فوکوس خودکار قابلیتی بسیار کاربردی است که این روزها در اغلب دوربین‌ها اعم از کامپکت یا دوربین گوشی‌های هوشمند وجود دارد و به برکت وجود این قابلیت ثبت تصاویر بسیار سهل و لذت بخش شده است. فوکوس خودکار چیست و ساز و کار این فناوری چگونه است؟
اگر با لنزهای دستی کار کرده باشید، به سهولت تصویربرداری با وجود فناوری فوکوس خودکار اذعان خواهید کرد. فوکوس دستی با استفاده از لنزهایی که فاقد تنظیمات خودکار هستند، برای کاربران تازه کار امری بسیار زجر آور و سخت است؛ اما چگونه در گوشی‌های هوشمند استفاده از فوکوس خودکار همه چیز را تسهیل کرده است؟
برای پیاده‌سازی فوکوس خودکار فناوری‌های مختلفی وجود دارند و تولیدکنندگان از روش‌های مختلفی برای استفاده از این قابلیت در گجت‌های خود بهره می‌برند. در ابتدا بهتر است نگاهی به ماهیت مفهوم فوکوس داشته و سپس به سراغ فوکوس خودکار رفته و فرآیند تولید یک تصویر شفاف را در گوشی هوشمند بررسی کنیم.
فوکوس چگونه کار می‌کند؟
لنز مورد استفاده در دوربین گوشی‌هوشمند دقیقا از ساز و کار فوکوس در لنز چشم انسان تبعیت می‌کند. در فوکوس، نور تابیده شده روی سوژه به سمت سنسور هدایت شده و تصویر ثبت می‌شود.
در این بین انحنای لنز فاصله‌ی سنسور را برای ثبت یک تصویر شفاف تعیین می‌کند. برای درک بهتر این موضوع بهتر است به بیان مثالی ساده بپردازیم. اگر تاکنون از عدسی برای متمرکز کردن نور خورشید به منظور آتش زدن یک تکه کاغذ یا چوب خشک استفاده کرده باشید، می‌دانید که باید برای اثربخشی نور خورشید، عدسی را در فاصله‌ی مناسبی از شی مورد نظر نگه دارید تا بتوان با فوکوس بهتر، حرارت را متمرکز کرد.
کار لنز در دوربین‌ها نیز به همین ترتیب است و در صورتی که فاصله‌ی تعیین شده نامناسب باشد، تصویر خارج از فوکوس بوده و در نتیجه تار خواهد شد. به فاصله‌ی مورد نظر عمق سطح فوکوس اطلاق می‌شود.
اما قضیه به این سادگی نیست. نور خارج شده از اشیا در صورت برخورد به لنز شاهد تغییر در عمق سطح فوکوس خواهد بود. در صورتی که نور از فاصله‌ی بسیار دور به سمت لنز تابیده شود، اشعه‌ها نهایتا بصورت موازی به لنز می‌رسند. اشعه‌های مورد نظر توسط لنز تخت متمرکز می‌شوند، اما ضعف لنزهای تخت زمانی بروز می‌کند که نور از فاصله‌ی نزدیک به لنز تابیده شود که نتیجه‌ی آن تار شدن و عدم تمرکز نور است. شرایط در زمان استفاده از لنزهای خمیده برعکس خواهد بود.
فوکوس را می‌توان با چشمان خود نیز به وضوح درک کرد. برای مشاهده‌ی فوکوس در چشم خود، کافی است یکی از انگشتان شست خود را در نزدیکی چشم و دیگری را در فاصله‌ی دور قرار دهید، سپس با بستن یک چشم، می‌توان روی یکی از انگشتان فوکوس کرد. همانطور که ملاحظه می‌کنید، در صورتی فوکوس روی انگشت نزدیک، انگشتی که در فاصله‌ی دورتر قرار دارد، تار به نظر می‌رسد.
در مورد چشم، تغییر فوکوس با استفاده از ماهیچه‌های کوچکی انجام می‌شود که تغییر حالت لنز مورد استفاده را برعهده دارند. کار کشیدن بیش از حد از این ماهیچه‌ها باعث خستگی چشم می‌شود؛ از این‌رو است که در زمان نگاه کردن نزدیک به یک سوژه از فاصله‌ی نزدیک پس از مدتی احساس خستگی می‌کنیم.
اما در مورد دوربین‌ها که موضوع اصلی بحث ماست، خبری از ماهیچه نیست؛ چراکه دوربین‌ها از شیشه و پلاستیک تشکیل شده‌اند و تمام سیستم لنزها روی یک موتور قرار می‌گیرد و با بهره‌گیری از این سیستم فاصله‌ی بین لنز و سنسور تعیین می‌شود تا در بهترین حالت فوکوس صورت گرفته و در نتیجه عکسی شفاف ثبت شود. در لنزهای دستی وظیفه‌ی تنظیم لنز بر عهده‌ی عکاس است، اما این فرآیند در دوربین‌هایی که از وجود فوکوس خودکار بهره می‌برند، به چه صورت است؟
انواع روش‌های فوکوس خودکار
ساده‌ترین روش برای فوکوس خودکار استفاده از سیستم مکانیکی است که فاصله‌ی سوژه را اندازه‌گیری کرده و سپس براساس آن اقدام به تنظیم لنز و فوکوس می‌کند.
پولاروید (Polaroid) در سال ۱۹۸۶ اولین پتنت در رابطه با فوکوس خوکار را ثبت کرد که در آن از سونار یا همان امواج صوتی به منظور محاسبه‌ی فاصله‌ی سوژه استفاده شده است. این فناوری هرچند قادر است تا فاصله‌ی بین سوژه و دوربین را به درستی تشخیص دهد، اما در صورتی که بین سوژه و دوربین یک لایه شیشه‌ی تمیز وجود داشته باشد، به دلیل نرسیدن امواج صوتی ساطع شده به سوژه، شاهد ثبت تصویری تار و در نتیجه عدم کارکرد صحیح این روش خواهیم بود. برای مثال فرض کنید که درون خودرو یا هواپیما نشسته‌اید و می‌خواهید از منظره‌ی بیرون تصویربرداری کنید، اما نتیجه چندان دوست داشتنی نیست؛ چراکه به علت عدم تشخیص فاصله و فوکوس نادرست، تصویر تار می‌شود.
در این روش پالسی از نور مادون قرمزبه سمت سوژه گسیل می‌شود که هدف از این کار سنجش مدت زمان بازگشت با میزان نوری است که در هنگام بازگشت توسط سنسورهای دریافت می‌شوند. هر یک از این اطلاعات می‌توان فاصله‌ی سوژه را از دوربین تشخیص داده و براساس آن اقدام به فوکوس خودکار کند.
استفاده از این روش هرچند بسیار ساده و کاربردی است، اما مشکلاتی را نیز به همراه دارد. برای مثال می‌توان به سطوحی اشاره کرد که اشعه‌ی مادون قرمز را جذب می‌کنند و همین موضوع دلیلی برای اخلال در تشخیص فاصله‌ی سوژه و در نتیجه ایجاد تصاویری تار است. همچنین باید به سوژه‌های نظیر شعله‌ی آتش و نور شدید نیز اشاره کرد که می‌توانند سنجش میزان اشعه‌ی دریافتی را افزایش داده و در نتیجه در فرآیند فوکوس خودکار دوربین اختلالاتی را ایجاد کنند.
راه‌حل مقابله با مشکلات موجود و استفاده از سیستمی بدون ایراد به منظور بکارگیری فوکوس خودکار چیست؟
انواع روش‌های فوکوس خودکار پسیو
فناوری فوکوس خودکار پسیو با انجام تحلیل‌های ریاضی روی داده‌های خام تصویر نتیجه‌گیری می‌کند که آیا فوکوس انجام شده یا خیر.
یکی از معمول‌ترین روش‌هایی که در فوکوس خودکار پسیو استفاده می‌شود، شناسایی کنتراست یا Contrast Detection است. در این روش نواری از پیکسل‌ها از مرکز تصویر انتخاب شده و پیکسل‌ها یک به یک از نظر کنتراست با یکدیگر مقایسه می‌شوند و با دریافت نتایج مقایسه لنز سعی می‌کند تا به‌گونه‌ای تنظیم شود تا کنتراست در بیشینه‌ترین حالت خود قرار گیرد.
روی تصویر، قسمت‌هایی که بصورت تار ذخیره شده‌اند، کنتراست پایینی دارند. استفاده از این روش مشکلات سایر روش‌هایی را پیش‌تر به آن‌ها اشاره کردیم نداشته و از این‌رو بسیار دقیق‌تر است.در واقع این روش بهترین و صحیح‌ترین روش برای بهبود شفافیت تصویر از طریق فوکوس خودکار است.
این روش به اندازه‌ای موثر و کارا است که حتی می‌تواند در زمان تغییر خواص کانونی لنز نیز همچنان فوکوس کرده و تصویری شفاف را در اختیار کاربر قرار دهد. البته یکی از عیب‌های این روش نیاز به زمان برای انجام فوکوس خودکار است. همچنین در صورتی که پیکسلی با کنتراست بالا وجود نداشته باشد (مثلا در حالت نور کم یا بافت‌های یکنواخت)، این روش خروجی چندان خوبی را در اختیار کاربر قرار نداده و سرعت و دقت کمی دارد.
روش دیگر پیاده‌سازی فوکوس خودکار، تشخیص فاز نام دارد که در آن از دو میکرو لنز برای دریافت نور محیط و انعکاس آن روی دو سنسور استفاده می‌شود. با تحلیل نور ورودی، دوربین میزان موازی بودن اشعه‌های وارد شده به لنز دوربین را شناسایی کرده و از آن برای فوکوس خودکار صحیح استفاده می‌کند.
روش تشخیص فاز یکی از روش‌های سریع برای فوکوس نوری است، اما پیاده سازی سنتی آن توسط انعکاس نور منشور و محل جداگانه برای سنسورهای فاز هزینه‌ی زیادی را می‌طلبد و حجم زیادی را اشغال می‌کند، چراکه باید لنز، آینه و سنسورهای اضافه‌ای را در سیستم تعبیه کرد. این سیستم به دلیل هزینه و حجم بالا تنها در دوربین‌های DSLR رده بالا قابل مشاهده است. همچنین یکی دیگر از عیب‌های این سیستم، دقت پایین در مقایسه با روش تشخیص کنتراست است که این موضوع اهمیت خود را زمانی که چندین سوژه در عمق‌های مختلف تصویر وجود داشته باشند، خود را نشان می‌دهد. البته در چند سال اخیر شرکت‌هایی مانند سونی و کانن موفق شده‌اند که سنسورهای تشخیص فاز را درون سنسور به جای تعدادی از پیکسل‌ها قرار دهند. این کار نه تنها امتیازات تشخیص فاز مانند سرعت بالا را در اختیار کاربر قرار می‌دهد و در عین حال تعداد قطعات بسیار کمتر و هزینه کمتری برای پیاده‌سازی دارد. به تازگی این تکنولوژی حتی در سنسور دوربین تلفن‌های هوشمند نیز، مانند گلکسی اس 5 مورد استفاده قرار گرفته است.
اخیرا روش بهتری برای فوکوس خودکار مورد استفاده قرار می‌گیرد که در واقع ترکیبی از روش تشخیص فاز و تشخیص کنتراست است. در این روش فوکوس با استفاده از روش تشخیص فاز انجام شده و سپس بهبودهای جزئی از طریق روش تشخیص کنتراست صورت می‌پذیرد. با توجه به فناوری‌های مورد استفاده و همچنین دارا بودن ویژگی‌هایی نظیر سرعت و دقت در این دوربین‌ها، قیمت این محصولات نیز بسیار گران است، اما انتظار می‌رود در سال‌های آینده شاهد کاهش قیمت این محصولات باشیم.
باید توجه داشت که هر ساله شرکت‌هایی مانند الیمپوس، پاناسونیک و سونی با بهبود الگوریتم‌ها و تکنولوژی‌های فوکوس خودکار فاصله دو تکنولوژی تشخیص فز و تشخیص کنتراست را در دقت و سرعت کم کرده‌اند.
آینده‌ی فناوری‌های فوکوس خودکار
اخیرا استفاده از فناوری‌های جدیدتری نیز گسترش یافته که از جمله‌ی آن می‌توان به فوکوس در دوربین‌های لایترو یا Light Field Camera اشاره کرد. دوربین‌هایی که از این فناوری استفاده می‌کنند پس از ثبت تصویر اجازه‌ی فوکوس در بهترین حالت ممکن را برای کاربر فراهم می‌کنند.
در ادامه به بیان پله به پله‌ی روشی خواهیم پرداخت که می‌توان از طریق آن بهترین فوکوس را در تصویر داشت:
- در مرحله‌ی اول باید دوربین را بصورت ثابت به گونه‌ای نگه داشت و از این موضوع اطمینان حاصل کرد که فوکوس بصورت کامل انجام شده است. در صورتی که دوربین از فناوری تشخیص کنتراست یا سایر فناوری‌های فوکوس خودکار استفاده می‌کند، بهتر است چند ثانیه صبر کنید تا فوکوس خودکار به بهترین شکل ممکن انجام شود.
- باید اطمینان حاصل کرد که سوژه در میان کادر تصویر قرار دارد. این موردی است که تقریبا اغلب سیستم‌‌های فوکوس خودکار از آن پیروی می‌کنند و براساس آن باید سوژه در میان کادر تصویر قرار گیرد.
- باید از فناوری فوکوس خودکاری که توسط سیستم استفاده می‌شود، آگاهی داشته باشید تا در انتخاب سوژه‌ها و کادر تصویری که می‌خواهید از آن تصویری را ثبت کنید براساس ویژگی‌های سیستم فوکوس تصمیم بگیرید. برای مثال در صورتی که دوربین از سیستم تشخیص کنتراست استفاده می‌کند، ثبت تصاویر از سوژه‌ای که پشت آن یک رنگ است، نتیجه‌ای خوبی را دربر نخواهد داشت.