Memahami Bagaimana Autofocus Bekerja: Bagian 2

Setelah pembahasan pertama kita mengenai autofocus, kita akan menggunakan pendekatan yang lebih teknis. Saya sangat yakin bahwa semakin Anda paham tentang kamera Anda dan bagaimana itu menginterpretasikan dunia pada perspektif teknik, semakin Anda dapat menggunakannya secara akurat menciptakan visi Anda.

Riwayat Teknik Cepat

Leitz, yang sekarang dikenal dengan Leica, mulai mematenkan serangkaian teknologi sistem autofocus pada tahun 1960, dan mendemonstrasikan autofocusing camera di Photokina (yang dimulai pada tahun 1950) pada tahun 1976.  Kamera AF yang diproduksi massal pertama adalah Konica C35 point-and-shoot dirilis pada tahun 1977. AF 35mm SLR pertama adalah Pentax ME-F pada tahun 1981, diikuti oleh Nikon F3AF serupa pada tahun 1983.

Pada awalnya AF SLRs pertama memiliki motor lensa, pada dasarnya lensa standar dengan motor blok besar yang buruk terpasang padanya. Ini terus berlanjut hingga 1985 Minolta Maxxum 7000 memiliki penggerak motor pada badan kamera bersama dengan sensor.

Ini merupakan AF SLR pertama yang sesuai dengan kesuksesan komersial yang masuk akal. Usaha sebelumnya lambat, tidak akurat dan hanya bekerja dibawah kondisi ideal, yang mana sebenernya tidak membuat kotak dengan biaya tambahan dibandingkan dengan kamera fokus manual yang sama.  Maxxum 7000 berharga Minolta $130 juta di 1991 setelah pertarungan paten yang berlarut-larut dengan perusahaan US Honeywell pada teknologi AF.

Nikon mengikuti setelan Minolta, namun dikembalikan kembali ke lensa motor pada 1992, oleh sebab itu Nikons entry-level yang terbaru tidak memiliki motor penggerak AF yang terintegrasi. Canon's EOS (electro-optical system) sistem AF masuk pada 1987, dimana mereka mengganggu banyak fotografer dengan menurunkan lensa FD yang terpasang dan menciptakan EF elektronik lengkap yang terpasang.

Nah, itulah umumnya apa yang terjadi dan perintah yang terjadi. Jadi bagaimana dengan teknologi itu sendiri? Mari kita menggali sedikit lagi.

Implementasi Fisik 

Deteksi Fase

Autofocus deteksi fase adalah AF cepat yang ditemukan pada DSLRs (dan dengan cepat kamera mirrorless sebagai bagian dari sistem hybrid AF). Pada DSLRs, bagian dari kaca utama adalah semi-silvered dan melewati kurang lebih seperempat cahaya dari lensa ke cermin sekunder kecil dibelakangnya dan turun ke dasar kotak cermin.   Pada bagian dasar ada lensa kecil yang memusatkan cahaya dari tepi lensa ke susunan sensor CCD.

Array umumnya terdiri dari sejumlah strip satu dimensi piksel dalam berbagai orientasi. Setiap strip hanya bisa melihat fitur yang kontras tegak lurus dengannya, karena satu-satunya perubahan yang bisa dilihat adalah sepanjang garis.  Jika fitur pada gambar sejajar dengan strip, hanya ada satu aspek fitur sekaligus, bukan "bentuk "nya.

Deteksi Kontras

Deteksi kontras umumnya hadir langsung pada sensor gambar itu sendiri, oleh karena itu itu digunakan pada tampilan langsung pada DSLRs. Ini biasanya hanya sistem deteksi tersedia pada mirrorless dan compact cameras.   Ini adalah implementasi software, sehingga tidak ada aspek fisik yang nyata untuk itu, hanya sensor dan prosesor.

Deteksi Hybrid 

Sesuai namanya, kombinasi kedua sistem. Ini bisa berupa mengubah beberapa piksel sensor menjadi piksel AF, atau memiliki fase mendeteksi array berlapis-lapis di atas sensor, yang kemudian bekerja dengan sistem deteksi kontras bersamaan untuk meningkatkan kecepatan AF.

Bagaimana Semuanya Bekerja

Ok, sekarang kita mengetahui pengaturan fisik untuk setiap sistem AF, mari kita tutup dengan bagaimana mereka menggunakan implementasi masing-masing untuk melakukan tugas mereka.

Fokus dan Jarak

Sistem lensa majemuk (satu sistem optik terdiri dari sejumlah lensa sederhana, biasanya disebut "elemen" dalam literatur fotografi) di lensa kamera Anda menggunakan satu atau lebih lensa bergerak untuk memfokuskan sinar cahaya pada bidang gambar.

Jarak ke subjek menentukan seberapa jauh lensa korektif perlu bergerak agar bisa fokus. Anggap saja seperti sepasang kacamata untuk optik utama, kecuali mengganti tenaga lensa, posisinya pun berubah.

Mari ambil contoh yang sangat sederhana hanya dengan satu lensa sederhana, untuk menunjukkan bahwa saat subjek bergerak, gambarnya kabur, diperkirakan dengan formula lensa tipis:

$${1 \over f} = {1 \over S_1} + {1 \over S_2}$$

Persamaan ini mengasumsikan lensa ketebalan yang dapat diabaikan di udara, sehingga tidak bisa diterjemahkan secara akurat ke lensa dunia nyata, namun memungkinkan saya untuk menyampaikannya secara lebih sederhana.

Kita menggunakan titik sumber cahaya dengan lensa focal length 1m (1000mm). Ini memberi nilai \(1 \over f\) dari 1. Jika \(S_1\) adalah dua meter, \(1 \over S_1\) adalah 0,5.  Jadi \(S_2\) juga 2m saat lensa difokuskan. Jika kita memindahkan titik sumber subjek kembali ke 8m dari lensa, \(1 \over S_1\) menjadi 1/8.  Untuk mengimbangi, \(1 \over S_2\) harus menjadi 7\8, yang membutuhkan \(S_2\) dari 8/7, atau 1.14m. Tentu saja, nilai \(S_2\) ditetapkan karena sensornya tidak bergerak, sehingga gambar dilepaskan dari fokus.

Jika kita memasukkan lensa korektif kedua, pada jarak \(d\) dari yang pertama ke sistem optik ini untuk membuat lensa majemuk, kita dapat memfokuskan gambar saat subjek bergerak. Panjang fokus gabungan yang baru adalah, sesuai dengan persamaan lensa majemuk majemuk:

$${1 \over f} = {1 \over f_1} + {1 \over f_2} - {d \over f_1 f_2}$$

Jadi kita punya focal length baru. Jarak dari lensa baru ke focal point baru untuk sistem gabungan disebut focal length belakang, yang seharusnya menjadi istilah yang relatif akrab dalam fotografi, karena jaraknya dari elemen belakang ke sensor.  Jika saya memanggil back focal length "\(d_2\)", ini diberikan oleh:

$$d_2 = {{f_2 (d - f_1)} \over {d - (f_1 + f_2)}}$$

Mari coba contoh di mana gambar difokuskan pada bidang gambar tetap, lalu subjek bergerak. Menambahkan lensa korektif yang divergen dan crunching the numbers memberi kita ini:

Matematika mungkin tidak sempurna, tapi cukup baik untuk mengerti maksudnya! Jadi saat subjek bergerak, lensa korektif harus bergerak untuk memberi kompensasi karena bidang pencitraan tetap.

Dalam sistem AF, elektronik menghitung di mana lensa perlu bergerak ke dan menginstruksikan motor lensa untuk memindahkannya ke sana. Bagaimana cara melakukannya? Ini membawa kita ke sistem deteksi.

Fase Deteksi

Lensa kecil di dasar kotak cermin memusatkan cahaya dari sisi lensa yang berlawanan. Karena celah antara kedua titik ini, sebuah paralaks tercipta di mana masing-masing melihat sedikit perbedaan pandangan subjek, sama seperti dua lensa input di kamera rangefinder.

Titik individu berada dalam fokus, sama seperti di rangefinder; Ini adalah gabungan titik-titik yang tak terbatas di bidang gambar dua dimensi yang menciptakan focal blur pada gambar yang sebenarnya. Inilah sebabnya mengapa wide apertures membuat lebih buram; bukan melalui beberapa jenis manipulasi optik, tapi hanya karena lebih banyak diameter kaca yang digunakan, menciptakan lebih banyak titik tumpang tindih dan menciptakan kabur.  Bayangkan AF menggunakan aperture f/22 atau lebih kecil di setiap sisi lensa, jadi tampilan tetap fokus tanpa memperhatikan posisi lensa focal.

Sementara cahaya berasal dari sisi berlawanan lensa, split image yang menuju sensor AF adalah bagian yang sama dari subjek, di mana titik AF di viewfinder berada.

Setrip CCD dibaca dan dikirim ke chip AF khusus, yang melakukan perbandingan antara keduanya. Sementara produsen individual, kemajuan teknologi, penghindaran pelanggaran paten dan berbagai titik harga peralatan mungkin mengubah algoritma yang tepat yang digunakan, poin umumnya adalah melakukan fungsi matematika yang disebut autokorelasi, atau sejenisnya.

Autokorelasi adalah algoritma pencocokan pola di bawah payung korelasi silang dalam pemrosesan sinyal, namun alih-alih membandingkan dua sinyal yang berbeda, ia membandingkan sinyal dengan versi bergeser dari dirinya sendiri. Pada dasarnya, ini adalah fungsi integral (atau lebih mungkin dalam hal fungsi set nilai diskrit, penjumlahan) yang menghitung, membandingkan dan memaksimalkan area di bawah grafik sinyal yang dilapiskan.

Tujuannya adalah untuk menghitung seberapa jauh ia harus menggeser salah satu sinyal untuk memaksimalkan area itu dan dengan demikian cocok dengan kedua pandangan tersebut. Matematika yang terlibat sangat bertele-tele (kemungkinan akan membawa beberapa artikel untuk bekerja melalui contoh dasar) namun hasil keseluruhan algoritma akhir harus turun antara 1 dan -1, dengan kamera mencari nilai pergeseran dimana korelasi Nilai sedekat mungkin dengan 1.

Dengan melakukan ini, ia melihat dan memahami fitur yang sama yang berasal dari masing-masing sisi lensa, dan mengetahui pergeseran spasial fisik di antara mereka di sepanjang setrip piksel nyatakan, dengan trigonometri berdasarkan dimensi kamera yang diketahui, seberapa jauh dan ke arah mana lensa tidak fokus  Kemudian dapat mengirimkan sinyal fokus ke lensa, dan periksa fokus setelah bergerak. Saat itulah kamera Anda menunjukkan kunci fokus dan memungkinkan gambar diabadikan.

Anda mungkin pernah mendengar tipe AF points "dot" atau "point" vs. tipe AF points "cross". Perbedaan antara keduanya adalah point-type points adalah tunggal, piksel setrip satu dimensi, sedangkan cross-type points adalah dua garis yang disusun tegak lurus.  Karena sensor AF satu dimensi, ia hanya bisa melihat perubahan pencahayaan sepanjang panjangnya. Sensor Dot-type dengan demikian hanya sensitif terhadap detail dalam satu arah, sedangkan tipe silang dapat melihat dua dimensi.

Jika sensor dot-type sejajar dengan fitur detail utama, tidak ada perbedaan antara keduanya dan fitur kontrasnya yang berdekatan, dan dengan demikian memiliki kesulitan dalam mendapatkan fokus.

Deteksi Kontras

Metode ini membacakan beberapa piksel pada posisi fokus yang diinginkan dari sensor pencitraan. Prosesor menghitung nilai kontras antara piksel ini, perbedaan pencahayaan pada ruang piksel yang diukur.  Dengan menghitung gradien kurva sepanjang garis dan kolom piksel, ia dapat memaksimalkan nilai gradien ini.

Fokus lensa kemudian secara fraksional dipindahkan, dan kontrasnya dihitung lagi. Jika kontrasnya lebih rendah, sistem telah memindahkan lensa ke arah yang salah, jadi kemudian bergerak ke arah yang berlawanan.  Kontrasnya diukur lagi, lensa dipindahkan lebih jauh, dan proses ini berulang saat nilai kontras naik sampai turun. Ketika jatuh, lensa telah pergi terlalu jauh dan algoritma bergerak lensa kembali lagi, membuat pengaturan kecil lebih lanjut.

Metode deteksi kontras AF berpotensi menjadi sangat akurat karena berada pada level sensor, tidak ada sistem yang terpisah. Ini hanya menggerakkan lensa sampai kontras dimaksimalkan. Sayangnya untuk alasan yang sama, tampaknya tidak akan pernah cepat; Anda bisa berpendapat bahwa itu hanya memerlukan pengukuran di dua posisi focal untuk mengetahui berapa banyak lensa yang tidak fokus, namun kamera tersebut harus mengetahui dengan tepat bagaimana kontrasnya subjek.

Tidak ada cara untuk mengetahui distribusi "baik" dari nilai pencahayaan yang diukur, karena bergantung pada subjek. Inilah sebabnya mengapa juga tidak bisa menjadi "gradien ambang batas" atau "ideal peak luma value". Hal-hal ini sangat bervariasi dari satu adegan ke adegan lainnya.

Dengan demikian, untuk masa yang akan datang, pembuat film profesional akan terus menggunakan penarik fokus manual seperti biasanya, dan point-and-shoots mirrorless akan terus menjadi lambat. Kecuali kalau...

Sistem Hybrid

Bagaimana jika Anda bisa mendapatkan yang terbaik dari kedua dunia? Bagaimana jika Anda bisa memiliki kecepatan mendeteksi fase dan menghilangkan perburuan, tapi menggabungkannya dengan akurasi dan kesederhanaan deteksi kontras? Nah, itulah yang dilakukan produsen saat ini.

Alih-alih menempatkan setrip pendeteksian fase di bagian bawah kotak cermin, yang tidak berguna di kamera mirrorless dan DSLR di live view, mereka malah dibuat sebagai array khusus ke sensor gambar itu sendiri.  Tapi pastinya tidak ada fase yang sebanding dengan sensor, karena mendapatkan serbuan oleh semua cahaya dari sisa lensa dalam a big blurry circle of confusion seperti yang saya katakan sebelumnya? Tidak begitu cepat!

Karena piksel (secara teknis "sensel," karena elemen sensor dan bukan elemen gambar) pada sensor pencitraan tercakup dalam lensa mikro untuk meningkatkan pengumpulan cahaya, yang perlu kita lakukan adalah memblokir separuh piksel untuk mendapatkan gambar.  dari satu sisi lensa. Apakah ini ideal Tidak, gambarnya tetap buram, tapi setengah buram seperti saat melihat seluruh lensa, dan sekarang kita bisa menggunakannya untuk lebih akurat mendeteksi fokus karena akan ada paralaks antara kedua gambar tersebut.

Di Fuji X100, teknologi ini digunakan untuk membesarkan alat bantu fokus visual manual dengan hamparan EVF split-prism, namun Sony menggunakannya sebagai sistem hibrida sejati bersamaan dengan AF pendeteksi kontras sebagai "Fast Hybrid AF" kamera NEX dengan teknologi yang terbaru.  Canon dan Nikon juga menggunakan konsep ini di kamera lower-end mereka. Di Sony A99, rangkaian deteksi fase terdedikasi kedua memanfaatkan cermin tembus pandang yang dilipat secara langsung di depan sensor pencitraan, yang dikenal sebagai Dual AF.

Jadi sensor fase kemampuan deteksi cahaya rendah-tinggi tidak maksimal, namun cenderung terbatas pada titik pusat untuk mengurangi jumlah piksel yang diambil dari penggunaan pencitraan, dan teknologinya dalam masa pertumbuhan. Tapi dengan sistem yang lebih berdedikasi seperti array Dual AF Sony, dan mungkin beberapa piksel sensor gambar "dikorbankan" (menggunakan interpolasi perangkat lunak) dengan lensa mikro yang lebih terarah, ini terlihat seperti masa depan autofocus.

Kesimpulan

Jadi kita sudah memulai dari penemuan autofocus, melalui pengembangan dan adopsi yang meluas.  Kami telah melihat mekanisme fokus optik fundamental. Kita tahu tipe AF apa, di mana mereka berada di dalam kamera, dan bagaimana cara kerjanya, serta bagaimana atribut ini mempengaruhi kinerja kamera. Kami telah melihat perkembangan terkini dalam sistem autofocus hibrida, dan mempertimbangkan kemana mereka dapat melanjutkan dari sini.

Saat menggunakan AF, perhatikan bagaimana kamera melihat pemandangan dan menyesuaikannya. Saat berbelanja kamera, perhatikan baik-baik sistem AF mereka dan seberapa baik mereka dapat bekerja untuk gaya pemotretan Anda.

Nah, itu membungkus pandangan teknis autofocus ini. Pertanyaan? Komentar? Hit up komentar di bawah ini!