Focalizarea automata a camerei sau al obiectivului de filmat

Focalizarea automata a camerei sau al obiectivului de filmat

1.1.1.          Sistem de focalizare automat cu ultrasunete

Un prim sistem de focalizare automata a fost realizat cu ajutorul unui emitator de ultrasunete si a unui receptor. Se emit salve de impulsuri în domeniul ultrasunetelor, iar acestea se vor reflecta la întâlnirea lor cu un obiect. Durata drumului parcurs de pachetul de ultrasunete este o marime direct proportionala cu distanta pâna la obiectul filmat. În functie de aceasta durata se vor comanda lentilele de focalizare. Desi simpla si ieftina, aceasta solutie nu ofera performante deosebite, deoarece pot exista obiecte diferite de cel pe care se doreste a se realiza focalizarea, care sa reflete pachetele de ultrasunete si sa induca astfel în eroare sistemul de focalizare automata. În plus, gradul de focalizare al fascicolului de pachete de ultrasunete este relativ redus.

Figura 2.29. Principiul de focalizare automata ce foloseste ultrasunete.

1.1.2.          Focalizarea electronica ce foloseste un sistem în infrarosu (IR) de detectie

Camera video înzestrata cu un dispozitiv care focalizeaza automat trebuie sa compare distanta dintre obiect si camera, cu pozitia lentilelor de focalizare care corespunde unei alte distante obiect-camera. Atunci, micromotorul unui mecanism de focalizare actioneaza asupra lentilelor de focalizare pâna când acestea din urma sunt puse în pozitia corespunzatoare distantei actuale dintre obiect si camera. Pentru aceasta trebuie sa existe un detector de distanta si un detector de pozitie a lentilelor de focalizare, urmate de un comparator al rezultatelor celor doua masuratori, care furnizeaza o tensiune ce actioneaza asupra motorului de focalizare.

Pentru masurarea distantei dintre obiect si camera se utilizeaza metoda triunghiului, proiectând prin sistemul optic al camerei un fascicul de raze în infrarosu spre obiect, care î1 reflecta. Fasciculul reflectat este receptionat de camera cu un dispozitiv fotosensibil PSD de sesizare a distantei obiectului fata de camera.

Schema de producere si receptionare a fasciculului de raze infrarosii se da în figura 2.31, unde:

L = distanta dintre camera si obiect;

H = distanta dintre lentila camerei si lentila de receptie a fasciculului în infrarosu;

a = distanta dintre lentila de receptie si dispozitivul fotosensibil;

d = distanta dintre mijlocul dispozitivului fotosensibil si locul în care cade pe dispozitiv fasciculul în infrarosu.

Se observa ca se formeaza doua triunghiuri pentru care se poate scrie:

                                                                                                           (2.8)

de unde rezulta:

                                                                                                           (2.9)

Figura 2.30. Modul de determinare a distantei fata de obiect în cazul focalizarii automate

Figura 2.31. Modul de determinare a distantei fata de obiect în cazul focalizarii automate ce foloseste emisia fascicolului de raze infrarosii  prin obiectiv

Se va demonstra ca distanta x poate fi calculata cu ajutorul dispozitivului fotosensibil PSD. Acesta are doua iesiri, pentru curentii I₁, si I₂, si este prezentat în figura 7.12. Când fasciculul în infrarosu loveste dispozitivul, determina la cele doua iesiri câte un curent a carui intensitate depinde de distanta x fata de mijlocul dispozitivului, distanta care depinde la rândul sau de distanta dintre obiect si camera.

Se definesc urmatoarele marimi:

I = distanta dintre cei doi electrozi de iesire;

I₀ = curentul fotoelectric la o iesire atunci când fasciculul IR cade chiar la acea iesire.

Figura 2.32. Calcularea distantei în functie de pozitia razei reflectate de obiect pe PSD

Figura 2.33. Schema bloc a circuitului de comanda utilizat pentru focalizarea automata cu IR

La cele doua iesiri ale PSD se obtin urmatorii curenti:

  (2.10)

Daca se face suma si diferenta celor doi curenti, apoi raportul dintre suma si diferenta, se constata ca acest raport depinde de distanta x astfel:

                                                                                                           (2.11)

Înlocuindu-se x din formula (2.9) va rezulta:

                                                                                                           (2.12)

unde A, a si I sunt constante.

Raportul  este proportional cu distanta L dintre obiect si camera, deci camera îsi poate calcula distanta L cu ajutorul detectorului de distanta. Detectorul de pozitie a lentilelor de focalizare este constituit dintr-un traductor cu un contact mobil si 6 terminale fixe plus un terminal de referinta care este conectat la masa, ca în figura 7.13. Rezulta datele de pozitie reprezentate prin 6 biti, care identifica pozitia lentilelor de focalizare corespunzatoare unei anumite distante obiect-camera pentru care este valabila o focalizare. Cuvântul de cod de 6 biti intra într-un convertor digital-analogic, care este de fapt detectorul de pozitie a lentilelor.

Figura 2.34. Varianta de detector pentru pozitia lentilelor

Circuitul de focalizare automata care comanda motorul are schema bloc din figura 2.32. si se compune din circuitul care compara datele fumizate de detectorul de pozitie a lentilelor cu datele care reprezinta distanta L, fumizate de detectorul de distanta obiect-camera. Pe baza semnalului dat de etajul de atac al motorului se ajusteaza pozitia lentilelor pentru situatia de focalizare corecta.

1.1.3.          Focalizarea electromecanica

Un alt sistem electromecanic de focalizare automata este cel care elimina fenomenul de “vânare a focalizarii”. Acest fenomen înseamna de fapt ca focalizarea nu se face direct, ci imaginea este focalizata în fata/spatele tintei, la distante din ce în ce mai mici, pâna când imaginea este proiectata corect pe tinta. Noul sistem foloseste un fascicul în infrarosu generat de camera (de un LED în infrarosu), care este reflectat de obiect si revine la un senzor detector. Trecând sub un anumit unghi printr-o placa de sticla, fasciculul este supus refractiei. Daca fasciculul nu cade exact în centrul detectorului format din doua fotodiode alaturate, atunci motorul de focalizare actioneaza într-un sens sau altul, dupa cum fasciculul cade pe prima sau pe a doua fotodioda, actionând prin intermediul cilindrului lentilelor de focalizare si al unei came, si asupra placii de sticla. Schema de functionare a sistemului, precum si fotodetectorul sunt prezentate în figura 2.35.

Motorul lucreaza pâna când placa de sticla atinge acea pozitie în care fasciculul care trece prin ea, prin devierea produsa datorita refractiei, este adus chiar în centrul detectorului. În acest moment operatia de focalizare a luat sfârsit. Exista doua mari categorii de sisteme de focalizare. Una, deja prezentata, unde focalizarea automata se face utilizând un fascicul în infrarosu produs de camera, reflectat de subiect si receptionat tot de camera. A doua categorie de sisteme automate de focalizare foloseste chiar semnalul video produs de camera, care în lipsa focalizarii are o banda de frecventa mai mica, întrucât prin defocalizare se pierd detaliile fine ale imaginii care cade pe tinta si prin urmare si frecventele înalte din semnalul video care le-ar fi corespuns. Firma Canon, pentru putine obiective de înalt randament, foloseste pentru focalizare asa numitul motor cu ultrasunete care se bazeaza pe elemente piezoelectrice si care functioneaza silentios.

Figura 2.35. Schema de functionare a sistemului de focalizare electromecanica

1.1.4.          Focalizarea cu împartirea zonala a imaginii

Acest sistem a fost conceput pornind de la sistemul fiziologic de functionare al ochiului uman, si anume: daca sunt observate obiecte apropiate, atunci ochiul se focalizeaza asupra unui punct sau unei suprafete mici din câmpul vizual, iar când sunt captate scene mari, privite de la distanta mare, ochiul produce o focalizare pe suprafete mai mari din câmpul vizual. În conformitate cu acest principiu de functionare a ochiului, imaginea completa a camerei video este divizata în sase zone de focalizare, conform figurii 2.36, iar sistemul automat de focalizare va fi comutat pentru trei zone de lucru:

a)     zona de focalizare pe suprafata mica (1);

b)     zona de focalizare pe suprafata medie (1 + 2);

c)     zona larga de focalizare, care cuprinde suprafetele 16.

Figura 2.36. Modul de împartire a imaginii în cazul focalizarii automate

Comutarea pentru una din aceste zone de focalizare se face rapid, în concordanta cu schimbarea planului de captare al camerei video, fiind astfel controlata corect valoarea de evaluare a focalizarii folosita în vederea reglajului de focalizare. Acest principiu este folosit pentru controlul a trei functii din camera video, si anume:

focalizarea automata AF;

reglajul automat al diafragmei (Auto Iris)

reglajul automat al echilibrarii de alb AWB, functii realizate de un circuit comun.

În acest scop sunt necesare:

informatiile date de semnalul de luminanta Y” trecut prin doua cai cu câte un filtru trece-banda, pentru autofocalizare;

informatiile privind stralucirea imaginii trecute prin alt filtru trece-banda, pentru auto iris;

informatiile date de semnalele diferenta de culoare R – Y si B – Y, fiecare trecut prin cate un filtru trece-banda, folosite pentru reglajul de echilibrare pentru alb.

Semnalele culese de la cele cinci filtre suporta o conversie analog-digitala. Datele de la fiecare cadru de imagine (divizat în cele 6 zone) suporta o integrare digitala. Valorile obtinute în acest mod sunt furnizate unui microprocesor care va controla individual cele trei functii amintite mai sus. Schema bloc de functionare a unui astfel de sistem se da în figura 2.37. Sistemul contine si un detector de pozitie a lentilelor, pentru a determina distanta camera-obiect de vizualizat.

Figura 2.37. Schema bloc a sistemului de focalizare

O imagine defocalizata este în primul rând o imagine care nu mai contine detalii fine, dar detaliile fine constituie frecventele înalte din semnalul de luminanta. Atunci, în principiu, semnalul de luminanta YH este trecut printr-un filtru trece-banda FTB acordat pe o frecventa înalta din spectrul video. Cu cât imaginea este mai defocalizata, cu atât semnalul dat de FTB va fi mai mic. Sistemul de focalizare va actiona atunci în sensul în care semnalul dat de FTB va creste, si focalizarea va fi realizata în momentul în care acest semnal va fi maxim. Un detector de maxim care actioneaza pentru un cadru de imagine dupa ce semnalul digital este integrat, va decide ca focalizarea a fost realizata. La sistemul obisnuit de focalizare automata, daca se capteaza, spre exemplu, un peisaj, se realizeaza o focalizare fina pentru acesta, iar daca în cadrul respectiv intra un subiect, nu este posibila realizarea focalizarii fine automate pentru acesta din urma; deci subiectul central apare în afara focalizarii. Pentru depasirea acestui neajuns, zonele 1 si 2 sunt împartite în 16 subzone, iar informatiile de luminanta din fiecare subzona sunt comparate. Datele de la subzone se adauga valorii de evaluare a focalizarii, astfel ca se mentine focalizarea si asupra subiectului central. Împartirea zonala a imaginii s-a adoptat si pentru a se decide sensul de miscare a lentilelor, înainte sau înapoi, pentru realizarea focalizarii. În sistemul clasic, sensul se determina prin compararea informatiilor obtinute de la o suprafata mare de focalizare, înainte si dupa miscarea lentilelor. Spre deosebire de acest principiu, noul sistem foloseste informatia de la toata suprafata si informatia de la cele 16 subzone. Cele doua arii de informatii sunt comparate si apoi se ia decizia cu privire la distanta de deplasare a lentilelor.

Circuitele de control ale diafragmei si de compensare color disting conditiile de iluminare a exterioarelor si interioarelor. Când centrul cadrului este important si este în lumina slaba, este nevoie de focalizare precisa, în concordanta însa cu restul cadrului; în acest mod, sistemul logic fuzzy furnizeaza instructiuni pentru microprocesor, care va face autofocalizarea (AF) similar cu miscarea ochiului omenesc. Sistemul automat de control al irisului (diafragmei) examineaza luminozitatea în fiecare din cele 16 subzone si ia decizii de control al diafragmei în concordanta cu conditiile de filmare, controlul realizându-se foarte fin, în 256 de trepte, cu 8 biti. Legat de corectia de iris se face si corectia gamma, pentru care imaginea este împartita în 64 de zone. Prin corectia de gamma se întelege corectia raportului dintre logaritmul contrastului maxim al imaginii de televiziune si logaritmul contrastului maxim al imaginii obiectului, raport care pentru o imagine de calitate trebuie sa rezulte între 1,5 si 2. Aceasta corectie trebuie sa fie realizata în special când raportul semnal-zgomot rezulta ridicat. Când se filmeaza în conditii de iluminare din spate, valoarea gamma se micsoreaza pentru a comprima dinamica de actiune a luminozitatii, micsorând contrastul dintre fundal si subiect. Astfel, fundalul nu mai rezulta supraexpus. Sistemul traditional de control al albului foloseste informatia luata din semnalul video al întregii imagini. În noul sistem, întreaga imagine este împartita (fuzzy) în 64 de zone, apoi deviatia de culoare fata de alb din fiecare zona este comparata, putându-se face o compensatie cât mai potrivita prin procesare digitala. Când imaginea are o suprafata ocupata majoritar cu aceeasi culoare – de exemplu cerul albastru – nivelul de compensatie se restrânge pentru a face reglajul corect de alb. Acest tip de reglaj nu se realizeaza pentru suprafetele cu saturatie mare de culoare sau pentru culorile care rezista temperaturii de culoare. În cazul subiectului expus la razele soarelui sau la alta sursa puternica de lumina, tonul culorii se schimba datorita saturatiei de culoare. Pentru reglajul AWB în acest caz se exclud acele parti cu stralucire puternica.