تکنولوژی فوکوس خودکار PDAF چیست و چگونه کار می‌کند؟

تکنولوژی‌های فوکوس خودکار در گوشی‌‌های هوشمند طی سالیان گذشته تغییر و تحولات زیادی را پشت سر گذاشته‌اند. با این حال ممکن است بسیاری تصور کنند این تکنولوژی‌ها میان تمامی گوشی‌ها یکسان است؛ در صورتی که چنین نیست و انواع مختلفی دارد. در این مقاله قصد داریم به سراغ یکی از مرسوم‌ترین سیستم‌های فوکوس خودکار برویم و نحوه کار آن به همراه مزایا و معایب آن را بررسی کنیم. در ادامه با دیجیاتو همراه باشید تا سیستم فوکوس خودکار PDAF را بهتر بشناسیم.

فوکوس خودکار PDAF چیست و چگونه کار می‌کند؟

همانند اکثر ویژگی‌های کاربردی و حیاتی که طی سالیان متمادی به دنیای عکاسی با موبایل قدم گذاشته‌اند، تکنولوژی فوکوس خودکار PDAF یا «فوکوس خودکار تشخیص فاز» (Phase Detection Auto Focus) نیز در ابتدا در در دنیای دوربین‌های DSLR به کار گرفته شد. اکنون می‌خواهیم نحوه کار سنتی این سیستم را در دوربین‌های حرفه‌ای بررسی کنیم.

اگر به شماتیک دوربین حرفه‌ای دیجیتالی نگاه کنید، یک آینه بازتابی با زاویه ۴۵ درجه خواهید دید. پشت این آینه، آینه‌ای دیگری قرار دارد که بخشی از نور را به سنسور تشخیص فاز انتقال می‌دهد. در تصویر زیر به ترتیب شماره ۲، ۳ و ۷ نشانگر آینه اصلی، آینه ثانویه و سنسور تشخیص فاز هستند. اکنون که محل قرارگیری این سنسور را می‌دانیم، به نحوه کار آن می‌پردازیم و برای این کار باید مراحل ثبت عکس را مرور کنیم.

در مرحله اول، نور از طریق لنز، وارد دوربین می‌شود (۱). آینه اول با زاویه ۴۵ درجه، اکثر نور وارد شده به سنسور را (۲) به صورت عمودی به منشوری پنج وجهی می‌تاباند (۸). این منشور نور عمودی را به صورت افقی در می‌آورد تا شما از طریق منظره‌یاب (۹) بتوانید تصویر را مشاهده کنید. باقی نور از طریق آینه اصلی به آینه ثانویه (۳) تابیده می‌شود و با زاویه ۵۴ درجه (۶) (در اکثر دوربین‌های مدرن) به سنسور تشخیص فاز می‌رسد (۷). در این مرحله نور به مجموعه‌ای از سنسور‌ها هدایت می‌شود (دو سنسور به ازای هر نقطه فوکوس خودکار).

دوربین سپس این دو تصویر را تحلیل و بررسی می‌کند و اگر با یکدیگر برابر نباشند، به سیستم لنز (۵) دستور می‌دهد تا فاصله خود را تنظیم کند و به فوکوس مناسب برسد. تا این جا همه چی بسیار ساده به نظر می‌رسد، اما برای این که عکس‌ها دقیق و واضح ثبت شوند، باید فاصله میان سنسور تشخیص فاز از لنز و فاصله میان لنز و سنسور اصلی، دقیقا یکسان باشند. این فاصله، کار را برای بسیاری از دوربین‌های حرفه‌ای سخت می‌کند و اگر حتی کمترین تفاوتی میان این دو فاصله باشد، با مشکلات فوکوس دست و پنجه نرم خواهیم کرد.

اکنون که وظیفه سنسور PDAF را می‌دانیم، به نحوه کار آن خواهیم پرداخت. همان طور که می‌دانید، هر دوربینی تعدادی نقطه فوکوس داشته که به ازای هر نقطه فوکوس، دو سنسور تشخیص فاز دارد؛ یکی برای هر دو سنسور. در تصویر زیر برای ساده‌سازی تنها از دو خط نوری استفاده شده، در صورتی که در حالت واقعی، تعداد نقاط فوکوس در دوربین‌ها بسیار بیشتر است.

زمانی که نور به این دو سنسور برسد، در صورت واضح بودن تصویر، خطوط نوری از کناری‌ترین لبه لنز به مرکز هر دو سنسور همگرا می‌شوند ( تصویر شماره ۲). در نتیجه هر دو سنسور، تصاویری دقیقا مشابه یکدیگر داشته و با هم منطبق هستند که نوید عکسی با فوکوس بی‌نقص را می‌دهد. در صورتی که عکسی در وضوح بی‌نقص نباشد، خطوط نوری دیگر همگرا نشده و هر کدام به بخش‌های مختلفی از سنسور‌ها می‌رسند (تصاویر شماره ۱، ۳ و ۴).

با استناد به فاز‌های به دست آمده از دو تصویر، سنسور PDAF تشخیص می‌دهد که سوژه جلوی نقطه فوکوس قرار دارد یا پشت آن. در گام بعدی سنسور PDAF به لنز دستور می‌دهد فاصله خود را تنظیم کند تا دو خط نوری (فرضی) همگرا شده و به مرکز سنسورها برسند. این کار می‌تواند به دفعات اتفاق بیفتد تا تصویر با وضوح کامل حاصل شود. در حالتی که تعداد این دفعات زیاد شود، لنز محل قرارگیری خود را ریست می‌کند و از ابتدا به دنبال پیدا کردن فوکوس مناسب می‌گردد. این پدیده با نام شکار فوکوس (Focus Hunting) هم شناخته می‌شود.

این نکته را در نظر بگیرید که تمامی این پردازش‌ها در کسری از ثانیه صورت می‌گیرد و به همین دلیل است که سرعت فوکوس خودکار PDAF، نسبت به مدل سنتی‌تر (تفاوت کنتراست) بیشتر شده. همچنین با پیشرفته‌تر شدن سنسور‌ها، تعداد نقاط فوکوس نیز بیشتر شده و دقت این تکنولوژی نیز افزایش یافته است.

فوکوس خودکار PDAF در گوشی‌های هوشمند

همانطور که توضیح دادیم، سنسور‌های تشخیص فاز مستقل از سنسور اصلی هستند و به همین دلیل فضایی مخصوص به خود را اشغال می‌کنند. گوشی‌های هوشمند چنین فضایی را ندارند و به همین دلیل برای بهره‌مند شدن از این تکنولوژی فوکوس خودکار PDAF، باید فکری به حال فضای آن کرد. خوشبختانه این مشکل با ادغام دو سنسور تشخیص فاز و سنسور اصلی برطرف شده است.

اکنون می‌دانیم که تکنولوژی فوکوس خودکار PDAF به ازای هر نقطه فوکوس، نیاز به دو سنسور مجزا دارد. سازندگان سنسور‌های موبایل مانند سونی، این مشکل را با تعبیه فتودیود‌هایی در سنسور اصلی حل کرده‌اند. در نتیجه بخش اندکی از فضایی که پیش از این توسط یکی از سه پیکسل RGB اشغال می‌شد، به این فتودیود‌ها اختصاص داده می‌شود.

با کمی دقت به عکس  بالا می‌توان دید که سازندگان این سنسورها، عموما نصف یک پیکسل سبز را به فتودیود PDAF اختصاص می‌دهند تا از مزایای سنسور‌های فوکوس خودکار PDAF بهره ببرند. در این جا هم اوضاع به همان منوال گذشته است؛ یعنی برای تشخیص و انطباق دو فاز، به دو فوتودیود نیاز داریم. به همین دلیل پیکسل‌های سبز دیگر نیز نصفی از فضای خود را در اختیار فتودیود PDAF قرار می‌دهند تا هر نقطه فوکوس به دو سنسور PDAF دلخواه خود دسترسی داشته باشد.

همان طور که تصویر بالا مشهود است، لازم نیست تمامی پیکسل‌های یک سنسور به فتودیودها اختصاص یابد. به صورت مرسوم، عموما ۵ الی ۱۰ درصد سطح یک سنسور، در اختیار فتودیودهای PDAF قرار می‌گیرد. سازندگان سنسور‌های گوشی هوشمند از نواری‌های عمودی و افقی برای این فتودیدو‌های PDAF استفاده می‌کنند.

نکته‌ای که باید در نظر گرفت این است که اگر سازنده سنسوری تصمیم بگرد تنها از نوار‌های عمودی فوکوس خودکار PDAF بهره ببرد، سنسور در تشخیص خطوط افقی به مشکل برمی‌خورد. به همین دلیل سنسور‌های پیشرفته‌تر در گوشی‌ها و دوربین‌های بهتر، از خطوط متقاطع استفاده می‌کنند تا وضوح بی‌نقص‌تری را به ارمغان بیاورند.

مزایا و معایب فوکوس خودکار PDAF

همانطور که پیشتر در طول مقاله اشاره کردیم، تکنولوژی فوکوس خودکار PDAF مزایا و معایبی دارد. ابتدا به سراغ ویژگی‌های مثبت این تکنولوژی می‌رویم. در حالت کلی، برتری این تکنولوژی نسبت به نوع سنتی یا همان تشخیص تفاوت کنتراست، غیر قابل کتمان است. فرایند تشخیص تفاوت در میزان وضوح یک تصویر به سرعت انجام می‌شود و چون همانند سیستم‌های تشخیص کنتراست نیاز به پردازش کل مساحت سنسور را ندارند، سیستمی سریع‌تر هستند. فوکوس‌های کنتراستی عموما کل تصویری که توسط سنسور ثبت می‌شود را پردازش و تحلیل می‌کنند و با تغییر مداوم فاصله کانونی، به دنبال واضح‌ترین تصویر می‌گردند.

در تکنولوژی فوکوس خودکار PDAF این کار تنها توسط فتودیودهای تعبیه شده در سنسور صورت می‌گیرد و در نتیجه آن را به گزینه‌ای بهتر برای ثبت واضح‌ترین عکس از سوژه‌های متحرک تبدیل می‌کند، زیرا سنسور مناسب‌ترین فاصله برای رسیدن به وضوح بی‌نقص را محاسبه کرده است و تنها دستور جابجایی به لنز را می‌دهد. اکنون به سراغ چند مورد از مشکلات و نقص این سیستم فوکوس خودکار می‌رویم.

همانطور که گفتم یکی از مشکلات این تکنولوژی شکار فوکوس است و در صورتی که الگوریتم‌های پردازشی بی‌نقص اجرا نشوند، دوربین یا گوشی شما به صورت مداوم به دنبال پیدا کردن نقطه بهینه فوکوس می‌گردد. مشکل دیگر مربوط به کوچک بودن سنسور‌های به کار رفته در گوشی‌های هوشمند است. در این جا اما با مشکلاتی زنجره‌ای طرف هستیم.

سنسور‌های گوشی‌های هوشمند از انواع به کار رفته در دوربین‌های حرفه‌ای، بسیار کوچکتر هستند که خود منجر به کاهش ابعاد هر پیکسل می‌شود. به صورت میانگین، ۷.۵ درصد از این پیکسل‌ها، فضای خود را در اختیار فتودیود‌های PDAF قرار داده‌اند. در نتیجه به صورت کلی سنسور، نور کمتری دریافت می‌کند که کارایی دوربین گوشی در محیط‌های کم نور یا طی عکاسی در شب را کاهش خواهد داد.

بسیاری از سازندگان گوشی‌های هوشمند این مشکل را به صورت سخت‌افزاری و نرم‌افزاری برطرف کرده‌اند. برخی از آن‌ها افزایش سایز سنسور را در دستور کار قرار داده‌اند؛ برخی در کنار تکنولوژی فوکوس خودکار PDAF از روش‌های سنتی کنتراست نیز بهره می‌برند؛ تعدادی از سیستم‌‌های فوکوس خودکار لیزری استفاده می‌کنند و در نهایت الگوریتم‌های نرم‌افزاری به کمک سازندگان می‌‌آید.

چندین مدل از این پیشرفت‌ها را می‌توان در فوکس پیکسل اپل، دوئال پیکسل سامسونگ و قابلیت‌های نرم‌افزاری فوق‌العاده گوگل و هواوی طی فرایند عکاسی در شب دید. در نهایت باید گفت ۸۰ درصد از مشکلات فوکوس خودکار، همزمان با معرفی تکنولوژی فوکوس خودکار PDAF به دنیای عکاسی با گوشی هوشمند برطرف شده و باقی آن با پیشرفت بیشتر تجهیزات سخت‌افزاری و الگوریتم‌های پردازشی نرم‌افزاری نیز از بین خواهد رفت.