что такое автофокусировка в смартфоне
Вам стоит знать, какой автофокус стоит в вашем смартфоне
На заре камеростроения для мобильных устройств камеры не оснащались автофокусом. Это было не так плохо и позволяло фотографировать панорамы или объекты на их фоне, обладая достаточно большой глубиной резкости. Но время идет и надо вводить новые функции. Так появился основной элемент, позволяющий улучшить снимки.
При выборе телефона с хорошей камерой многие уделяют внимание количеству мегапикселей. Однако важнее и полезнее взглянуть на другие факторы, которые оказывают не менее серьезное влияние на качество фотографий. Среди них — тип автофокуса камеры смартфона. В настоящее время он имеет три основных типа.
Контрастный автофокус
Это самый распространенный тип, которым оснащены камеры смартфонов низкого и среднего ценового сегмента. Суть его работы сводится к поиску оптимального фокуса, чтобы сделать резким все изображение или какую-то его часть, выбранную пользователем. Специальный микропроцессор постоянно считывает и анализирует изображение с матрицы и перемещает объектив для нахождения зоны с наибольшим контрастом.
Последний момент связан с единственным недостатком контрастного автофокуса — его медленной работой. Поскольку поиск требует время, а сделать это можно лишь после анализа всего изображения и возвращения объектива обратно, кадр может и «уйти», пока камера поймает нужный фокус.
Данный тип автофокуса на сегодняшний день используется преимущественно в бюджетных смартфонах, таких как Samsung Galaxy J7, Huawei Honor 6A и других.
Лазерный автофокус
Более продвинутый тип автофокуса, который способен определять расстояние до объекта и подстраивать под него настройки фокуса. Работает он довольно интересно: смартфон отправляет тонкую полосу света, которая отражается от всевозможных поверхностей и возвращается обратно. После этого камера определяет производит вычисления (время лазера умножается на скорость света) и определяет расстояние до объекта, благодаря чему и удается сфокусироваться.
Вроде бы все здесь очень технологичное, но есть и минус. Лазерный автофокус работает только на небольших дистанциях и совмещается с другими системами для более полного охвата диапазона расстояний. Поэтому производители сейчас совмещают контрастный и лазерный автофокус.
Лазерным автофокусом оснащены преимущественно смартфоны LG, но есть и исключения: тот же флагман Huawei P20 Pro.
Фазовый автофокус
Для его реализации предусмотрены дополнительные датчики, которые позволяют камере получить больше данных для настройки фокуса. Он намного быстрее контрастного, камера поддерживает следящий автофокус, для него необходимо мощное «железо». Чаще всего фазовый автофокус доступен в смартфонах сегмента high-end. Среди них Honor View 10, Huawei P10 и Sony Xperia XZ.
Фазовый тип хорошо подходит для съемки объектов в движении — правда, он все равно не такой быстрый, как лазерный. Наиболее продвинутые смартфоны способны на ходу объединять работу разных способов фокусировки и даже обеспечивать непрерывную автофокусировку, подстраиваются под изменение положения объекта.
Кстати, еще один вид автофокуса не так распространен, поскольку ограничен смартфонами Samsung — это система Dual Pixel. Это существенно улучшенный фазовый автофокус — вместо 5-10 % пикселей, которые использовались для автофокусировки, используются все 100% пикселей. Поэтому он нашел себе применение в новейших смартфонах Samsung.
Очевидно, камера современного смартфона не так проста, как кажется. А автофокус делает ее чуть ли не самым сложным элементом смартфона.
Материал подготовлен при поддержке магазина SmartPrice
Эволюция мобильного автофокуса: от контрастного до Dual Pixel
Привет, Гиктаймс! При съемке на смартфон (да и не только) очень важно, чтобы фотографии получались четкими и ясными. Для этого объект снимка должен быть в фокусе до того, как вы нажмете на кнопку «Сделать фото». В последнее время многие производители смартфонов работают над улучшением технологий автоматической фокусировки, и сегодня мы рассмотрим плюсы и минусы каждой, и чем они отличаются. Как обычно все подробности под катом.
При выборе камерофона многие уделяют внимание количеству мегапикселей — мол, у кого их больше, тот и круче. Однако зачастую важнее и полезнее взглянуть на другие факторы, которые оказывают не менее серьезное влияние на качество фотографий. Среди них — тип автофокуса камеры смартфона. В эту область сейчас активно погрузились Apple, Samsung, LG и другие производители, причем многим действительно удалось значительно продвинуться вперед.
Что такое автофокус, и почему он нам нужен?
При помощи системы автоматической фокусировки камеры объектив настраивается таким образом, чтобы сфокусироваться непосредственно на объекте, обеспечивая тем самым разницу между четким снимком и упущенной возможностью.
Упрощенно принцип работы камеры состоит в том, что лучи света отражаются от фотографируемых объектов и затем попадают на сенсор, который преобразовывает поток фотонов в поток электронов. После этого ток преобразовывается в набор битов, данные обрабатываются и записываются в память камеры. Особой популярностью у производителей смартфонов сейчас пользуются CMOS-сенсоры, которые преобразуют заряд в напряжение прямо в пикселе, обеспечивая впоследствии прямой доступ к содержимому произвольного пикселя.
В теории все работает так: линзы фокусируют свет на сенсоре, сенсор затем создает цифровую фотографию.
В реальности же все происходит не так просто. Угол входящих лучшей света зависит от дистанции, на которой находится фотографируемый объект. На диаграмме ниже продемонстрированы линзы, фокусирующие лучи света на голубом объекте: зеленый и красный объект оказываются не в фокусе и будут размыты на финальном снимке. Если мы хотим сфокусироваться на зеленом или красном объекте, необходимо изменить дистанцию между линзами и сенсором.
На заре камерофоностроения большинство устройств имели фиксированный фокус. В современных же смартфонах предусмотрена возможность регулировать расстояние между линзами и сенсором. Поэтому вы получаете качественные детализированные снимки. Сейчас для реализации автофокуса в смартфонах в основном используют три метода: контрастный, фазовый и лазерный.
Контрастный автофокус
Контрастный автофокус относится к пассивному виду автофокуса. До сих пор это решение применяется в большинстве смартфонов — во многом потому, что является одним из самых простых. При помощи сенсора происходит замер количества света на объекте, после этого он же перемещает линзу в зависимости от контраста. Если контраст максимальный, то и объект съемки находится в фокусе.
Вообще, контрастный автофокус вполне неплохо справляется со своей задачей и имеет большой жирный плюс — он довольно прост и не требует какого-то сложного «железа» для своей работы.
Но есть у него и несколько недостатков. В частности, контрастный автофокус работает медленнее остальных — обычно ему требуется около секунды, чтобы сфокусироваться на объекте. За это время вы можете перехотеть делать снимок, или момент будет упущен, если хотели заснять, к примеру, быстро движущийся объект. Это происходит из-за того, что львиную долю времени занимает процесс «сдвиг точки фокусировки/линз объектива — оценка контрастности — сдвиг — оценка контрастности». Кроме того, у контрастного автофокуса отсутствует возможность следящей фокусировки, да и в условиях плохого освещения он вряд ли вас впечатлит. Поэтому данный тип автофокуса на сегодняшний день используется преимущественно в бюджетных смартфонах, таких как Lenovo A536, ASUS Zenfone Go и других.
Фазовый автофокус: быстрая и продвинутая альтернатива
Одним из первопроходцев здесь была компания Samsung, которая позаимствовала технологию у цифровых зеркальных фотокамер и оснастила фазовым автофокусом свой смартфон Galaxy S5. Суть в том, в данном случае применяются специальные датчики — они ловят проходящий световой поток от разных точек изображения, используя линзы и зеркала. Внутри датчика происходит деление света на две части, каждая из которых попадает на сверхчувствительный сенсор. Расстояние между потоками света измеряется датчиком, после чего он сам определяет, насколько нужно сдвинуть линзу для точной фокусировки. Так, например, Samsung Galaxy S5 требуется всего 0,3 секунды, чтобы сфокусироваться на объекте.
Визуально принцип работы фазового автофокуса представлен ниже.
Первое и главное преимущество фазового автофокуса — он намного быстрее контрастного, это просто must have для съемки движущихся объектов. Кроме того, камера может оценивать движение объекта при помощи датчиков, отсюда получаем возможность следящего автофокуса.
Но есть и минусы. Фазовый автофокус, как и контрастный, также не очень хорошо справляется со своими задачами в условиях недостаточного освещения. Также для него необходимо более мощное «железо», поэтому он, как правило, доступен в смартфонах сегмента high-end. Среди них Huawei Honor 7, Sony Xperia M5 и Samsung Galaxy Note 5, которые, кстати, можно найти в М.Видео.
Одни производители пошли дальше и решили использовать в смартфонах лазерный автофокус (об этом чуть позже), другие же активно занялись совершенствованием технологии фазового автофокуса. Так, например, Apple в своем iPhone 6s и iPhone 6s Plus использует так называемые «фокусные пиксели» — суть в том, что технология использует часть пикселей в качестве фазового сенсора, и съемка на смартфоны от Apple получается действительно быстрой. По сути это тот же самый фазовый автофокус, здесь уже надо отдать должное маркетологам.
А вот технология Dual Pixel, которую компания Samsung применяет в своих смартфонах Galaxy S7 и Galaxy S7 Edge, действительно отличается от фазовой фокусировки в камерах других смартфонов. Она хоть и является разновидностью фазового автофокуса, но все же имеет некоторые отличия и тонкости. В смартфонах фазовый автофокус несколько ограничен — чтобы присвоить каждому пикселю фокусный сенсор, нужно сильно его уменьшить, отсюда получим шумы и нечеткость фотографий. Обычно датчиками оснащают около 10 % светочувствительных точек, некоторые производители, впрочем, не выходят и за 5 %.
В Dual Pixel же каждый пиксель оснащен отдельным датчиком из-за увеличения размеров пикселей. Процессор обрабатывает показания каждого пикселя, но делает это настолько быстро, что автофокусировка все равно занимает десятые доли секунды. В Samsung говорят, что технология Dual Pixel подобна фокусировке при помощи человеческого глаза, но это опять же маркетинговый ход.
Тем не менее надо признать инновационность данного подхода к фазовому автофокусу в современных смартфонах. Сейчас это настоящий эксклюзив для Galaxy S7 и Galaxy S7 Edge.
Лазерный автофокус: самый активный
Как и фазовый, лазерный автофокус относится к активному типу автофокуса. Этим направлением долгое время занималась компания LG, которая сперва реализовала лазерный автофокус в своем смартфоне G3. В основе работы технологии лежит принцип лазерного дальномера: лазерный излучатель освещает объект, а сенсор замеряет расстояние до него и время поступления отраженного лазерного луча.
Одно из главных преимуществ данного автофокуса — время. Как говорят в LG, весь процесс автофокусировки при помощи лазера занимает 0,276 секунды. Значительно быстрее контрастного автофокуса и немного пошустрее, чем фазовый.
Очевидный плюс лазерного автофокуса — он невероятно быстрый и хорошо отрабатывает в условиях недостаточного освещения. Но работает он только на определенной дистанции — самый лучший эффект достигается, если расстояние от смартфона до объекта составляет менее 0,6 метра. А после пяти метров — привет, контрастный автофокус.
Лазерным автофокусом оснащены преимущественно смартфоны LG — к примеру, LG G4. Но есть и исключения: тот же One Plus 2 или Asus Zenfone 2 Laser. Впрочем, у последнего все ясно из названия, да и цена привлекательная для такого набора возможностей.
Двойная камера: смело, но не всем понятно
В какой-то момент производители поняли, что надо бы сделать что-нибудь диковинное, за пределами фазового или лазерного автофокуса. Так на свет появились двойные камеры: для получения четких снимков используется не один, а сразу два объектива. В то время, как одна камера с фиксированным фокусом получает снимок удаленных предметов, другая фокусируется на объектах, которые расположены рядом.
Важное преимущество двойной камеры — возможность быстро сделать снимок, а фокус сделать потом, прямо как в камере Lytro. Но если говорить о более аккуратном фокусе, здесь двойная камера явно проигрывает фазовому фокусу.
Пока что не очень много смартфонов на рынке доступны с двойной камерой — это устройства от HTC (например, One M9+), Honor 6 Plus и другие. Ходят слухи, что и Apple в своем новом iPhone решится на использование двойной камеры.
Технология инфракрасного автофокуса, которую компания Lenovo показала на MWC в прошлом году, работает по сути как лазерный автофокус, но по скорости он примерно в два раза быстрее контрастного. Протестировать её можно на примере Lenovo Vibe Shot.
Как работает автофокус в телефоне
Еще несколько лет назад камеры на смартфонах были скромными по характеристикам и простые в устройстве. Сегодня флагманы рынка имеют в своем составе камеры с оптической стабилизацией изображения, высокой светочувствительностью, состоящие из большого количества линз. Рассмотрим работу автофокуса в телефоне.
Фокусировка методом катушек
Если смотреть на работу автофокуса со стороны механики, то рассмотрим пример.
Блок линз, представляет в сборке один модуль, свободно расположен в корпусе камеры. Для свободного передвижения (очень маленькие расстояния) блока линз используют пластиковые шарики, которые вмонтированы в этот внешний корпус камеры. По этим шарикам и перемещается блок линз.
По бокам блока линз в корпусе камеры расположены миниатюрные катушки из тонкого медного провода, такие катушки можно использовать как электромагниты.
Это магнитное поле заставляет двигаться блок линз по шарикам в корпусе, о которых мы говорили выше. Возвратное движение обеспечивают пружины. Так достигается нужное положение линз в пространстве, чтобы объект оказался в фокусе на снимке или сработала стабилизация.
В положении покоя линзы размещены так, что фокус настроен на бесконечность.
При автофокусировке процессор вычисляет в фокусе ли объект по показаниям максимального контраста или фазовых датчиков или по лазерному дальномеру. И дает электронике указание подать на катушки электромагнита такое напряжение, чтобы сместить блок линз на нужное расстояние по отношению к матрице.
При использовании катушек (метод VCM) для создания магнитного поля есть свои недостатки:
И все эти недостатки усугубляются при увеличении количества пикселей, и уменьшении размеров камеры. Что и происходит сегодня.
MEMS в фокусировке камеры
Второй способ механической реализации фокусировки является использование MEMS приводов.
Микроэлектромеханические системы (МЭМС) — устройства, объединяющие в себе микроэлектронные и микромеханические компоненты.
Технология в MEMS-камере обеспечивает ультрабыструю фокусировку: в 7 раз выше (обычно в 3–4 раза), чем обладают другие камеры на смартфонах.
Технология MEMS позволяет объединить все три части линейного привода в единый компонент. Это блок для обеспечения вертикального перемещения, пружина для обеспечения возвратной силы и электростатический гребенчатый привод для перемещения блока.
Гребенчатый привод представляет собой пару электропроводящих гребенок, расположенных таким образом, что встречные зубья никогда не соприкасаются. При подаче постоянного напряжения результирующий заряд развивает силу притяжения, которая заставляет гребни соединяться вместе. Прикрепив линзу в центре, можно создать кремниевый привод MEMS с автофокусировкой.
При таком методе, перемещается только первая линза, а остальные крепятся в модуле, который остается неподвижным.
Навестись за мгновение: фазовый автофокус в работе
Всем продвинутым пользователям известно, что качество снимков определяется не количеством мегапикселей, а размером матрицы, светосилой, объективом и другими характеристиками. Одним из важных параметров современной мобильной камеры стал автофокус — от его работы зависит, будет ли объект съёмки чётким даже при быстром движении. Сейчас существует несколько разновидностей автофокусировки, но самым последним тенденциям соответствует фазовая. О преимуществах фазового автофокуса мы и поговорим в сегодняшней статье, вооружившись Honor View 10.
Зачем нужен автофокус?
Начнём с того, что сегодня практически в любом смартфоне, даже самом бюджетном, есть система автофокусировки. Грубо говоря, автофокус — это когда камера гаджета самостоятельно наводит резкость во время съёмки фото и видео. Он нужен для того, чтобы максимально упростить процесс и не крутить каждый раз настройки, как при съёмке на профессиональный зеркальный фотоаппарат.
Работу автофокусировки вы в большинстве случаев просто не заметите: резкость настраивается автоматически, как только вы включаете камеру или нажимаете на кнопку затвора. Если нужно сделать фокус на каком-то определённом объекте, как правило, достаточно лишь тапнуть по нему на экране устройства.
Актуальные типы автофокусировки
На сегодняшний день существует три основных вида автофокусировки.
Контрастный автофокус. Относится к пассивному типу, то есть сенсоры камеры ничего не излучают. В основном данное решение применяется в недорогих смартфонах. Главная причина в том, что такой вид фокусировки — самый простой. Камера ориентируется на величину светового потока, попадающего на матрицу. Перемещая линзу, программное обеспечение добивается наибольшего контраста и таким образом фокусируется на объекте съёмки. Именно поэтому бюджетным гаджетам на фокусировку требуется несколько секунд, за которые легко упустить или смазать движущийся объект.
Лазерный автофокус. Достаточно свежая технология, относящаяся к активному типу фокусировки. В основе лежит принцип лазерного дальномера: лазер освещает объект, а сенсор измеряет расстояние до него, основываясь на времени поступления отражённого лазерного луча.
Один из главных плюсов лазерного фокуса — время. Весь процесс занимает доли секунды, что позволяет мгновенно делать резкие снимки. Причём лазерный фокус не теряет в скорости ни в тёмное время суток, ни в непогоду. Но у данной системы есть серьёзный недостаток. Дальность работы лазера в камере едва переваливает за пару метров. На всё, что располагается дальше, гаджет наводится при помощи других типов фокусировки.
Фазовый автофокус (PDAF). Также относится к активному типу. Его устанавливают во многие смартфоны, включая Honor View 10. При фазовой автофокусировке лучи из разных точек объектива сводятся на встроенные в матрицу датчики. Если объект находится в фокусе, то световые потоки от него сходятся в одну точку на датчике. Если же нет, то программное обеспечение, основываясь на расстоянии между лучами, сдвигает линзы на нужную величину.
Данная система хороша в первую очередь высокой скоростью работы: можно фокусироваться на быстро движущихся объектах. Например, Honor View 10 требуется менее 0,3 секунды, чтобы сфокусироваться.
Единственный недостаток — ночная съёмка. В диафрагму смартфона поступает недостаточно света, из-за чего автофокусировка может занимать чуть больше времени. Кроме того, у фазового автофокуса довольно сложная реализация. Система призм, зеркал, линз требует сверхточной установки и не менее скрупулезной программной настройки.
Пример работы фазового автофокуса
Как уже было сказано выше, принято считать, что фазовый автофокус в тёмное время суток хуже справляется со своей задачей. Однако современные гаджеты оснащаются высокочувствительными сенсорами и продвинутыми алгоритмами, которые помогают камере правильно сфокусироваться даже при недостатке освещения.
Мы протестировали работу камеры Honor View 10 ночью. В устройстве имеется система «искусственного интеллекта»: она дополнительно анализирует картинку с камеры и настраивает параметры съёмки и фокусировки таким образом, чтобы получить максимально резкий и качественный кадр.
С фокусировкой как в дневное, так и в ночное время на Honor View 10 никаких проблем нет. Она работает быстро и точно, ловя объект за доли секунды.
Вдобавок для съёмки динамичных сюжетов у камеры View 10 есть опция «Автофокус в движении».
Если она заранее активирована в меню, то после тапа по объекту автоматика начинает отслеживать его перемещения, фокусируясь на нём постоянно.
Это удобно при съёмке детей или животных — тех, кто двигается быстро, а порой и вовсе молниеносно. Благодаря данной функции можно поймать интересный момент, который бы пропустил или смазал другой смартфон. Например, две собаки, носящиеся по двору, получаются такими же чёткими и резкими, как если бы они неподвижно стояли на месте.
Итоги
В данный момент самая актуальная технология фокусировки в смартфонах — фазовая. Она быстро и точно работает, а при недостатке освещения ей помогают программные ухищрения — такие, как специализированные интеллектуальные алгоритмы в Honor View 10, позволяющие автофокусу работать ещё более успешно в любых условиях.
Чем отличается мобильный автофокус
Когда вы делаете снимки на смартфон, очень важно, чтобы фотографии были четкими, а в центре внимания оказалось именно то, что нужно. Для этого объект снимка должен быть в фокусе до того, как вы нажмете на кнопку «Сделать фото». Помогают в этом технологии автоматической фокусировки, которые имеют свои особенности и нашли применение в современных смартфонах разного ценового сегмента.
При выборе телефона с хорошей камерой многие уделяют внимание количеству мегапикселей. Однако важнее и полезнее взглянуть на другие факторы, которые оказывают не менее серьезное влияние на качество фотографий. Среди них — тип автофокуса камеры смартфона.
Контрастный автофокус
Название данной технологии непосредственно связано с принципом её работы, который заключается в постоянном считывании и анализе изображения с матрицы. Занимается этим нелёгким делом микропроцессор. Главной его задачей является перемещение объектива в поисках зоны с наибольшим контрастом. Ее нахождение и есть то, что мы привыкли называть «попаданием в фокус».
Наиболее очевидный недостаток контрастного автофокуса — его медлительность. Сделать вывод о наивысшем уровне контраста можно лишь после анализа всего изображения и возвращения объектива обратно, что тоже требует некоторое время.
Данный тип автофокуса на сегодняшний день используется преимущественно в бюджетных смартфонах, таких как MOTOROLA G5S Plus, SAMSUNG Galaxy J7, MEIZU M6 Note и других.
Лазер всему голова
Решением проблемы должен был стать лазер. Последний, к слову, довольно давно используется для определения расстояния. Как он функционирует? Устройство излучает невероятно тонкую полосу света, которая отражается от всевозможных поверхностей и возвращается обратно. Смартфон высчитывает время путешествия лазера, умножает результат на скорость света и делит на 2. Конечная цифра и будет расстоянием до объекта, благодаря чему и удаётся сфокусироваться.
Очевидно, что лазер обладает некоторыми преимуществами, а именно высокой точностью вычисления и приличной скоростью работы. Но не обошлось и без недостатков. Дело в том, что крохотные размеры луча являются причиной неэффективности его работы на больших расстояниях или на открытом пространстве.
Поэтому производители сейчас совмещают контрастный и лазерный автофокус. Во время запуска камеры смартфон излучает луч света, чтобы проверить, есть ли поблизости какие-либо предметы. В случае их отсутствия устройство начинает использовать контрастный автофокус.
Лазерным автофокусом оснащены преимущественно смартфоны LG, но есть и исключения: тот же флагман Huawei P20 Pro или Asus Zenfone 2 Laser.
Фазовый автофокус
Третий тип автофокуса называется фазовым. Для его реализации предусмотрены дополнительные датчики, которые позволяют камере получить больше данных для настройки фокуса.
Первое и главное преимущество фазового автофокуса — он намного быстрее контрастного, это просто must have для съемки движущихся объектов. Кроме того, камера может оценивать движение объекта при помощи датчиков, отсюда получаем возможность следящего автофокуса.
Но есть и минусы. Фазовый автофокус, как и контрастный, также не очень хорошо справляется со своими задачами в условиях недостаточного освещения. Также для него необходимо более мощное «железо», поэтому он, как правило, доступен в смартфонах сегмента high-end. Среди них Honor 10, ASUS Zenfone 5 и ZTЕ Аxon 9 Pro.
Хотя фазовый автофокус быстрее контрастного, он все равно далек по этому параметру от лазерного. Некоторые производители (например, Apple) занялись совершенствованием технологии фазового автофокуса, что позволило приблизить скорость его работы к лазерному аналогу. В iPhone XS и iPhone XS Max компания использует так называемые «фокусные пиксели»: суть в том, что технология задействует часть пикселей в качестве фазового сенсора, поэтому съемка на смартфоны от Apple получается действительно быстрой.
Dual Pixel
В смартфонах Samsung давно используется система Dual Pixel. Что же она из себя представляет? Ранее компания использовала фазовый автофокус, теперь же корейцы решили, что скорости фазового автофокуса им будет недостаточно.
Что же они сделали? Они внедрили в каждый пиксель по два фотодиода. Между тем в фазовом автофокусе фотодиоды использовались не в каждом пикселе, а если и использовались, то лишь один к одному пикселю. Таким образом, вместо 5-10 % пикселей, которые использовались для автофокусировки, теперь используются все 100% пикселей.
Другими словами, Dual Pixel — это существенно улучшенный фазовый автофокус. Поэтому он нашел себе применение в новейших смартфонах Samsung.
Очевидно, на данный момент фазовый автофокус является верным решением для большинства флагманов, и производители нам с вами постоянно это доказывают.