Miten toimii digitaalikameroiden automaattinen tarkennus?

Käytettäessä linssejä kokoamaan kuva kameran filmille tai kennolle törmätään siihen, ettei kuva tule tarkkana kuin tietyltä etäisyydeltä. Linssi toimii siten, että äärettömän kaukaa tuleva kuva tulee terävänä polttovälin päähän linssin tasosta ja lähempänä olevat kohteet sitten hiukan taaksemmas.

Tarkennukseksi (focusing) kutsutaan sitä, että kameran linssistön paikkaa tai polttoväliä muutetaan filmiin nähden siten, että kuva tarkentuu halutulta etäisyydeltä filmille tai kennolle terävänä. Periaatteessa oikeat etäisyydet olisivat laskettavissa, mutta käytännössä tarkennus tehdään hienosäätämällä optiikan paikkaa siten, että kuva näkyy etsimestä terävänä. Aiemmin tämä oli täysin kuvaajan tehtävä käsin - nykyään myös kamera pystyy automaattisesti tarkentamaan.

Digitaalipokkareiden automaattinen etäisyystarkennus tuntuu aina olevan hidas ja epävarma. Digitaalijärjestelmäkamerat taas tarkentavat nopeasti ja hämärämmässäkin. Tämä ero johtuu siitä, että näissä käytetään erilaista tarkennustapaa. Pokkarit käyttävät kuvien ottoon tarkoitettua kennoa myös etäisyydenmittaukseen, järjestelmäkameroissa käytetään erillistä eräänlaiseen kontrastien vaihe-eroon perustuvaa mittaustapaa.

Kennolla tehtävä etäisyydenmittaus

Digitaalikamerat, joissa ei ole peilietsintä ja jotka pystyvät näyttämään videokuvaa kennollaan, pystyvät käyttämään kennoaan myös etäisyyden mittaukseen. Perusidea on suunnilleen seuraava:

Kamera siirtää optiikan tarkentamaan äärettömään
Kennolta haetaan tarkennuspisteestä lyhyehkö rivi pikseleitä (100-200 kpl)
Riville lasketaan kontrastiarvo: verrataan vierekkäisten pikselien arvojen erotuksia keskenään ja lasketaan esimerkiksi kunkin parin erotusten hajonta. Arvosta tulee suuri, kun rivillä on nopeita eroja valoisuuksissa, ja pieni, jos arvot vaihtuvat liukuen.
Kamera siirtää optiikan tarkennusta lähemmäksi.
Riville lasketaan taas kontrastiarvo. Jos arvo pysyy samana tai kasvaa, niin jatketaan kohdasta 4.
Kun arvo ensin kasvaa ja alkaa sitten pienetä, päätellään, että maksimikohdassa kuva oli tarkimmillaan, palataan siihen ja kerrotaan käyttäjälle kuvan tarkennetun.
Jos tarkennus tuodaan lähimpään mahdolliseen pisteeseen asti eikä tarkennusta löydy, niin kamera ei ole saanut tarkennettua.

Edellinen menetelmä pyrkii siis saamaan kuvassa näkyvät valoisuusvaihtelut mahdollisimman nopeasti vaihtuviksi. Menetelmä on sinänsä helppo, mutta ongelmana on hitaus. Mittaaminen täytyy aina aloittaa äärettömästä, kennosta pitää ottaa näytteitä paljon ja linssin liikuttamiseen ja näytteenottoon menee aina hetki aikaa. Menetelmä ei myöskään pysty seuraamaan liikkuvaa kohdetta kovin nopeasti.

Menetelmä voi käyttää useita kennon rivinpätkiä tarkennuspisteinä. Joko kameran itse päättää mikä niistä on sopivin, tai käyttäjä voi valita itse haluamansa tarkennuspisteen. Nykyisissä kennoissa voidaan kuitenkin käyttää vain joko vaaka- tai pystysuuntaisia rivejä, joten menetelmä ei välttämättä löydä taysin vaakasuoraa tai täysin pystysuoraa kontrastia. Yleensä myös käytetään vain kennon vihreitä antureita, joten vain punaista sisältävä kohde voi tarkentua huonosti.

Menetelmää on selvitetty englanninkielellä kuvien kanssa varsin hyvin tässä How Stuff Works -sivujen artikkelissa.

Kontrastien vaihe-eron mittaus

Sekä filmi- että digijärjestelmäkameroissa käytetään nykyään alunperin Honeywell:in kehittämää menetelmää automaattiseen tarkennukseen. Menetelmä toteuttaa sähköisesti saman kuin kaksoiskuvaan perustuva mittaetsintarkennus, jossa etsimen keskellä haetaan kuvanpuolikkaat pystysuunnassa samalle kohdalle.

Menetelmässä käytetään erillisiä antureita, joiden täytyy saada optiikan läpi näkyvää kuvaa. Yleensä tämä tehdään niin, että etsimen peili on osittain läpäisevä ja sen takana on toinen peili joka johtaa valon kameran alaosassa oleville antureille. Samasta kuvasta voidaan myös tehdä valotuksen mittaus. Kennoa ei voi käyttää esikatselukuvan näyttöön mittauksen aikana. Toinen vaihtoehto on sijoittaa anturit etsimen prismakoneistoon.

Kutakin tarkennuspistettä kohden on anturi, joka koostuu pysty- tai vaakasuuntaisesta yksiköstä, joissa kussakin on kaksi vertailevaa pikseliriviä (jälleen 100-200 pikseliä) ja niille valoa kohdistavat pienet linssit. Usein keskimmäinen tarkennuspiste koostuu sekä pysty- että vaakayksiköstä

Tämän menetelmän selostaminen vaatii kuvia ja onkin ehkä viisainta ensin käydä katsomassa tämä Pentaxin artikkeli, jossa on kuva etäisyysmittarin rakenteesta.

Seuraavassa yritetään kuvata yhtä vaakasuuntaista tarkennusyksikköä. Musta ja punainen piste ovat eri etäisyyksillä olevia kohteita, joista musta piste tarkentuu linssin taakse harmaalle kennopinnalle. Etäisyydenmittaus on nyt havainnollisuuden vuoksi sijoitettu kennon taakse, mutta todellisuudessa se on käännetty peilillä linssin takaa alas tai se on etsimen prismojen yhteydessä.

Oikeanpuoleiset suorakaiteet ovat rivi pikseleitä. Kummankin niiden edessä on pienet vierekkäin sijoitetut linssit, jotka kääntävät ja keskittävät kuvan pikseliriville. Linssit ovat sen verran pienet, että keräävät valoa, joka on kulkenut vain tiettyä reittiä pääoptiikan läpi. Ne toimivat neulanreikien tapaa, ja niiden tarkennus voidaan pitää kiinteänä.

Kuvaan on piirretty ne reitit, jotka kulkisivat kohteista linssin läpi tarkennustasolle ja tarkennusanturin linssin keskipisteen kautta. Optisella akselilla oleva kennolle tarkentuva kohde osuu aina samaan paikkaan pikseliriviä, liian kaukana oleva kuvautuu ulommas ja liian lähellä oleva sisemmäs.

Kohteet eivät kuitenkaan aina osu juuri optiselle akselille. Täten olennaista anturissa onkin, miten kahden eri pikselirivin kuva eroaa toisistaan. Anturi mittaakin kummassakin rivissä näkyvää musta-valkois-vaihtelun vaihe-eroa - etäisyyttä toisistaan. Alla on yksinkertaistettu esimerkki.

Kameran prosessori etsii samanlaiset jaksot pikselirivistä ja vertaa niiden etäisyyttä siihen etäisyyteen, minkä se tietää tarkaksi. Suoraan tästä etäisyyserosta se voi ohjata linssiä tarkentavaa moottoria oikean määrän ja oikeaan suuntaan. Hyvässä tapauksessa anturi tekee siirron jälkeen vain toisen mittauksen varmentaakseen tarkennuksen onnistumisen.

Tämäkin menetelmä tarvitsee toimiakseen kuvan kohdan, jossa on tumman ja vaalean kohtuullisen nopea muutos. Vaakasuorat anturit näkevät pystysuoria kontrastimuutoksia ja vastaavasti pystysuorat vaakasuoria. Ristikkäiset anturit ovat paras vaihtoehto.

Antureissa ei ole värisuodattmia, joten ne eivät ole herkkiä valon värille ja tarvitaan vähemmän valoa. Tarkennus voidaan tehdä hyvin nopeasti ja linssi voidaan siirtää suoraan edellisestä asennosta uuteen. Tämäkin nopeuttaa mikäli kuvataan melko samoilla etäisyyksillä olevia kohteita. Samoin liikkuvan kohteen seuraaminen on helppoa.

Menetelmä oli ensimmäisissä versioissa varsin epäluotettava. Yllä esitetty on periaate ja siihen täytyy lisätä varsin paljon älykkyyttä, jotta saataisin nykyisen järjestelmäkameran etäisyydenmittaus.

Optiikan liikuttaminen

Varsinaiseen tarkennukseen täytyy optiikan linssien asentoa muuttaa täysin mekaanisesti. Automaattitarkennuksessa tähän käytetään sähkömoottoria, joka pyörittää tarkentavaa linssiä kierteissä siirtääkseen sitä eteen tai taaksepäin. Digipokkareissa usein tarkennusta ei voi edes tehdä muuten kuin moottorilla - käsitarkennuskin tehdään sähköisesti.

Canonin järjestelmäkameroissa moottori on sijoitettu optikkaan, useissa muissa järjestelmissä kamerarunkoon. Canonilla optiikan moottoria ohjataan sähköisesti, muissa välitetään liikettä mekaanisesti akseleilla tai rattailla optiikalle.

Kovin suurta eroa ei ole siinä missä moottori on. Jos se on rungossa, niin periaatteessa runkoa vaihtamalla voidaan saada parempia tarkennusominaisuuksia kaikkiin käytössä oleviin objektiiveihin, eikä optiikassa tarvita kovin paljoa älykkyyttä. Taas optiikassa oleva moottori osaa sopeutua erilaisten optiikan ominaisuuksiin ja ohjaus on helpompaa.

4.11.2003