Jakým způsobem fotoaparáty ostří?

Znalost ostřicích systémů v těle fotoaparátu je velmi důležitá nejen při výběru nového fotoaparátu, ale hlavně při jeho používání. Různé metody mají své výhody i slabiny, a když je pochopíme, dokážeme odhadnout, jak je využít pro co nejlepší výslednou fotografii.

Lidskému oku stačí k automatickému zaostření na dané místo pouhé mrknutí. Pro stroj je ovšem tato operace mnohem složitější. Jak se s problémem ostření vypořádávají různé fotoaparáty? Co se děje ve fotoaparátu, když zaostřujeme na nějaký objekt? Podle použitého systému proběhne několik kroků, které si dále osvětlíme, a porovnáme výhody a nevýhody jednotlivých postupů.

Detekce kontrastu

Nejjednodušší přístup, kterému stačí sledovat část obrazu na hlavním senzoru a pak postupovat velmi přímočaře, je systém detekce kontrastu. Jeho princip je následující: systém zkusí jemně změnit zaostření objektivu (například směrem k nekonečnu) a pokud vyhodnotí, že se obraz rozmazal, zastaví svou činnost a zkusí ostřit na opačnou stranu. Jestliže se ale systému podařilo obraz zaostřit, pokračuje v pohybu čoček daným směrem, dokud se ostrost zlepšuje. O tom, jestli je zaostřeno, se systém dozví, až příslušné místo „přejede“ a obraz se zase začne rozmazávat. Pak je tedy potřeba vrátit se zpět, kde byl obraz nejlepší.

Míra rozmazání obrazu se zjišťuje pomocí algoritmů pro detekci kontrastu, odtud tedy plyne název metody. Tento systém nepotřebuje ke své práci žádný složitý hardware, takže ho lze použít kdekoliv. Najdeme ho v kompaktních fotoaparátech, stejně tak jako v mobilech nebo na webových kamerách.

Algoritmy se stále zlepšují, ale přesto jsou u těchto systémů pořád hlavní nevýhody – pomalý posun čoček, které musí neustále vyhodnocovat, co aparát vidí, a také to, že pro zaostření je potřeba dané místo minout a teprve poté se vrátit zpět, což celý proces ostření opět zpomaluje.

Detekce fázového posunu

Oproti tomu zrcadlovky používají zcela jiný systém, který ale vyžaduje zvláštní čip určený jen pro ostření. Na obrázku níže je tento čip vidět na spodní části těla fotoaparátu. Světlo k němu je odkláněno druhým zrcátkem, které je hned za tím hlavním (to je částečně průhledné).

Zjednodušeně si lze situaci představit tak, že tento senzor umožňuje na identický bod scény nahlížet zvlášť skrz levou a pravou část objektivu a vyhodnocovat rozdíly v těchto dvou obrazech.

Ve skutečnosti se používá zjednodušení a neporovnávají se celé obrazy, ale jen proužky o tloušťce 1 pixelu. Světlo, které přišlo zleva, se porovná s tím, které přišlo zprava, a z jejich rozdílu (fázového posunu) fotoaparát ihned ví, kterým směrem má pohnout s objektivem, a dokonce jak daleko. Je tedy možné přímo skočit na pozici, kdy obraz bude správně zaostřený! Tento způsob ostření je velmi rychlý a přesný.

Na rozdíl od detekce kontrastu tento systém dovoluje také snadno sledovat i pohybující se objekt. Protože mechanismy pohybující čočkami nejsou vždy přesné na sto procent, v realitě se po „skoku“ na předpokládané místo zaostření udělá ještě další zpřesňující odečet, a pokud se objeví ještě nějaká nepřesnost, provede se druhý korekční krok (respektive často se i během pohybu čoček stále vyhodnocuje fázový posun a přepočítává se, jakou vzdálenost mají ještě čočky urazit).

Pro ostření je klíčové, aby v obraze byly hrany, které jsou kolmé na onen detekční proužek (na fotografii výše vyznačený červeně). V případě, že bychom v příkladu nahoře chtěli zaostřit na místo, kde jsou jen horizontální hrany (například běžné žaluzie), fotoaparát by neměl šanci. Proto se přidává i druhý proužek s vertikální orientací, čímž vzniká křížový senzor. Vyšší typy zrcadlovek mohou mít některé senzory vylepšené o detekci šikmých hran – přidají ještě dva proužky křížem přes sebe, ale pootočené o 45 stupňů.

Nevýhodou tohoto přístupu je samozřejmě nutnost existence separátního čipu. Ostřicí body jsou u takového čipu navíc pevně dané, takže u základních zrcadlovek je tento systém kvůli ceně zjednodušený a je možné ho použít jen na několik (jednotek) bodů. U dražších modelů se zvyšuje počet a přesnost bodů.

Obrázek níže ilustruje ostřicí body Canonu 1D X. První obrázek ukazuje, jak vypadá hledáček s 61 ostřicími body. Na druhém obrázku je přehled detekčních proužků, které patří k jednotlivým bodům. Poslední obrázek je skutečná fotka AF senzoru.

Praktickým dopadem tohoto typu systému je nemožnost ostřit u videa nebo obecně při zvednutém zrcátku – světlo z venku se v tu chvíli jednoduše k ostřicímu čipu ani nedostane. Aparáty v tuto chvíli přepínají na „záložní“ detekci kontrastu, čímž ostření výrazně zpomalí.

Hybridní systémy

V mnoha fotoaparátech se používá kombinace obou přístupů. Detekční proužky pro fázové ostření jsou různým způsobem integrovány přímo na hlavním senzoru, kde nahradily některé barevné pixely. Vzhledem k tomu, že těch je obvykle nad deset milionů, ztráta pár set pixelů nevadí a chybějící obraz se dopočítá z okolí. Tento systém najdeme hlavně v bezzrcadlovkách (pokročilé fotoaparáty s výměnnými objektivy, ale bez zrcátka) a také například v Samsung Galaxy S5 a v iPhone 6.

Tento systém se rychlostí zatím většinou nevyrovná detekci fáze na samostatném senzoru, ale každým rokem se mu přibližuje. Obrovskou výhodou tohoto přístupu je možnost ostření i při natáčení videa a samozřejmě samotné odstranění zrcátka, což dovoluje rychlejší a jednodušší operace (a nechává méně věcí, které se mohou porouchat).

Ještě radikálnější byl Canon u modelu 70D, kde má každý pixel na hlavním senzoru svoji pravou a levou polovinu, a je tak možné fázově ostřit na libovolném místě ve snímku. Jedná se ale o zrcadlovku, která má i separátní AF senzor, takže tyto dělené pixely se využívají jen při natáčení videa a při Live View. Osobně si ale myslím, že v této technologii leží velký potenciál.

Trochu krok stranou předvedl velký experimentátor Sony, který se před léty rozhodl, že zkusmo vytvoří jednu řadu zrcadlovek s pevně zabudovanými zrcátky. Jak bylo zmíněno u zrcadlovek, jejich klasický problém je, že při sklopení zrcátka (natáčení videa, LiveView) přestane fungovat ostření. Právě zafixovaná zrcátka, která se nesklápí, tuto vadu na kráse odstraňují a ostření zůstane možné během libovolné operace. Nicméně Sony zároveň zrušilo optický hledáček, takže přístroj rámcově funguje jako kompakt (obraz z hlavního senzoru se zobrazuje v elektronickém hledáčku) a pevné zrcátko před snímačem slouží jen k odvedení části světla k ostřicím senzorům. Aby fungoval zároveň hledáček i ostření, zrcátko je poloprůhledné, takže tento systém se nazývá Single-Lens Translucent (SLT). Tímto způsobem ale přicházíme asi o 30 procent světla, takže aparát s sebou nese zvýšený šum.

Ostřicí algoritmus není všechno

V dalších článcích se podíváme na to, jaké pohony vůbec objektivy k ostření používají a zejména na to, jak v praxi z automatického ostření vytěžit co nejvíce.