje žádné přídavné senzory ani optiku. Podobá se ručnímu ostření: člověk zkusmo pohybuje ostřicím kroužkem, dokud není s ostrostí obrazu spokojen, a stejně postupuje i procesor fotoaparátu. Spokojený je po dosažení maximálního kontrastu (tj. rozdílu v intenzitě sousedních pixelů) ve vybrané části obrazu. I tady je možné mluvit o AF bodu, ten se však dá umístit kamkoliv; někdy jich může být i víc najednou a algoritmus pak zvolí vhodný kompromis.

Hledání maxima při detekci kontrastu má výhodu v jednoduchosti, stačí totiž sledovat jen několik pixelů v okolí vybraného AF bodu. Velkou nevýhodou ale je, že maximum lze určit pouze porovnáním několika měření. Z jednoho měření se nedá poznat, je-li objektiv správně zaostřen nebo není, ani to, jakým směrem a jak daleko by se měla čočka posunout. Systém to musí dělat zkusmo a stejně jako člověk k tomu potřebuje více pokusů. Maximum pozná až když ho přejede a kontrast se začne zase zmenšovat, pak se k němu ovšem musí vrátit. Při tomto postupném „přibližování“ se nakonec dostane k cíli, ovšem ve srovnání s detekcí fáze je rychlost zaostření u kompaktních fotoaparátů znatelně nižší. U fotografie to nemusí vadit, ve videu by ovšem obraz během ostření "dýchal". Proto špičkové zrcadlovky při natáčení videa v režimu živého náhledu autofokus nenabízejí a nutí ostřit ručně (což ostatně dělají i profesionální filmaři).

Křížové AF body[editovat | editovat zdroj]

Z výše uvedeného popisu fázové detekce vyplývá, že při ní záleží na orientaci AF bodů. Pár horizontálních CCD může detekovat pouze vertikální kontrastní prvky v obrazu, třeba zárubně dveří. Schodišťové stupně ale nikoli, protože v jejich případě bude obraz po celé délce CCD senzorů homogenní. Naopak vertikálně orientované CCD mohou detekovat jen horizontální elementy. Aby se vliv tohoto omezení co nejvíce eliminoval, vytvářejí se na AF čipu kombinace, v nichž se překrývá horizontální a vertikální pár a vzniká tzv. křížový AF bod anebo se dokonce překrývají dva křížové AF body, jeden pootočený o 45°, a vzniká tzv. duální křížový AF bod. Křížové a duální křížové AF body umožňují největší přesnost zaostření, ale mají také největší nároky na světelnost objektivu.[7]  Vlastnosti jednotlivých AF bodů bývají popsané v uživatelské příručce zrcadlovky.

Je také zřejmé, že fázová detekce (stejně jako detekce kontrastu) zcela selže, je-li vybraný AF bod zamířen na takové místo ve scéně, které nemá žádnou strukturu, například na hladkou jednobarevnou stěnu, na bílé tričko nebo na nestrukturovanou část obličeje (čelo, tvář). Autofokus dokáže divy, ale povinností fotografa je ukázat mu dostatečně kontrastní prvek obrazu, třeba oční řasy na detailu tváře.

AI Servo[editovat | editovat zdroj]

AI Servo je pojem používaný u zrcadlovek Canon, ale pod jinými názvy se stejná funkce vyskytuje i u jiných výrobců. Jedná se o průběžné automatické zaostřování, které se hodí při fotografování rychle se pohybujících objektů, typicky může jít o sportovce nebo zvířata fotografovaná v přírodě. Optický systém fázové detekce je k takovému účelu dokonale připraven. Dokáže sledovat pohyb zaostřeného objektu a plynule ve velké rychlosti doostřovat, pokud se objekt od objektivu vzdaluje nebo se k němu přibližuje.[8]

Odkazy[editovat | editovat zdroj]

Reference[editovat | editovat zdroj]

  1. Autofocus (AF), strana 5, [online]. Marc Levoy, Computer Science Department, Stanford University, 2010. Dostupné online. (anglicky) 
  2. A Brief History of Focusing [online]. 2014. Dostupné online. (anglicky) 
  3. Andrea Giovagnoli, Digital Photography Course: With Buyer's Guide, 302 stran, 2014, e-kniha, kap. Autofocus [online]. 2014. Dostupné online. (anglicky) 
  4. Polaroid Autofocus 660 [online]. . Dostupné online. (anglicky) 
  5. Samsung NX1 Review, [online]. 2014. Dostupné online. (anglicky) 
  6. Ultrasonic motor [online]. English Wikipedia. Dostupné online. (anglicky) 
  7. 5D Mk III AF points and 3rd Party Lenses (rozložení AF bodů u fotoaparátu Canon 5D Mark III) [online]. 2012. Dostupné online. (anglicky) 
  8. AI Servo AF Custom Function & ISO Speed Settings Guide [online]. 2010. Dostupné online. (anglicky)