با فناوری‌ های فوکوس خودکار دوربین‌ های عکاسی آشنا شوید

یکی از ویژگی‌های تأثیرگذار بر کیفیت دوربین‌ها، سیستم فوکوس آن‌ها است. در این مقاله با انواع این سیستم‌ها و مزایا و معایب هر یک آشنا می‌شوید.

یکی از شاخصه‌های مهم در دوربین‌های عکاسی قابلیت‌های مرتبط با فوکوس خودکار آن‌ها است. یک دوربین عکاسی با توانایی فوکوس سریع و دقیق، شما را در ثبت هرچه باکیفیت‌تر لحظات مدنظرتان کمک خواهد کرد.

سابقه‌ی استفاده از سیستم‌های اتوفوکوس به دهه‌ی هشتاد میلادی برمی‌گردد. اولین بار لایکا در نمایشگاه فوتوکینا ۱۹۷۶، دوربینی با نام Correfot را رونمایی کرد و پس از آن شرکت‌های کونیکا و پنتاکس، نیکون و مینولتا دست به این کار زدند. مینولتا 7000 که در سال 1985 عرضه شد اولین دوربینی بود که سیستم کامل فوکوس خودکار و موتور حرکت لنز را در داخل بدنه‌ی خود داشت. استانداردی که بعدها کانن با انتقال موتور فوکوس به لنز آن را تغییر داد؛ هرچند در سال 1992 مجددا در دوربین‌های سری AF-I و AF-S به سیستم قبلی بازگشت.

تمامی برندها در تمامی ادوار سعی کرده‌اند سیستم‌های فوکوس خودکار را به عنوان یکی از کارآمدترین گزینه‌های دوربین بهبود ببخشند یا با تلفیق آن‌ها سیستم فوکوس منحصربه‌فرد خود را ارائه دهند. امروزه سیستم‌های فوکوس انواع متنوعی دارند که بسته به نوع دوربین و لنزی که در آن به کار می‌روند و فاکتورهایی همچون گشودگی دیافراگم و فاصله‌ی کانونی و… عملکرد متفاوتی ارائه می‌کنند؛ اما به اعتبار نوع سیستم‌های فوکوس باید گفت به‌طور کلی، شیوه‌های فوکوس به دو نوع عمده تقسیم می‌شوند: اکتیو و پسیو.

سیستم‌های فوکوس اکتیو و پسیو

فوکوس خودکار اکتیو از طریق تاباندن نور یا اشعه به سوژه و بازتاب آن به دوربین فاصله‌ی بین سوژه و دوربین را محاسبه می‌کند. وقتی دوربین میزان فاصله را تشخیص داد، بر اساس همین اطلاعات لنز را برای انجام فوکوس تنظیم می‌کند. نکته‌ی مثبت در مورد فوکوس خودکار اکتیو این است که این سیستم می‌تواند در شرایط نور بسیار ضعیف نیز عمل کند؛ کاری که معمولا فوکوس خودکار پسیو از عهده‌ی آن برنمی‌آید. نکته‌ی منفی این سیستم محدودیت کارایی آن به سوژه‌های ثابت است. به‌علاوه، سوژه نمی‌تواند بیش از ۵ تا ۷ متر از شما فاصله داشته باشد؛ در غیر این صورت نور یا اشعه به سوژه نرسیده و بازتاب به دوربین انجام نخواهد شد و در نتیجه عملکرد سیستم مختل می‌شود.

برای درک بهتر عکس دارای فوکوس و عکس فاقد آن می‌توانید به مقایسه‌ی مبالغه‌آمیز زیر نگاه کنید. به‌طور کلی سوژه در عکس فوکوس‌شده واضح‌تر و شفاف‌تر است. در دوربین‌ها، فوکوس خودکار در برابر فوکوس دستی قرار می‌گیرد.

در مقابل، سیستم فوکوس خودکار پسیو قرار دارد که کاملا متفاوت عمل می‌کند. در این سیستم به جای اتکا به نور فلش یا لیزر برای تشخیص فاصله بین دوربین و سوژه، از سنسورهای مخصوص داخل دوربین برای تشخیص کنتراست به کمک تحلیل نور ورودی به لنز استفاده می‌شود که در این حالت به آن تشخیص فاز می‌گویند. حالت پسیو دیگری نیز وجود دارد که در آن از خود سنسور برای تشخیص کنتراست تصویر استفاده می‌شود که این شیوه به تشخیص کنتراست شهرت دارد.

گونه‌های رایج فوکوس خودکار

در فوکوس دستی، عمق میدان لنز به‌صورت دستی تنظیم می‌شود تا تصویر واضح حاصل شود. در سیستم‌های فوکوس خودکار، ما به سیستم‌های الکترونیکی و مکانیکی برای تنظیم عمق میدان تکیه می‌کنیم. برای درک بهتر این اتفاق می‌توانید طرز کار با ذره‌بین را تصور کنید. برای این‌که با ذره‌بین به تصویر شفافی برسید باید آن را روی سوژه جلو و عقب ببرید تا این اتفاق بیفتد. با این عمل شما درواقع به‌صورت غیر مستقیم در حال فوکوس خودکار هستید؛ با این تفاوت که چشم شما نقش سنسور و مغز شما نقش کنترلر را بازی می‌کند و به شما می‌گوید که فاصله‌ی ذره‌بین را کم و زیاد کنید.

رایج‌ترین سیستم‌های فوکس خودکار عبارتند از:

فوکوس خودکار تشخیص کنتراست موسوم به CDAF
فوکوس خودکار تشخیص فاز موسوم به PDAF
فوکوس خودکار دوال پیکسل
فوکوس خودکار لیزری موسوم به LAF
فوکوس خودکار ترکیبی یا هیبریدی موسوم به HAF

فوکوس خودکار تشخیص کنتراست (CDAF)

بیشتر دوربین‌ها امروزه از روش فوکوس خودکار بر پایه‌ی تشخیص کنتراست استفاده می‌کنند. این روش ماهیتا بر اساس آزمون و خطا عمل می‌کند؛ یعنی لنز دوربین شما به جلو و عقب حرکت می‌کند تا بهترین فوکوس روی سوژه انجام بگیرد. برای تشخیص این‌که چه زمان سوژه در نقطه‌ی کانونی یا فوکوس قرار دارد، دوربین از الگوریتمی بر پایه‌ی اندازه‌گیری کنتراست استفاده می‌کند. به‌طور کلی، زمانی که سطح کنتراست تصویر سوژه در نقطه‌ی کانونی قرار بگیرد در بالاترین حد خود است؛ یعنی تصویر واضح و رنگ‌ها زنده هستند. اگر تصویر خارج از فوکوس باشد، رنگ‌ها مات و در هم‌ آمیخته می‌شوند که به معنای کاهش سطح کنتراست کلی سوژه است.

مشکل اصلی در استفاده از این روش این است که دوربین نمی‌داند که چه زمان به بیشینه‌ی کنتراست رسیده است. به همین دلیل، همیشه ابتدا نقطه‌ی کانونی را رد می‌کند و سپس مجددا به آن باز می‌گردد. احتمالا این موضوع را هنگام عکاسی با گوشی خود شاهد بوده‌اید. در این روش بعد از فعال کردن دوربین تصویر قبل از این‌که شفاف‌تر شود ابتدا مات‌تر می‌شود. البته در فناوری‌های نوین تشخیص کنتراست، سرعت فناوری فوکوس به شکل قابل توجهی افزایش یافته است و تنها در چند دهم ثانیه تشخیص و عملیات فوکوس روی آن انجام می‌شود.

نقاط مثبت CDAF

به سخت‌افزار جداگانه نیاز ندارد و به همین دلیل نسبتا ارزان و به‌سادگی قابل به‌کارگیری است.
سرعت بالایی دارد.
به‌دلیل عدم استفاده از پیکسل‌های مخصوص تشخیص فاز، تاثیری بر کیفیت نهایی تصویر ندارد.
به‌طور کلی نتایج نسبتا خوبی می‌دهد.

نقاط منفی CDAF

در شرایط نوری ضعیف به‌خوبی کار نمی‌کند؛ زیرا این روش بر سنجش کنتراست تصویر تکیه دارد. به همین دلیل وقتی کنتراست کافی برای شروع در تصویر وجود نداشته باشد کار نخواهد کرد.
فناوری تشخیص کنتراست بهترین نمونه‌ی موجود برای استفاده در دوربین‌های فیلمبرداری نیست؛ سیستم فوکوس خودکار مبتنی بر کنتراست به شما نمی‌گوید که سوژه نزدیک یا دور شده؛ بنابراین دستگاه مجبور است جستجوی جدیدی برای پیدا کردن نقطه‌ی کانونی آغاز کند.

سیستم فوکوس خودکار DFD

پاناسونیک با سال‌های تحقیق توسعه بر سیستم فوکوس خودکار تشخیص کنتراست، موفق به بهبود قابل توجه این فناوری شده است تا جایی که به ادعای مدیران این شرکت، دوربین جدید پاناسونیک لومیکس G9 یا لومیکس S1برای تشخیص سوژه و فوکوس روی آن به تنها ۰.۰۳ ثانیه زمان نیاز دارد. سیستم فوکوس جدید شرکت پاناسونیکDFD یا Depth From Defocus نام دارد. مهندسان پاناسونیک با محاسبه‌ی میزان خارج شدن سوژه از نقطه‌ی فوکوس در صورت تغییر جزئی فوکوس، توانستند دریابند که میزان ازفوکوس خارج بودن لنز چقدر است؛ اما اینکه دوربین بداند چه میزان باید لنز را جابجا کند مستلزم هماهنگی فوق‌العاده بالا بین دوربین و لنز بود. اساسا، دوربین می‌بایست فهم دقیقی از بوکه‌ی لنز در تمامی شرایط فوکوس از قبیل فواصل کانونی مختلف (در لنزهای زوم) و گشودگی‌های دیافراگم مختلف می‌داشت.

این مسئله کمی کار را دشوار می‌کرد؛ اما از آن‌جایی که پاناسونیک خود لنز دوربین‌هایش را تولید می‌کند، توانست این لنزها را با قابلیت DFD سازگار کند. آن‌ها برای اولین بار دیتابیس کاملی از عملکرد بوکه‌ی لنزهای موجود خود را در حافظه‌ی GH4 جای دادند. در نتیجه‌، فرقی نمی‌کرد فاصله‌ی کانونی، گشودگی دیافراگم یا فاصله‌ی کانونی چقدر باشد، GH4 توانست به‌سرعت تشخیص دهد که هر لنز چقدر و در چه جهت از فوکوس خارج است. دوربین این کار را با مقایسه‌ی دو عکس متوالی و با حرکت جزئی لنز بین دو عکس انجام داد. با تحلیل تغییر بوکه از عکس اول به عکس دوم، GH4 می‌تواند تشخیص دهد که چقدر لازم است لنز را حرکت دهد تا به فوکوس اولیه‌ی مطلوب دست یابد. پس از این حرکت، برای تنظیم دقیق فوکوس، یک یا دو مرحله تشخیص فاز نیز جهت بالا بردن دقت فوکوس قبل از عکاسی صورت می‌پذیرد.

نکته‌ای که باید مدنظر قرار داد این است که پاناسونیک پس از رونمایی از DFD اطلاعات بوکه را به لنزها منتقل کرد تا با هربار عرضه‌ی لنز جدید نیاز به به‌روزرسانی فریم‌ور نباشد. این کار هرچند مشکل تمام لنزهای لومیکس را حل کرد؛ اما راهکاری برای لنزهای متفرقه به حساب نمی‌آمد. در مورد لنزهای سایر شرکت‌ها، چنان‌چه بخواهید از آن‌ها روی دوربین‌های پاناسونیک استفاده کنید، امکان بهره‌مندی از فوکوس خودکار DFD را نخواهید داشت و سیستم فوکوس خودکار به سیستم سنتی تشخیص کنتراست تغییر پیدا خواهد کرد.

فوکوس خودکار تشخیص فاز (PDAF)

فوکوس خودکار مرحله‌ای یا تشخیص فاز، روشی جدید و پیشرفته‌تری در فناوری‌های فوکوس به شمار می‌آید. این روش که پیش‌تر فقط در دوربین‌های DSLR استفاده می‌شد، چند سالی است به گوشی‌های هوشمند و دوربین‌های کامپکت نیز راه پیدا کرده است.

در روش فوکوس تشخیص فاز، به بیان ساده، دوربین نوری را که از دو دریچه‌ی مقابل دیافراگم عبور می‌گذرد، تحلیل و مقایسه می‌کند. چنان‌چه تصویر به‌درستی در نقطه‌ی کانونی قرار گرفته باشد، امواج نوری در مشخصات شدت خود هم‌پوشانی خواهند داشت. در غیر این‌صورت، سیستم تشخیص خواهد داد که دقیقا فوکوس چقدر نیاز به تنظیم دارد. پس از این تشخیص، دوربین به‌سرعت بدون نیاز به عقب و جلو راندن‌ زمانبر سیستم CDAF، به مسیر درست حرکت می‌کند و عملیات فوکوس را انجام می‌دهد.

به بیانی دقیق‌تر، در سیستم تشخیص فاز، آینه‌ی داخل دوربین، بخش کوچکی از نور ورودی را به سنسور مجزای اتوفوکوس که معمولا در کف جعبه آینه قرار دارد منتقل می‌کند. در این قسمت یک منشور، نوری را که از جهت‌های مخالف لنز می‌آید تجزیه کرده و آن را به گروه‌های دوتایی از پیکسل‌های سنسور هدایت می‌کند تا نقطه‌ی اتوفوکوس تشکیل شود.

بسته به فوکوس لنز، نوری که روی گروه‌های دوتایی پیکسل‌ها می‌افتد یا با هم تطابق پیدا می‌کنند که در این حالت فوکوس انجام می‌شود، یا کمی نسبت به هم فاصله دارند که این حالت به معنی عدم فوکوس است.

بنابراین، سیستم تشخیص فاز نه تنها می‌داند که سوژه در فوکوس قرار دارد یا نه؛ بلکه جهت و مقدار خارج بودن سوژه از فوکوس را نیز تشخیص می‌دهد. این یعنی دوربین می‌تواند به لنز دستور دهد که مستقیما تنظیماتی را اعمال کند که فوکوس تصحیح شود.

شایان ذکر است که تعداد نقاط فوکوس می‌تواند در عملکرد سیستم تشخیص فاز نقش به‌سزایی داشته باشد. برای مثال، وقتی دوربینی ۴۲۵ نقطه‌ی تشخیص فاز دارد یعنی ۴۲۵ نقطه روی سنسور وجود دارد که سیستم می‌تواند تصویر تجزیه‌شده را روی آن‌ها مقایسه کند. البته در دوربین‌های بدون آینه و با حذف این قطعه، نقطه‌های تشخیص فاز درون سنسور تعبیه شده‌اند.

سونی، المپوس فوجی‌فیلم و نیکون از فناوری تشخیص فاز در سیستم فوکوس خودکار دوربین‌های خود بهره می‌برند.

نقاط مثبت فوکوس خودکار تشخیص فاز

سریع و دقیق است و در زمان بسیار کوتاهی فوکوس می‌کند به همین دلیل سرعت شما در ثبت لحظات افزایش خواهد یافت که این مورد در ثبت تصاویر ورزشی و سوژه‌های متحرک بسیار کارآمد است‌.
قابلیت فوکوس مداوم وجود دارد. به همین جهت، سوژه‌ی متحرک همواره در نقطه‌ی کانونی قرار خواهد داشت. این موضوع در ضبط ویدیو اهمیت ویژه‌ای دارد.

نقاط منفی فوکوس خودکار تشخیص فاز

عملکرد در نور ضعیف همچنان راضی‌کننده نیست.
از آن‌جایی که فوکوس به کمک تجزیه تحلیل نور واردشده به لنز انجام می‌گیرد، در نور کم بعضی اوقات تحلیل تصویر سخت خواهد شد.

فوکوس خودکار دوال پیکسل (Dual Pixel)

فوکوس خودکار دوال پیکسل را باید به‌نوعی نسخه‌ی دوم فوکوس تشخیص فاز دانست. این سیستم که اولین بار توسط کانن در سال ۲۰۱۳ در دوربین 70D به کار رفت، به طرز قابل‌توجهی دقت و سرعت فوکوس خودکار را در حالت Live View افزایش داد و دوربین‌های جدید کانن به دلیل داشتن همین قابلیت، به گزینه‌های مطلوبی برای فیلمبرداری تبدیل شده‌اند؛ چرا که دوربین مجهز به این سیستم می‌تواند به‌سرعت روی هر سوژه‌ای در هر فاصله‌ای فوکوس کند.

فوکوس تشخیص فاز به تعدادی فوتودیود یا دیود حساس به نور که داخل پیکسل‌های سنسور تعبیه شده‌اند وابسته است؛ اما این دیودهای نوری در سیستم فوکوس تشخیص فاز به تعداد کم و به‌صورت پراکنده در سطح سنسور وجود دارند و تنها ۵ تا ۱۰ درصد از پیکسل‌ها را پوشش می‌دهند. در سیستم فوکوس خودکار دوال پیکسل دیودهای نوری یادشده در تمام سطح سنسور قرار گرفته‌اند و تمامی پیکسل‌ها را پوشش می‌دهند.

در این سیستم، هر پیکسل روی حسگر تصویر CMOS دو فوتودیود حساس به نور مجزا دارد. این فوتودیودها نور را به سیگنال‌های الکترونیکی تبدیل می‌کنند و هر یک از قسمت‌های پیکسل نور را به کمک میکرو لنزهای مجزا تشخیص می‌دهند.

در فرآیند فوکوس خودکار دوال پیکسل، دو فوتودیود یا همان نیمه‌های یک پیکسل، سیگنال‌های جداگانه‌ای را ارسال می‌کنند که برای انجام فوکوس مورد تحلیل قرار می‌گیرند. سپس، وقتی تصویر یا فریمی از ویدیو ضبط می‌شود، سیگنال‌های جداگانه‌ای که از هر پیکسل دریافت شده است برای ثبت تصویر با هم ترکیب می‌شوند. این کار به طرز قابل‌توجهی سرعت فوکوس روی بخش اعظمی از نقطه‌ای که قصد فوکوس روی آن دارید، را افزایش می‌دهد. نتیجه‌ی کار فوکوس خودکار تشخیص فازی است که به سرعت صحنه را تجزیه تحلیل می‌کند و قرارگیری یا عدم قرارگیری سوژه در فوکوس را در کنار مقدار و جهت خارج بودن سوژه از فوکوس محاسبه می‌کند.

نقاط مثبت فوکوس دوال پیکسل

دوربین، فارغ از این‌که سوژه در چه فاصله‌ای از آن قرار دارد، می‌تواند فوکوس را به‌سرعت انجام دهد.
عملیات فوکوس نسبت به فوکوس مرحله‌ای ۸۰ درصد سریع‌تر انجام می‌گیرد.
ضبط ویدیو نرم و روان‌ صورت می‌گیرد.
عملکرد ردیابی سوژه برای فوکوس بهتر انجام می‌پذیرد.

نقاط منفی فوکوس دوال پیکسل

از آن‌جایی که دیودهای نوری افزایش یافته‌اند در نور کم عملکرد بهبود یافته است اما در حد فوکوس لیزری نیست.
گران‌قیمت است و صرفا در گوشی‌های رده‌بالا به کار می‌رود.

فوکوس خودکار هیبریدی

در یک سیستم فوکوس خودکار هیبریدی، فوکوس از طریق تلفیق دو یا چند شیوه صورت می‌پذیرد.

در رایج‌ترین نوع این سیستم با به‌کارگیری هر دو شیوه‌ی تشخیص فاز و تشخیص کنتراست، سعی می‌شود نقاط ضعف هر یک از دو سیستم توسط سیستم دیگر پوشش داده شود تا در نهایت دقت و سرعت فوکوس افزایش یابد.

در این سیستم، دوربین ابتدا فوکوس سریع را به کمک سیستم PDAF یا تشخیص فاز انجام می‌دهد. این قسمت کار بسیار سریع صورت می‌گیرد؛ زیرا رنج‌فایندر همواره به دوربین می‌گوید که سوژه در چه فاصله‌ای قرار دارد و چه میزان نیاز به حرکت به جلو و عقب است؛ بنابراین، جستجو برای نقطه‌ی فوکوس به سبکی که در تشخیص کنتراست صورت می‌گیرد در کار نیست و به همین جهت فوکوس اولیه به سرعت انجام می‌شود.

به محض اینکه PDAF کار خود را انجام داد، تشخیص کنتراست وارد عمل می‌شود تا از سیستم دقیق‌تر خود برای تنطیم ایده‌آل‌تر بهره بگیرد. بنابراین، شما همزمان از دو شیوه‌ی فوکوس با نقاط قوت منحصر به‌فرد بهره‌مند می‌شوید؛ ابتدا فوکوس اولیه که خیلی سریع توسط تشخیص فاز انجام می‌شود و پس از آن سیستم به نسبت کندتر اما دقیق‌تر تشخیص کنتراست که تنظیم نهایی را انجام می‌دهد تا خروجی کار ایده‌آل باشد.

فوکوس خودکار لیزری

در روش‌های ردیابی کنتراست و مرحله‌ای، نور راه‌یافته به دوربین تجزیه تحلیل می‌شود. به همین جهت، در مجموع هر دو روش در گروه فناوری‌های غیر فعال (Passive) قرار می‌گیرند. در مقابل، فوکوس خودکار لیزری سیستمی کاملا متفاوت دارد. این فناوری که به سیستم فوکوس فعال نیز شهرت دارد، برای فوکوس کردن هیچ گونه وابستگی به نور ورودی ندارد. دوربین یا گوشی امواج مادون قرمزی را به سمت سوژه ساطع می‌کند تا زمان انعکاس نور را محاسبه کند. سپس با استفاده از این زمان، فاصله تا سوژه را به دست می‌آورد.

مسافت طی‌شده توسط اشعه‌ی لیزر = سرعت نور × زمان رسیدن بازتاب
فاصله تا سوژه = نصف مسافت طی‌شده توسط اشعه‌ی لیزر

در این روش اساسا از سیستم رادار استفاده می‌شود. پس از محاسبه‌ی فاصله‌ی دوربین تا سوژه، لنز متعاقبا در وضعیت مناسب قرار می‌گیرد و فوکوس انجام می‌شود.

نقاط مثبت فوکوس لیزری

سریع است.
در نور کم کار می‌کند و وابستگی به نور ندارد. این سیستم به کمک اشعه‌ی مادون قرمز کار می‌کند و با محاسبه‌ی فاصله تا سوژه فوکوس را انجام می‌دهد. به همین دلیل برای عکاسی در محیط کم‌نور ایده‌آل است.

نقاط منفی فوکوس لیزری

تنها برای عکاسی از سوژه‌های نزدیک مفید است. اگر سوژه خیلی دور باشد بازتابی دریافت نخواهید کرد و لذا فوکوسی شکل نخواهد گرفت. بازه‌ی کلی کارآمدی سیستم لیزری تنها در حدود ۵ متر است. چنان‌چه فاصله از این مقدار بیشتر باشد، گوشی به ناچار از PDAF برای فوکوس استفاده خواهد کرد.
بعضی اوقات سیستم به دلیل وجود بازتاب‌های مختلف سردرگم می‌شود. مثلا، اگر بخواهید از سوژه‌ای که در پشت پنجره وجود دارد عکس بگیرید، اشعه‌ی لیزر ممکن است توسط پنجره بازتاب داده شود. این موضوع باعث محاسبه‌ی اشتباه فاصله تا سوژه خواهد شد و دوربین به‌جای سوژه روی پنجره فوکوس خواهد کرد.
هزینه‌بر است و به سخت‌افزار اضافه نیاز دارد. قابلیت فوکوس لیزری اکنون تنها در برخی گوشی‌های رده‌بالا وجود دارد.