تکنولوژی فوکوس خودکار Dual Pixel CMOS AF چپیست؟
یکی از اصلی ترین ویژگی های دوربین های EOS کانن، سیستم فوکوس خودکار (AF) سریع و قدرتمند آن ها است. در عصر دوربین های بدون آینه، وظیفه حفظ فوکوس خودکار قابل اعتماد و با کارایی بالا بر عهده سیستم Dual Pixel CMOS AF است که از تکنولوژی منحصر به فرد تشخیص فاز صفحه تصویر (سنسور تصویر) کانن استفاده می کند. این تکنولوژی چگونه کار می کند؟ چه چیزی آن را خاص می کند؟
در ادامه مقاله بیان خواهیم کرد که چگونه سیستم Dual Pixel CMOS AF به حصول فوکوس خودکار با دقت بسیار بالا و کیفیت تصویر عالی، هم در عکاسی و هم در فیلمبرداری کمک می کند.
سیستم AF Dual Pixel CMOS چیست؟
سیستم Dual Pixel CMOS یک سیستم فوکوس خودکار است که در دوربین های بدون آینه کانن، و در حالت تصویربرداری پخش زنده (Live View) برخی از دوربین های جدید DSLR کانن، مورد استفاده قرار گرفته است. این سیستم از فرم خاصی از تکنولوژی تشخیص فاز صفحه تصویر، که منحصر به کانن می باشد، استفاده می کند. تحت این تکنولوژی، تمامی پیکسل های موجود بر روی سنسور تصویر می توانند به صورت هم زمان هم در ایجاد تصویر و هم در تشخیص فاز، ایفای نقش کنند. این ویژگی دارای مزیت های زیر است:
- کیفیت بالای تصویر، بدون ایجاد اخلال در عملکرد فوکوس خودکار.
- پوشش گسترده فوکوس خودکار، تا 100 درصد ناحیه تصویر
- حداکثر سازی بهتر اطلاعات نور دریافت شده از طریق لنزهای سریع (دارای دیافراگم بزرگ)
- فوکوس و رهگیری سریع و یکپارچه سوژه در هنگام عکاسی و فیلمبرداری.
برای درک دقیق تر سیستم Dual Pixel CMOS AF، بهتر است ابتدا متوجه شویم که تشخیص فاز صفحه تصویر چگونه کار می کند.
تشخیص فاز چیست؟
روشی است که میزان تنظیم بودن فوکوس را از طریق تفاوت نوری که از دو مکان مختلف می آید، محاسبه می کند.
قبل از اینکه روش Dual Pixel CMOS AF ابداع شود، دو روش اصلی فوکوس خودکار تشخیص فاز وجود داشت که عبارتند از:
- فوکوس خودکار تشخیص فاز سنتی
- فوکوس خودکار تشخیص فاز صفحه تصویر
پویایی هریک از این دو روش متفاوت است: فوکوس خودکار تشخیص فاز سنتی که بیشتر در دوربین های DSLR مورد استفاده قرار می گیرد، اطلاعات را از یک سنسور جداگانه بدست می آورد. این در حالی است که در روش تشخیص فاز صفحه تصویر، از اطلاعات پیکسل های تشخیص فاز روی سنسور تصویر استفاده می شود.
علی رغم تفاوت در نحوه عملکرد، در هر دو روش نیاز است که از تفاوت میان اطلاعات استفاده شود. این اطلاعات از نوری که از دو مکان مختلف می آید، بدست می آید (از دو تصویر parallax که کمی با هم اختلاف دارند). سیستم AF از اختلاف این دو تصویر استفاده می کند تا اجزای مربوط به فوکوس لنز را به گونه ای تنظیم کند تا فوکوس صحیح حاصل شود.
روش فوکوس خودکار تشخیص فاز سنتی چگونه عمل می کند؟
A: پنتاپریسم (Pentaprism/pentamirror)
B: صفحه منظره یاب اپتیکال (OVF)
C: آینه اصلی
D: آینه ثانویه
E: سیستم سنسور AF
F: مسیر نور
در دوربین های DSLR، نوری که از طریق لنز (F) وارد دوربین می شود توسط آینه اصلی و ثانویه (C و D) به دو جهت بالا و پایین منحرف می شود.
نوری که به سمت بالا منحرف می شود از طریق پنتاپریسم به عنوان عکس OVF به منظره یاب منتقل می شود.
سیستم سنسور AF خود دارای دو میکرو-لنز است که نور ورودی بر روی سنسور AF را به دو تصویر (parallax) مجزا تقسیم می کند.
سیستم تشخیص فاز صفحه تصویر متعارف چگونه کار می کند؟
هنگامی که تشخیص فاز به جای یک سنسور مجزای AF، بر روی سنسور تصویر انجام می شود، به این روش تشخیص فاز صفحه تصویر (Image Plane Phase Detection) می گوییم. به طور سنتی، دوربین هایی که سنسور آن ها از این روش استفاده می کنند دارای دو نوع مختلف از پیکسل ها هستند:
- پیکسل های اختصاصی برای تشخیص فاز
- پیکسل های مرتبط به ایجاد تصویر
اطلاعات parallax از طریق زوج پیکسل های تشخیص فاز بدست می آیند. یکی از این زوج پیکسل ها دارای یک فتودیو (نوعی گیرنده نور که نور را به سیگنال الکتریکی تبدیل می کند) است که در سمت چپ قرار داده شده است و پیکسل دیگر در سمت راست آن قرار دارد و فاقد فتودیو است. عمل تشخیص فاز با آنالیز تمایز میان اطلاعات موجود در این دو پیکسل انجام می شود.
هر چه تعداد پیکسل های تشخیص فاز بیشتر باشد، عملکرد فوکوس خودکار ارتقاء خواهد یافت. اما باید توجه داشت که این کار ایجاد یک تعادل بین کیفیت فوکوس خودکار و تعداد پیکسل هایی که به صورت مستقیم در کیفیت تصویر موثر هستند، می باشد.
ضعف های سیستم تشخیص فاز صفحه تصویر متعارف
یک بازی جمع صفر (zero-sum) بین کیفیت تصویر بالا و عملکرد AF می باشد.
پیکسل های تشخیص فاز موجود بر روی سنسور تصویر که عملکرد تشخیص فاز متعارف را انجام می دهند، یک خلاء در آن نواحی باقی می گذارند که لازم است با عمل درونیابی پُر شوند. این عمل درونیابی به این صورت انجام می شود که اطلاعات لازم برای این نقاط خلاء با تخمین زدن از روی پیکسل های اطراف بدست می آیند.
خلاء های اطلاعاتی که نیاز است با درونیابی پر شوند.
کیفیت تصویر نهایی به میزان درونیابی هایی که باید انجام شود وابسته است. درونیابی، یک روش برای پر کردن اطلاعات از دست رفته است که با توجه به پیکسل های اطراف تخمین می زند که اطلاعات از دست رفته چه چیزهایی می توانسته باشد. اگر چه این روش می تواند تا سطحی از دقت را داشته باشد اما هنوز ممکن است در مقایسه با منبع اصلی اطلاعات خطاهایی وجود داشته باشد.
فرآیند معمولی تولید یک تصویر رنگی خود شامل درونیابی می شود. پیکسل های سنسور تصویر به خودی خود کور رنگ (colour blind) هستند. آن ها تنها می توانند میزان نوری که به آن ها می رسد را حس و ثبت نمایند. اطلاعات رنگ از طریق استفاده از فیلتر رنگ RGB که در جلوی سنسور تصویر قرار دارد، بدست می آید (Bayer Filter). به کمک فیلتر Bayer، اطلاعات مربوط به هریک از سه رنگ برای هر پیکسل ثبت می شود. اطلاعات هر پیکسل با اطلاعات پیکسل های اطراف تکمیل می شود تا یک تصویر تمام رنگی ایجاد شود.
در سیستم تشخیص فاز صفحه تصویر، خلاء موجود در اطلاعات تصویر در نواحی پیکسل های تشخیص فاز نیز باید از طریق درونیابی و با استفاده از پیکسل های اطراف پُر شوند. این فرآیند احتمال تحت تاثیر قرار گرفتن کیفیت تصویر را بالا می برد.
چه کار دیگری می شود کرد و چرا جواب نخواهد داد؟
تحت این سیستم، همواره یک مصالحه بین کیفیت تصویر و کارایی AF وجود دارد.
- کاهش تعداد و تراکم پیکسل های تشخیص فاز، تاثیر بد آن ها بر کیفیت تصویر را کاهش می دهد اما عملکرد فوکوس خودکار تحت تاثیر قرار خواهد گرفت و ضعیف می شود.
- تعیین پیکسل های فوکوس خودکار به صورت خطوط پیوسته (که منجر به افزایش تعداد و تراکم می شود) باعث ارتقاء عملکرد فوکوس خودکار می شود. اما این کار به معنای خلاء های بیشتر از اطلاعات است که نیاز به پر کردن از طریق درونیابی دارند.
- افزایش تعداد یا اندازه نقاط AF منجر به کاهش تعداد پیکسل های موثر در تصویر می شود که این موضوع سبب کاهش کیفیت تصویر می شود.
روش Dual Pixel CMOS AF راهکاری است که که کانن آن را توسعه داده است و بدون از دست رفتن کیفیت تصویر، عملکرد AF ارتقاء می یابد. با این روش تمامی پیکسل ها می توانند هم در کیفیت تصویر و هم در تشخیص فاز نقش داشته باشند.
معماری سیستم Dual Pixel CMOS AF
در معماری Dual Pixel CMOS، دو فتودیود برای هر پیکسل وجود دارد. تمامی پیکسل ها می توانند هم در تشخیص فاز و هم در کیفیت تصویر نقش ایفا کنند.
بر روی سنسور تصویری که برای فوکوس خودکار Dual Pixel CMOS طراحی شده است، مطابق آنچه که در شکل نشان داده شده است، برای هر پیکسل 2 فتودیود مجزا وجود دارد. اطلاعات موجود در فتودیودهای A و B به صورت جداگانه خوانده و مقایسه می شوند. اطلاعات هر دو فتودیود با یکدیگر ترکیب شده و به عنوان یک مقدار بازخوانی می شوند.
از آنجایی که فتودیودهای A و B جدای از یکدیگر هستند، هر یک از آن ها یک تصویر جداگانه ای را از دید خود ایجاد می کنند (تصاویر parallax). سیستم AF تفاوت های آن ها را آنالیز می کند (میزان تار بودن) و محاسبه می کند که اجزای داخلی لنز به چه میزان لازم است حرکت کنند تا تصاویر بر روی یکدیگر منطبق شوند. (در این صورت تصویر در فوکوس است.)
نکته ای اضافه: تشخیص فاز در مقابل تشخیص کنتراست
تشخیص کنتراست روش دیگری است که به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفته است و بر اساس تشخیص تضادهای کوچک در لبه های تصویر است. تشخیص فاز سریع تر از تشخیص کنتراست است. برخلاف تشخیص فاز، تشخیص کنتراست اطلاعاتی را در مورد فواصل به دست نمی آورد. در عوض، تصویر نشانده شده بر روی سنسور را ارزیابی می کند تا تفاوت در کنتراست ها را پیدا کند و آنقدر فوکوس را جابه جا می کند تا تصویری با کنتراست واضح ایجاد شود. این روش بیشتر شبیه عملکرد مغز ما در هنگام فوکوس دستی می باشد. این روش دقیق تر است اما کُندتر است. این روش فوکوس بیشتری را شکار می کند که می تواند به خصوص در فیلمبرداری مشکلاتی را ایجاد کند.
در طرف مقابل، فوکوس تشخیص فاز می تواند بگوید که نقطه فوکوس در جلوی سوژه (front-focused) یا در پشت سوژه (back-focused) است. این ویژگی سبب می شود سیستم به سرعت میزان حرکت واحد فوکوس لنز را محاسبه کند که در نتیجه فوکوس خودکار سریع و دقیق تر بدست می آید.
مزایای سیستم فوکوس خودکار Dual Pixel CMOS چیست؟
1- هر دو مزیت کیفیت تصویر عالی و عملکرد بالای فوکوس خودکار با یکدیگر وجود دارد.
در اینجا سیستم تشخیص فاز Dual Pixel CMOS در یک شکل ارائه شده است. توجه نمایید که سیستم Dual Pixel CMOS چگونه خلاء های اطلاعات را هم در تشخیص فاز و هم در تصویر برطرف نموده است.
تحت سیستم Dual Pixel CMOS AF، تمامی سنسور تصویر می تواند هم در تشخیص فاز و هم ثبت تصویر ایفای نقش کند. این ویژگی امکان فوکوس خودکار سریع، دقیق و منعطف را در محدوده وسیعی از سطح سنسور تصویر فراهم می کند.
نکته ای اضافه: قبل از سیستم فوکوس خودکار Dual Pixel CMOS چه بود؟
قبل از سیستم Dual Pixel CMOS AF، دوربین های بدون آینه (از جمله دوربین های کامپکت و فیلمبرداری) از یکی از سیستم های تشخیص فاز سنتی، تشخیص کنتراست یا ترکیبی از این دو استفاده می کردند. دوربین های DSLR نیز در حین فیلمبرداری از سیستم تشخیص کنتراست استفاده می کردند زیرا در هنگامی که آینه به سمت بالا قفل بود امکان استفاده از تشخیص فاز وجود نداشت.
کانن به این دلیل شروع به توسعه ی سیستم Dual Pixel CMOS AF کرد که تقاضا رو به رشد برای فیلمبرداری را پیش بینی کرده بود و این شد که دوربین های بدون آینه جایگاه ویژه ای پیدا کردند. این فرآیند از سال 2013 و با دوربین EOS 70D شروع شد و سرعت و دقت بالا در فوکوس خودکار تشخیص فاز به صورت هم زمان برای عکاسی و فیلمبرداری در یک دوربین ارائه شد.
2- فوکوس خودکار با پوشش 100 درصدی
زمانی که تمامی پیکسل های سنسور تصویر بتوانند تشخیص فاز را انجام دهند، فوکوس خودکار در محدوده گسترده ای از تصویر انجام خواهد شد. با این حال، این کار نمی تواند تنها با یک پیکسل انجام شود. سوژه ها زمانی شناسایی می شوند که چندین پیکسل بر روی اطلاعات تصویر در یک ناحیه AF مشخص، تشخیص فاز را انجام دهند. به این دلیل است که هر دوربین با حالت های متنوعی از نواحی AF ارائه می شود تا حالت های مختلفی را برای فوکوس خودکار فراهم کند.
برای مثال:
حالت 1 نقطه فوکوس خودکار (One point AF): یک ناحیه فوکوس خودکار کوچک را ایجاد می کند که دقت بالایی را برای شناسایی سوژه ها فراهم می کند تا بتوان فوکوس را بر روی آن ها ایجاد نمود. این حالت، کنترل بیشتری را برای ترکیب بندی در اختیار شما قرار می دهد.
حالت گسترش ناحیه فوکوس (Expand AF area): این حالت، قابلیت رهگیری سوژه را در زمان عکاسی از سوژه های در حال حرکت ارتقاء می دهد زیرا سیستم فوکوس خودکار علاوه بر استفاده از یک نقطه AF، از نواحی اطراف آن نیز برای تشخیص فاز استفاده می کند.
فوکوس خودکار نقطه ای (Spot AF): این حالت، یک ناحیه فوکوس خودکاری را ارائه می دهد که کوچکتر از حالت 1 نقطه AF می باشد. این حالت برای صحنه هایی که به فوکوس بسیار دقیقی نیاز است ایده آل می باشد.
حالت کل ناحیه فوکوس خودکار (Whole area AF): این حالت، کل ناحیه تصویر را به قاب های فوکوس خودکار با تراکم بالا تقسیم می کند. برای مثال دوربین EOS R6 Mark II دارای 1053 ناحیه است که در حدود 90% در 100% (افقی x عمودی) قاب تصویر را پوشش می دهد.
سیستم Dual Pixel CMOS به طور پیوسته با سیستم تشخیص سوژه EOS iTR AF و سیستم رهگیری سوژه، همکاری می کند. زمانی که یک سوژه شناسایی می شود، فوکوس خودکار برای تا 100 درصد ناحیه تصویر در دسترس می باشد. (ممکن است بسته به مدل دوربین تفاوت هایی وجود داشته باشد.)
3- بهره مندی از تمام مزیت های لنزهای سریع
یادآوری می کنیم که در روش تشخیص فاز برای محاسبه فوکوس خودکار از دو تصویر parallax استفاده می شود. یکی از این تصاویر از فتودیو سمت چپ و دیگری از فتودیو سمت راست به دست می آید. این دو تصویر دارای تفاوت هایی هستند زیرا نوری که این دو تصویر را می سازد از دو مسیر متفاوتی به فتودیوهای چپ و راست می رسد.
لنزهایی که دارای حداکثر دیافراگم بزرگتری هستند (لنزهای سریع) دارای دریچه دیافراگم بزرگتری هستند، بنابراین شکاف بین مسیر نوری که به فتودیو چپ می رسد و نوری که به فتودیو راست می رسد در این لنزها بیشتر است. این ویژگی سبب تمایز بیشتری بین دو تصویر parallax می شود که در نتیجه منجر به محاسبه دقیق تر فوکوس خودکار می شود.
سنسور تشخیص فاز موجود بر روی دوربین های DSLR را شاید بتوان به حساس به f/2.8، حساس به f/5.6 و الی آخر، توصیف کرد. این به این دلیل است که آنها برای کار با نورهایی با طول پایه خاص طراحی شده اند و فقط با لنزهایی با حداکثر دیافراگم خاص که دارای عدد f اعلام شده یا سریعتر هستند، کار می کنند. هر چه عدد f در مشخصه ” f/عدد-حساسیت ” کوچکتر باشد، دقت سنسور بیشتر خواهد شد. بنابراین یک سنسور حساس به f/5.6 می تواند با یک لنز f/2.8 کار کند اما دقتی که ارائه می شود به اندازه یک سنسور حساس به f/2.8 نخواهد شد. بعلاوه، حتی اگر با یک لنز سریع تر از f/2.8 کار کنید (مثلاً f/1.8) سنسور، تشخیص فاز را در آستانه f/2.8 اجرا خواهد کرد.
محدودیت هایی که ذکر شد برای سیستم Dual Pixel CMOS AF وجود ندارد زیرا این سیستم می تواند تمام اطلاعات ضروری را از پیکسل های سنسور تصویر استخراج نماید. اطلاعات نور وسیعی که توسط لنزهای سریع فراهم می شود به بهترین نحو توسط دوربین مورد استفاده قرار می گیرد تا به حصول فوکوس خودکار سریع و دقیق تر کمک کند.
سیستم Dual Pixel CMOS AF II چه ویژگی هایی دارد؟
سیستم Dual Pixel CMOS AF II نسخه ای از Dual Pixel CMOS AF است که از سیستم EOS iTR AF X، سیستم تشخیص سوژه کانن و سیستم رهگیری سوژه، که از تکنولوژی یادگیری عمیق (شاخه ای از هوش مصنوعی) بهره می برند، پشتیبانی می کند.
از آنجایی که دوربین های بدون آینه به طور فزاینده ای جایگزین دوربین های DSLR می شوند، و افراد بیشتری هم عکاسی و هم فیلمبرداری انجام می دهند، Dual Pixel CMOS AF یکی از فناوری های کلیدی است که برای بهبود قابلیت های دوربین ضروری است.
جمع بندی: ویژگی های کلیدی سیستم فوکوس خودکار Dual Pixel CMOS
این سیستم پوشش فوکوس خودکار وسیع، یکپارچه و سریع و امکان رهگیری عالی سوژه در هنگام عکاسی و فیلمبرداری را فراهم می کند.
فوکوس یکپارچه و دقیقی را ارائه می دهد زیرا تنها از سیستم تشخیص فاز استفاده می کند و در تمامی حالت ها نیازی ندارد که به سیستم تشخیص کنتراست تغییر وضعیت دهد.
تمامی پیکسل های سنسور تصویر می توانند هم در تشخیص فاز و هم در ایجاد تصویر نقش ایفا کنند. این ویژگی سبب ایجاد کارآیی بالا، پوشش وسیع فوکوس خودکار و کیفیت تصویر عالی می شود، بدون اینکه عملکرد هیچ یک بر دیگری تاثیر منفی داشته باشد.
