Что такое фазовый автофокус в камере смартфона и как он работает

Что такое автофокус и зачем он нужен

Система автофокусировки присутствует в любом современном смартфоне, включая бюджетные варианты. С его помощью объектив фотоаппарата практически мгновенно настраивается на фокусировку на одном или нескольких объектах для фото- или видеосъемки, упрощая процесс и снимая с пользователя задачу ручной настройки фокуса, как при съемке профессиональным зеркальным фотоаппаратом.

Автоматическая фокусировка позволяет легко делать четкие, детализированные снимки, наведя камеру на объект и нажав соответствующую кнопку. В составе автофокуса — датчик, система управления и привод, отвечающий за перемещение оправы объектива или объектива.

Камера устроена так, что лучи света, отраженные от фотографируемых объектов, улавливаются датчиками, преобразующими поток фотонов в поток электронов, затем ток преобразуется в биты, эта информация обрабатывается и отправляется в память устройства. Как работает автофокус? Здесь все зависит от его типа. Линзы фокусируют лучи, отраженные от объектов, а когда сфокусированная камера ориентируется на расстояние до изображаемого объекта и интенсивность освещения, датчик, в свою очередь, создает цифровую фотографию. В отличие от ранних моделей смартфонов, сегодняшние устройства дают возможность регулировки расстояния между объективами и сенсорами, что позволяет получать снимки более высокого качества.

Современные камерофоны оснащены высокочувствительными сенсорами и специальными алгоритмами, которые позволяют камере фокусироваться даже при недостаточном освещении. В продвинутых устройствах также внедрена система искусственного интеллекта, корректирующая параметры съемки и фокусировки для получения максимально качественного кадра, а также опция автофокусировки в движении, позволяющая фокусироваться на движущемся объекте, отслеживая его движения благодаря чему становится возможным поймать хороший кадр и, если объекты движутся, выстрелить.

Автофокус на данный момент реализован в трёх актуальных вариантах: контрастном, фазовом и лазерном. Давайте посмотрим, чем отличается каждый из них.

Оптический автофокус в телефоне

Оптический автофокус использует оптическую систему, состоящую из линз и датчиков, для автоматического изменения фокусного расстояния и фокусировки на снимаемом объекте. При съемке объектов крупным планом объективы выдвигаются вперед, а при съемке удаленных объектов – назад. Это позволяет сфокусироваться на объекте и получить четкое изображение даже на разном расстоянии.

Работа оптического автофокуса основана на использовании фазового автофокуса или контрастного автофокуса. При фазовом автофокусе телефон использует два датчика для определения разницы фазы света. Контрастный автофокус, в свою очередь, определяет точку максимального контраста на изображении и фокусируется на ней.

Оптическая автофокусировка в телефоне позволяет пользователю сфокусироваться на объекте, нажав его на экран или воспользовавшись функцией автоматической фокусировки. В некоторых телефонах также есть возможность выделения объекта на экране, чтобы при съемке он оставался в фокусе, даже если он движется.

Оптический автофокус – одна из важных функций, помогающая пользователю получать качественные фотографии с помощью мобильного телефона. Это делает процесс съемки более удобным и позволяет получать резкие изображения без необходимости ручной настройки фокуса.

Контрастный автофокус

Технология основана на работе светочувствительных элементов, анализирующих контрастность кадра. Фокусировка осуществляется путем смещения линзы объектива для достижения необходимой контрастности изображения. Когда методом оценки этого параметра и изменения положения объектива удалось достичь максимального контраста, это означает, что объект фотографии находится в фокусе. При этом камера анализирует небольшой участок матрицы.

Итак, контрастный автофокус относится к пассивному типу автоматической фокусировки, данное решение отличается простой реализацией и используется на бюджетных смартфонах. Автофокус работает медленнее других технологий из-за необходимости несколько раз перемещать объективы до достижения результата. Эти движения и оценка контраста, выполняемые в несколько этапов, занимают около секунды, а это немного, если речь идет о съемке неподвижных или медленно движущихся объектов, которые можно заморозить для фото, правда, с таким графиком , момент легко упустить, да и снять в движении не получится, потому что фотография будет смазанной. Контрастный автофокус с возможностью следящего фокуса также не предусмотрен, а качество фотографий сильно страдает при плохом освещении.

Автофокус с фазовым детектированием в телефоне

Когда камера или телефон получает сигнал от фотодатчиков, он вычисляет разницу фаз световых волн и использует эту информацию для определения необходимого положения объектива. Затем фокусное расстояние регулируется так, чтобы изображение было четким и резким.

Автофокусировка с фазовым определением позволяет добиться высокой скорости и точности фокусировки. Это особенно полезно при съемке быстродвижущихся объектов, например, спортсменов или животных. Также этот тип автофокусировки позволяет создать эффект размытия фона (боке), когда объект в фокусе выделяется на фоне размытых деталей.

Однако автофокусировка с определением фазы имеет некоторые ограничения. Во-первых, он обычно работает только в определенной зоне фокусировки и не обеспечивает полного охвата всего кадра. Это может стать проблемой при съемке объектов, находящихся далеко или на краю кадра.

Кроме того, фазовая автофокусировка может быть затруднена в условиях низкой освещенности или при наличии малоконтрастных объектов. В таких случаях рекомендуется использовать другие методы фокусировки, например, автофокусировку с определением контраста.

Разновидности автофокусов и базовые принципы их работы

Объектив камеры фокусирует лучи, отраженные от объекта, находящегося в пространстве перед объективом. При фокусировке камера ориентируется на расстояние до объекта и на интенсивность исходящего от него света. На сегодняшний день существует два типа режимов автоматической фокусировки:

1. Активный вариант – он основан на межмерном предоставлении с возможностью локатора-дальномера.
2. Пассивный вариант – работает со световым лучом, измеряя его интенсивность.

В первом (активном) режиме используется лазерное инфракрасное или ультразвуковое излучение с известной скоростью распространения волн в воздухе. Излучатель модуля излучает направленный поток, который отражается от объекта и через некоторый интервал времени улавливается приемником модуля. Далее калькулятор автофокуса умножает это время на известную скорость распространения волны и делит результат на два, получая точное значение расстояния. Нанеся излучатель на нужную область, пользователь получает оптимальную фокусировку, ориентируя внимание зрителя именно на этот участок фотографии.

Второй (пассивный) режим устроен несколько иначе. В нем используются специальные датчики (фотодиоды), измеряющие интенсивность света, и специальный процессор, определяющий фокус на основе значения этого параметра. На практике это выглядит так: датчики фиксируют интенсивность света, затем процессор перемещает фокус, затем происходит второе измерение интенсивности, если плотность потока увеличилась, то фокус считается приемлемым. В противном случае фокус снова сместится. И так до момента обнаружения максимальной интенсивности. В матрицах серьезных камер присутствует до 40-60 фотодиодов.

На основе этих принципов работают самые известные системы фокусировки: фазовая, лазерная, контрастная и двухпиксельная. И далее по тексту мы частично связаны, измеряя их базовые языки и недоставки.

Читайте также: При зарядке телефона греется зарядное устройство (диагностика и причины)

Достоинства и недостатки лазерного автофокуса

В этом случае в модель камеры телефона встроены лазерный излучатель и приемник. Первый генерирует узконаправленный свет, второй принимает отраженный сигнал. В результате скорость фокусировки снижается до тысяч долей секунды. Обычно это около 250-300 миллисекунд, поскольку лазер распространяется со скоростью света.

Основным преимуществом лазерного фокуса является высокая скорость срабатывания модуля, а основным недостатком – частые сбои. Узконаправленный лазерный излучатель иногда «простреливает» мимо цели, и отраженный сигнал легко теряется, особенно на открытом пространстве. Поэтому лазерный автофокус в камере смартфона в большинстве случаев работает совместно с фазовым или контрастным вариантом наведения.

Особенности фазовой фокусировки

Технология основана на разделении света, проходящего через объектив, на два потока. Это делается для того, чтобы измерить расстояние между потоками, проходящими через противоположные края линзы. Если это расстояние укладывается в определенные значения, указанные в массиве данных, картинка считается сфокусированной. Для фиксации расстояний используются специальные датчики, реагирующие на свет. Их сигналы обрабатываются процессором, который сравнивает считанные параметры с базовым массивом данных и выдает сигнал на перемещение фокуса в нужную сторону.

Основное дінженство технологии – готовность поймать в фокус движущийся объект. Кроме того, этот вариант работает быстрее, чем контрастный автофокус. И даже эту систему можно использовать для расчета такого параметра, как глубина резкости.

Главный минус этапа технологии – сложная реализация. Система призм, зеркал и линз требует сверхточной физической настройки и не менее скрупулезной программной настройки. Кроме того, точность такой фокусировки зависит от яркости объектива, а с этим параметром у мобильных телефонов большие проблемы.

Плюсы и минусы контрастного фокуса

Технология не меняет матрицу или оптическую систему камеры смартфона. В качестве датчика здесь используется либо весь фотодатчик, либо его часть. Процессор считывает текущую гистограмму с сенсора и оценивает контрастность кадра. А затем объективу подается команда на смещение фокуса, после чего происходит новое чтение гистограммы с переоценкой контраста. И весь цикл повторяется до тех пор, пока не будет достигнут максимальный уровень контрастности в выбранном участке кадра, на который направлен фокус.

Основным преимуществом технологии является сочетание простоты реализации, дешевой конструкции и компактных размеров. Такой автофокус используют все производители бюджетных смартфонов.

Ключевым недостатком этого варианта является очень низкая скорость работы. Иногда процессор переходит в режим вечной «охоты за фокусом», что заканчивается потерей редкого кадра.

Гибридный автофокус в телефоне

Фазовый автофокус — это технология, определяющая фазу световых лучей, позволяющая быстро и точно сфокусироваться. Особенно эффективен он при съемке движущихся объектов, например, бегущего человека или движущегося автомобиля.

Контрастный автофокус — это технология, которая ищет наиболее точное изображение на основе контрастности объекта. Это особенно полезно при съемке неподвижных объектов, например, пейзажей или натюрмортов.

Гибридная автофокусировка сочетает в себе оба типа автофокусировки для достижения оптимальной точности и скорости фокусировки. При использовании гибридного автофокуса в телефоне камера способна автоматически выбирать наиболее подходящий тип фокусировки в зависимости от условий съемки.

Благодаря гибридному автофокусу смартфоны становятся все более функциональными и удобными инструментами для фото- и видеозаписи. Они способны быстро реагировать на изменение условий и предлагать качественные изображения.

Разновидности автофокуса в смартфонах

Обнаружение фаз

Один из самых популярных видов автофокуса в смартфонах — фазовый. В этом методе используются два фокусирующих модуля, которые измеряют разность фаз между разными точками изображения. Эта технология позволяет быстро и точно сфокусироваться на объекте, особенно при съемке движущихся объектов.

Лазерный автофокус

Лазерный автофокус использует лазерный луч для определения расстояния до объекта. Смартфон излучает лазерный луч, который отражается от объекта и возвращается обратно в смартфон. Затем смартфон измеряет время, необходимое лазерному лучу, чтобы вернуться назад, и рассчитывает расстояние до объекта. Этот метод автофокусировки быстрый и точный, особенно при съемке на большие расстояния.

Автофокус с глубиной

Некоторые смартфоны оснащены специальными камерами, которые могут измерять глубину резкости. Эта информация помогает определить, на каком расстоянии находится объект, и автоматически сфокусироваться на нем. Такая автоматическая фокусировка особенно полезна при съемке портретов, где необходимо создать эффект размытия фона.

Контрастный автофокус

Еще один распространенный метод автофокусировки в смартфонах — контрастный автофокус. Он анализирует изображение и ищет самый высокий контраст между пикселями, который указывает на четкий объект, достойный фокусировки. Этот метод может быть медленнее, но он все равно обеспечивает точную фокусировку.

Автофокус с распознаванием лиц

Некоторые смартфоны имеют функцию автофокусировки, которая может обнаруживать лица людей и фокусироваться на них. Это особенно полезно при съемке групповых фотографий или портретов, где желательно четко сфокусироваться на лицах людей.

Лазерный автофокус

Более продвинутый тип автофокуса, способный определять расстояние до объекта и подстраивать под него параметры фокусировки. Работает это довольно интересно: смартфон излучает тонкую полоску света, которая отражается от всех возможных поверхностей и возвращается обратно. После этого камера производит расчеты (время работы лазера умножается на скорость света) и определяет расстояние до объекта, благодаря чему ей удается сфокусироваться.

Кажется, здесь все очень технологично, но есть и минус. Лазерный автофокус работает только на коротких дистанциях и совместим с другими системами для лучшего охвата диапазона расстояний. Поэтому сейчас производители совмещают контраст и лазерный автофокус.

Смартфоны LG в основном оснащены лазерным автофокусом, но есть исключения: тот же флагман Huawei P20 Pro.

Фазовый автофокус: быстрая и продвинутая альтернатива

До недавнего времени этот тип автофокуса был привилегией флагманских смартфонов, сейчас автофокус на основе фазового сканирования света используется в большинстве устройств.

Фазовый автофокус в смартфоне (ФАФ) — активный тип автоматической фокусировки, наиболее актуальный на сегодняшний день и обеспечивающий высокую скорость работы, а также возможность фокусировки на движущихся объектах. Технология заимствована у цифровых зеркальных фотоаппаратов, изначально она предназначалась для фотографии, где показала себя наилучшим образом, а позже перешла и на флагманские мобильные устройств

Принцип работы такого типа фокусировки следующий:

• Поток света, проходя через линзу, разделяется над ней, затем лучи от разных участков линзы направляются на датчики светочувствительного датчика, который оценивает равномерность света.
• Если объект находится в фокусе, потоки света от него сойдутся в одной точке на сенсоре. Если нет, то программа с измеренным расстоянием даст команду и объектив переместится в нужное положение. Принятие решения фотокамерой, например, смена линз для производительного качественного изображения в возможностях.

Поскольку все эти действия (измеряется расстояние между потоками и по результатам оценки положение линзы корректируется системой, т.е разделенные лучи достигают заданного датчиками расстояния) выполняются за один прием, это значит, что фазовый автофокус будет работать в разы быстрее контрастного. Для фоксировки объекта ему потребовалась доля секунды. Охват объекта резкий происходит в любой точке кадра, а при наличии в кадре нескольких объектов, одинаково удаленных от объектива, все они попадают в зону высокой резкости. Камера оценивает движение с помощью матричных датчиков, благодаря чему появляется возможность следящей автофокусировки.

При всех своих преимуществах фазовый тип автоматической фокусировки тоже не идеален. Его недостатком является ночная съемка, при которой на диафрагму объектива попадает недостаточное количество света, что приводит к снижению скорости фокусировки. Кроме того, реализация такого типа автофокусировки достаточно сложна и требует точной установки системы призм и зеркал, а также тщательной настройки программного обеспечения. И всё же, несмотря на минусы технологии, как правило, она обеспечивает создание качественных снимков. Сегодня помимо автоматической фокусировки производители используют специальные алгоритмы, встроена система искусственного интеллекта, которая позволяет существенно улучшить качество фотографии. Технология совершенствуется, так как по пути ее развития или применения вариантов фазового автофокуса пошли многие производители.