فوکوس خودکار به روش‌های مختلفی مثل استفاده از دوربین تشخیص فاصله، فوکوس خودکار لیزری یا مادون قرمز و تشخیص فاز و همچنین روش کلی تشخیص تضاد صورت می‌گیرد.

تبلیغات ۷۲۰ در ۹۰

 ابتدا تعریف فوکوس

در عکاسی زمان یک سوژه در فوکوس است که مرزهای آن به وضوح مشخص باشد و به عبارت ساده‌تر مات نباشد. اما درون چشم انسان یا دوربین چه اتفاقی می‌افتد که سوژه‌ای مات و سوژه‌ای دیگر واضح می‌شود؟

فوکوس روی اجسام دور و نزدیک

فوکوس روی اجسام دور و نزدیک

در سیستم‌های آپتیکی یا به عبارتی نوری، لنز جلوی حسگر قرار می‌گیرد تا نور را متمرکز کرده و روی آن بیاندازد. در لنز‌های معمولی وقتی سوژه در بی‌نهایت باشد و به عبارت دقیق‌تر، زمانی که پرتوهای جذب شده توسط لنز به صورت موازی و مستقیم به آن برخورد کنند، تمام پرتوها در یک نقطه به نام کانون یا Focal Point لنز متمرکز می‌شوند. بنابراین اگر حسگر در فاصله‌ی کانونی قرار بگیرد، تصویر واضح خواهد بود. درست مثل حالت اول در تصویر زیر:

فوکوس روی بی‌نهایت فیزیکی و اجسام نزدیک با تغییر فاصله‌ی کانونی در چشم

فوکوس روی بی‌نهایت فیزیکی و اجسام نزدیک با تغییر فاصله‌ی کانونی در چشم

چشم انسان نمونه‌ای از یک دوربین با قابلیت فوکوس خودکار است سوژه‌ای که در یک فاصله‌ی خاص و کمتر از بی‌نهایت فیزیکی باشد، پرتوهای موازی به سمت چشم ما یا لنز دوربین نمی‌فرستد. لذا محل جمع شدن پرتوهای نوری که از یک نقطه تابیده شده، در کانون عدسی یا لنز نخواهد بود. بنابراین چشم ما به صورت خودکار فاصله‌ی کانونی را کمی تغییر می‌دهد تا باز هم پرتوها تنها در یک نقطه جمع شوند و سیستم ادارک عصبی ما، تنها یک نقطه را مشاهده کند. اگر اینگونه نباشد، پرتوها به چند نقطه از سطح حساس درون چشم برخورد کرده و به جای یک نقطه‌ی کاملاً واضح، تصویری مات می‌بینیم.

این پدیده در تصویر زیر توضیح داده شده است. در حالت اول، پرتوهای سوژه‌ی نزدیک روی حسگر در یک نقطه به هم رسیده‌اند و در حالت دوم، پرتوهای سوژه‌ای که در دوردست قرار دارد، در یک نقطه به هم رسیده‌اند. بنابراین حالت اول فوکوس چشم روی سوژه‌ی نزدیک است و در حالت بعدی، فوکوس چشم روی سوژه‌ای که در دوردست قرار دارد:

فوکوس چشم انسان روی اجسام دور یا نزدیک

فوکوس چشم انسان روی اجسام دور یا نزدیک

در دوربین‌های مختلف با روش‌های مختلف سعی شده فاصله‌ی کانونی متغیر باشد، راهکار دیگر حرکت لنز نسبت به حسگر و یا برعکس، حرکت حسگر نسبت به لنز است. در هر صورت اتفاقی که در نهایت می‌افتد این است که پرتوهای نور تابیده شده از یک نقطه، همگی در یک موقعیت روی حسگر فرود می‌آیند و تصویری واضح تشکیل می‌شود. فوکوس خودکار یا AF یا واژه‌ی کامل آن AutoFocus، استفاده از روش‌های مختلف برای رسیدن به فوکوس نسبتاً دقیق است به طوری که کاربر دوربین، گوشی یا هر ابزاری دیگری و از جمله چشم انسان، نیازی به تغییر دستی فاصله‌ی لنز یا حسگر نداشته باشد.

فوکوس خودکار با تشخیص فاز

یکی از روش‌های تشخیص فاصله‌ی اجسام، روشی موسوم به Phase Detection است. در این روش پرتوهای نوری که از یک نقطه یا یک جسم کوچک در محیط پخش شده، وارد دوربین می‌شود و به حسگر می‌رسد. اساس کار مقایسه‌ی تصاویر مختلف و سعی و خطاست تا به مرحله‌ای برسیم که دو یا چند تصویر به دست آمده، دقیقاً یکسان باشند.

در تصاویر زیر نقطه‌ی بنفش همین سوژه است که ما روی آن متمرکز شده‌ایم و می‌خواهیم تصویر واضحی از آن تهیه کنیم. توجه کنید که سطح زرد همان حسگر است.

فوکوس خودکار با تشخیص فاز یا Phase Detection

فوکوس خودکار با تشخیص فاز یا Phase Detection

در حالت اول با دو فیلتر سبز و قرمز از محیط تصویر تهیه شده است. در تصویر فیلتر قرمز رنگ، موقعیت نقطه‌ی بنفش کمی پایین‌تر است، فیلتر سبز رنگ تصویری متفاوتی را گزارش می‌دهد. با محاسبه‌ی ریاضی، تخمین زده می‌شود که لنز باید عقب برود یا کمی جلوتر قرار بگیرد. مثلاً به این نتیجه می‌رسیم که حالت نزدیک مثل تصویر 4 ممکن است پاسخ‌گو باشد.

با بررسی تصویر 4 به این نتیجه می‌رسیم که باید محاسبات را تکرار کنیم، چرا که تصویر فیلتر قرمز، مکان نقطه‌ی بنفش را بالاتر از تصویر فیلتر سبز گزارش کرده است.

حالت سوم یا تصویر 3 وضعیت مناسبی ندارد و باز هم باید حسگر را کمی دور کنیم اما نه به حدی که به حالت اول برسیم. بنابراین پس از زمانی کوتاه که شاید کسری از ثانیه باشد، به حالت درست یعنی تصویر 4 می‌رسیم. حسگر نه بسیار نزدیک است و نه بسیار دور. دقیقاً در موقعیتی قرار دارد که پرتوهای تابیده شده از سوژه‌ی ما که نقطه‌ی بنفش است، در یک نقطه روی حسگر فرود می‌آیند و این یعنی یک تصویر کاملاً واضح.

تصویر زیر هم با به کارگیری اصطلاح فوکوس پشتی و جلویی یا Back Focus و Front Focus، روش تشخیص فاز را توضیح می‌دهد. در دو حالت اشاره شده، تصاویر فیلتر سبز و قرمز روی هم نمی‌افتند اما در یک حالت میانی، تصاویر دقیقا منطبق می‌شوند و این حالت، فاصله‌ی درست حسگر و لنز است:

تشخیص فاز و مقایسه‌ی تصاویر مختلف برای ارزیابی فوکوس صحیح

تشخیص فاز و مقایسه‌ی تصاویر مختلف برای ارزیابی فوکوس صحیح

 

سامسونگ و گلکسی اس 5

تشخیص فاز روش جدیدی نیست و در بسیاری از دوربین‌های حرفه‌ای DSLR به کار گرفته شده است. اما مهارت سامسونگ در این بوده که برای اولین بار آن را روی پیکسل‌هایی با عرض بسیار کم یعنی تنها 1.2 میکرومتر پیاده‌سازی کرده است. از طرفی برای یک گوشی هوشمند استفاده از روش پیشرفته‌ی تشخیص فاز که مختص دوربین‌های حرفه‌ای است، یک امتیاز مهم به حساب می‌آید.

سامسونگ نام حسگر ویژه‌ای که برای این گوشی طراحی و تولید کرده را آیسوسل (ISOCELL) گذاشته است. تنها مزیت آیسوسل قابلیت تشخیص فاز نیست بلکه ویژگی اصلی و خاص آن، ایزوله کردن بخش‌های میکروسکوپیک حسگر و مدارات دریافت و انتقال سیگنال است که منجر به کاهش تداخل و دقیق‌تر و بهتر جذب شدن سیگنال‌ها می‌شود.

 

ایزوله کردن و افزایش سطح مفید در حسگر آیسوسل گلکسی اس 5

ایزوله کردن و افزایش سطح مفید در حسگر آیسوسل گلکسی اس 5

عملکرد نهایی دوربین گلکسی اس 5 هم طبق بررسی متخصصین، بسیار خوب است و در میان گوشی‌های هوشمند، یکی از برترین‌هاست.

تشخیص فاصله با تاباندن لیزر و فوکوس خودکار

اگر نام کینکت مایکروسافت را شنیده باشید، احتمالاً در مورد استفاده از مادون قرمز برای تخمین فاصله‌ی اجسام یا به اصطلاح Depth Detection هم مطالبی خوانده‌اید. ممکن است با پروژه‌ی خودروهای نقشه‌برداری نوکیا آشنا باشید و نام سیستم LIDAR را شنیده باشید که روشی مشابه برای تشخیص فاصله دارد. از تمام موارد آشناتر، ابزارهای تشخیص فاصله به کمک لیزر است.

اساس کار تمام وسایلی که نامشان را ذکر کردیم این است که تابنده‌ی مادون قرمز یا لیزر، دسته‌ای از پرتوها را در جهات مختلف به محیط پیرامون می‌تاباند. پرتوها به اجسام دور و نزدیک برخورد می‌کنند. برخی در جهات دیگر بازتاب می‌شوند و برخی دقیقاً به سمت حسگر لیزر یا مادون قرمز که روی وسیله‌ی تشخیص فاصله قرار گرفته برگشت می‌خورند. تشخیص فاصله با ارسال پرتو در تمام جهات شروع می‌شود.

اتوفوکوس لیزری با تابش پرتوی لیزر مادون قرمز شروع می‌شود

اتوفوکوس لیزری با تابش پرتوی لیزر مادون قرمز شروع می‌شود

قدم دوم در تشخیص فاصله، محاسبه‌ی زمان رفت و برگشت پرتو است. پرتویی که به جسم نزدیک برخورد کرده، بسیار سریع برمی‌گردد و پرتویی که به جسمی دور برخورد کرده، دیرتر به حسگر می‌رسد. بنابراین حسگر با محاسبه‌ای سرانگشتی متوجه می‌شود که در محیط روبروی آن، در چه نقاطی یک جسم نزدیک قرار گرفته و در چه نقاطی اجسام دوردست چیده شده‌اند.

محاسبه‌ فاصله از زمان رفت و برگشت اشعه‌ی لیزر

محاسبه‌ فاصله از زمان رفت و برگشت اشعه‌ی لیزر

محاسبه بسیار ساده است اما پیاده‌سازی آن در مقیاسی دقیق و ظریف، موضوعی نسبتاً پیچیده. به رابطه‌ی زیر توجه کنید:

رابطه‌ی فاصله و مدت زمان رفت و برگشت نور

رابطه‌ی فاصله و مدت زمان رفت و برگشت نور

حتی جالب است که حسگر به این نتیجه می‌رسد که در برخی نقاط پیرامون، سوژه‌ای وجود ندارد چرا که پرتویی از آن نقاط بازتاب نشده است! به نوعی سوژه‌ها از اصابت پرتوهای تشخیص فاصله جاخالی داده‌اند.

لیزر با طول موج‌های متفاوت در ابزارهای مختلف به کار رفته است. لیزر مادون قرمز، لیزر قرمز، لیزر آبی و حتی لیزر نامرئی که طول موج آن در محدوده‌ی امواج مرئی قرار نگرفته است و چشم انسان آن را تشخیص نمی‌دهد.

سونی در سال 2003 از مادون قرمز برای تخمین مسافت در دوربین‌های خود استفاده کرد. لیزر قرمز و آبی را بیشتر با سی‌دی‌رایترها و بلوری رایترها می‌شناسیم. لیزر نامرئی هم در موس‌های پیشرفته‌ی امروزی دیده‌ایم. این موس‌ها حتی وقتی روشن باشند هم به نظر خاموش می‌آیند!

در نهایت پس از تشخیص فاصله‌ی دقیق سوژه‌ی اصلی، مجموعه‌ی آپتیکی دوربین به کار می‌افتد و فاصله‌ی کانونی یا فاصله‌ی حسگر را به درستی تنظیم می‌نماید. به عبارت ساده‌تر اتوفوکوس لیزری یا Laser AF مأموریت اصلی خود که تنظیم فاصله‌ی حسگر و لنز یا فاصله‌ی کانونی است را به پایان می‌رساند.

ال‌جی جی 3 و فوکوس خودکار لیزری در ترکیب با روش تشخیص تضاد

آنچه در پرچم‌دار جدید ال‌جی بسیار جالب است، ادعای 0.276 ثانیه‌ای فوکوس خودکار با کمک لیزر است. ال‌جی در بهینه‌سازی فوکوس لیزری بسیار کوشیده و مشکلات مختلف را حل کرده است.

پرتوی لیزری که از فرستنده‌ی کوچک دوربین ارسال می‌شود، بسیار باریک است و احتمال اینکه چند بار بازگشت آن توسط حسگر لیزر ثبت شود، بسیار پایین خواهد بود. اما دقت نهایی همیشه در حد مطلوب نیست. بزرگ بودن سطح حسگر هم روی جذب پرتوها موثر است چرا که برای داشتن بالاترین دقت، ارسال و جذب نور باید به صورت نقطه‌ای باشد. ارسال و دریافت از نقاطی که فاصله‌ی زیادی دارند، دقت اندازه‌گیری فاصله‌ی اجسام را به شدت پایین می‌آورد. خوشبختانه در گوشی‌ها و دوربین‌ها، حسگر بسیار کوچکی تعبیه شده که دقت کافی دارد.

تابنده‌ی لیزر مادون قرمز و حسگر آن در LG G3

تابنده‌ی لیزر مادون قرمز و حسگر آن در LG G3

به عنوان مثال وقتی محیط پیرامون گوشی باز باشد و یا فاصله‌ی سوژه‌های یک چشم انداز طبیعی زیبا نسبتاً زیاد باشد، پرتوهای تابیده شده در انبوه پرتوهای موجود گم می‌شوند و از طرفی تعداد پرتوهای بازتاب شده، کمتر است. لذا دقت فوکوس لیزری پایین می‌آید.

اگر محیط شامل اجسامی باشد که لیزر را عبور می‌دهند هم همین اتفاق می‌افتد و فوکوس لیزری را کم‌دقت‌تر می‌کند.

 شرایط ایده‌آل برای نمایش قدرت فوکوس لیزری، نور پردازی ضعیف محیط و وجود سوژه‌های نزدیک است. در این شرایط روش تشخیص فاز یا تشخیص تضاد که در ادامه به آن اشاره می‌کنم، با مشکل مواجه می‌شوند چرا که اساساً تصویر روشنی از محیط روبروی دوربین در اختیار الگوریتم‌های پردازش تصویر قرار نمی‌گیرد اما با فوکوس لیزری به راحتی می‌توان در کسری از ثانیه فواصل اجسام را تشخیص داد.

روش فوکوس لیزری سرعت بسیار بالایی ندارد اما ال‌جی آن را بهینه کرده تا از نظر کارایی به ابزارهای پیشرفته‌ای که برای تشخیص سرعت و فاصله به کار می‌روند، نزدیک شود. برای جبران معایب تشخیص فاصله‌ی لیزری هم آن را با روش تشخیص تضاد ترکیب کرده است تا در نهایت کیفیت مطلوب برای حالات مختلف حاصل شود.

تشخیص تضاد

همان‌طور که در ابتدای مقاله اشاره شد، وقتی فاصله‌ی کانونی عدسی چشم با انبساط و انقباض ماهیچی‌ها به درستی تنظیم شود، سوژه‌هایی که در یک فاصله‌ی خاص هستند، کاملاً واضح روی حسگر بیولوژیکی چشم تصویر می‌شوند و خبری از لبه‌های ناواضح و مات نخواهد بود.

اساس روش تشخیص تضاد بر وضوح بالای لبه‌ها بنا شده است. به عبارتی ساده‌تر زمانی که دوربین مشغول انجام عملیات فوکوس خودکار است، تصاویر مختلف را به سرعت در اختیار پردازنده‌ی تصویر قرار می‌دهد. پردازنده‌ی تصویر با الگوریتم‌های خاصی به محاسبه‌ی کمی وضوح لبه‌ها می‌پردازد و به سرعت فرامین تغییر فاصله‌ی حسگر و لنز یا تغییر فاصله‌ی کانونی را ارسال می‌کند.

با هر مرحله تغییر فواصل، تصویر جدیدی به پردازنده داده می‌شود تا مجدداً وضوح لبه‌ها را محاسبه کند. در نهایت یک حالت بهینه که تضاد بالاتری دارد به عنوان حالتی که فوکوس صحیح و دقیق است انتخاب می‌شود و عکس نهایی ثبت می‌گردد.

سعی و خطا برای یافتن بهترین کنتراست و فوکوس

سعی و خطا برای یافتن بهترین کنتراست و فوکوس

اشکال جدی این روش ساده آن است که برای یافتن بهترین کنتراست، باید زمان زیادی صرف آزمودن فواصل مختلف شود و در نهایت مطابق تصویر زیر، فاصله به شکلی انتخاب شود که سوژه‌ی اصلی، بخشی از تصویر باشد که بیشترین تضاد را دارد. توجه کنید که نمودار ارایه شده، کنتراست یا تضاد بخش میانی تصویر را نشان می‌دهد. محور افقی نیز فاصله‌ی لنز و حسگر است. زمانی که فاصله کم یا زیاد باشد، کنتراست بخش میانی تصویر پایین است و در یک حالت خاص، کنتراست بالاترین مقدار خود را تجربه می‌کند:

فوکوس

فوکوس خودکار با تشخیص تضاد

نه تنها ال‌جی بلکه تمام سازندگان از این روش بنیادین به وفور استفاده می‌کنند و معمولاً سایر روش‌ها را با آن ترکیب می‌کنند تا سرعت عمل و دقت فوکوس خودکار در بالاترین حد ممکن باشد.

تشخیص تضاد در محیط کم‌نور که تصاویر آن غیر واضح است، چندان مفید نیست. روش استفاده از لیزر برای تشخیص فاصله‌ی اجسام در این شرایط بهتر جواب می‌دهد. حتی تشخیص فاز هم با سرعت عمل بالاتری که دارد، در عکاسی سریع، مفیدتر است.

اچ‌تی‌سی وان جدید یا HTC One M8

کمپانی اچ‌تی‌سی در دوربین پرچم‌دار خود به دنبال راه حل دیگری برای فوکوس خودکار بوده و روش استفاده از یک حسگر دوم برای تشخیص عمق یا همان تشخیص فاصله را انتخاب کرده است.

دو دوربین سمت پشت در اچ‌تی‌سی وان M8، یکی با رزولوشن پایین‌تر برای تشخیص فواصل

دو دوربین سمت پشت در اچ‌تی‌سی وان M8، یکی با رزولوشن پایین‌تر برای تشخیص فواصل

البته اچ‌تی‌سی به کمک تشخیص فاصله، قابلیت‌های نرم‌افزاری بیشتری را در اختیار کاربر می‌گذارد چرا که اطلاعات مربوط به فاصله هم در فایل تصویر ذخیره می‌شوند. قابلیت‌های ارایه شده همگی روی جدا کردن سوژه از پس‌زمینه تأکید دارند. در واقع فاصله‌ی سوژه‌ی اصلی با دیگر اجسام متفاوت است و می‌توان سایر اجسام را مات کرد تا افکتی شبیه افکت Bokeh حاصل شود.

اچ‌تی‌سی وان M8 و افکت بوکه مصنوعی به کمک حسگر تشخیص فاصله

اچ‌تی‌سی وان M8 و افکت بوکه مصنوعی به کمک حسگر تشخیص فاصله

UFocus برای فوکوس مجدد روی بخش‌هایی از تصویر کاربرد دارد

قابلیت UFocus در اچ‌تی‌سی وان M8

قابلیت UFocus در اچ‌تی‌سی وان M8

قابلیت Foregrounder ویژگی دیگری است که خود به روش‌های مختلف سوژه را از پس‌زمینه جدا می‌کند. مثلاً با خط خط کردن پس‌زمینه یا انیمیشنی کردن آن، سوژه‌ی اصلی برجسته می‌شود.

قابلیت Foregrounder در اچ‌تی‌سی وان M8

قابلیت Foregrounder در اچ‌تی‌سی وان M8

 

جمع‌بندی

سه روش مختلف در سه پرچم‌دار استفاده شده است و هر سه روش در ترکیب با روش کلی‌تر تشخیص تضاد، نتیجه‌ی خوبی دارند. سونی و نوکیا هم روش‌های مشابهی انتخاب کرده‌اند و در مجموع می‌توان گفت که فعلاً هر یک از روش‌ها در شرایط خاصی بهتر از دیگر روش‌هاست. در نور خوب تشخیص تضاد به کمک پردازنده‌های قدرتمندی که در گوشی‌های رده اول تعبیه شده، عملکرد رضایت‌بخشی دارد. در کنار این روش کلی، تشخیص فاصله و تشخیص فاز، هر دو در شرایطی بهتر از دیگری هستند.

در آزمایشات و بررسی‌ها مشخص شده که در مجموع سرعت ال‌جی G3 در انجام فوکوس خودکار نسبت به گلکسی اس 5 و اچ‌تی‌سی وان M8 کمی بهتر است. سامسونگ ادعا کرده بود که گلکسی اس 5 در شرایط خوب، در 0.3 ثانیه عمل فوکوس را به پایان می‌رساند. ال‌جی هم ادعای مشابهی دارد. در شرایط کم‌نور ال‌جی کمی سریع‌تر است و زودتر فوکوس می‌کند. اما اختلاف بین اعداد 1.4 ثانیه و 1.1 ثانیه که در برخی بررسی‌ها حاصل شده، بسیار کم است و نشان می‌دهد که روش‌های متفاوتی که سازندگان مختلف اختیار کرده‌اند، به خوبی بهینه شده و در عمل موثر واقع می‌شود.

در نور کافی سرعت فوکوس بسیار بالاست اما ال‌جی جی 3 با استفاده از سرعت فوکوس خودکاری لیزری خود و همچنین لرزشگیر آپتیکال آن که نسبت به جی 2 کمی بهینه شده و +OIS نامیده شده، عملکرد بهتری دارد و به عبارت ساده‌تر در میان گوشی‌های هوشمند، سریع‌ترین فوکوس را در اختیار کاربر قرار می‌دهد.