สวัสดีครับ

ขอเปลี่ยนชื่อซีรีส์จาก “ฟิสิกส์กับเลนส์กล้อง” มาเป็น “มีอะไรอยู่ในกล้อง” นะครับ  เพราะบางทีเรื่องที่อยากเล่ามันไม่ได้เป็นฟิสิกส์ และก็ไม่ได้เกี่ยวกับเลนส์ซะทุกครั้งไป  กะว่าจะเขียนไปเรื่อยๆ เมื่อยก็หยุดครับ พยายามให้ห้องกล้องมีบรรยากาศวิชาการอยู่เรื่อยๆ ถือว่าไหนๆก็เสียเงินซื้อกล้องกันมามากแล้ว ก็ได้เกร็ดเล็กเกร็ดน้อยเกี่ยวกับการทำงานของกล้องติดมือกลับไปบ้างก็ยังดีครับ

วันนี้จะพูดถึงระบบ Autofocus ของกล้องครับ ว่ามันทำงานยังไง มีข้อดีข้อเสียต่างกันยังไง ทำไม PDAF ถึงได้เร็วกว่า CDAF และทำไม CDAF ถึงแม่นกว่า PDAF


มันย่อมาจากอะไร  

แน่นอน.... AF มาจากคำว่า autofocus หรือระบบโฟกัสอัตโนมัติ  คงคุ้นเคยกันดีอยู่แล้ว
จุดมุ่งหมายของ autofocus ก็คือเพื่อปรับระยะชัดของเลนส์ให้ถูกต้องโดยอัตโนมัติ โดยไม่ต้องใช้มือหมุน+ตามอง ซึ่งช้าและไม่ค่อยแม่น

PDAF มาจากคำว่า Phase detection AF คำว่า phase นี้แปลว่ามุมครับ  (หากใครเคยได้ยินคำว่าไฟสามเฟส อันนั้นก็คือสายไฟสามเส้นที่มีลูกคลื่น sine ที่มีมุมเริ่มต้นต่างกัน) ที่จริง phase ในเรื่องนี้จะหมายถึงตำแหน่งของเส้นแสงที่ตกกระทบเซนเซอร์ซะมากกว่า  ซึ่งเขาจะใช้ “ผลต่างเฟส” ของแสงสองเส้นเวลาที่ยังโฟกัสไม่เข้า เพื่อมาคำนวณว่าต้องขยับเลนส์อย่างไร

ส่วน CDAF มาจาก Contrast detection AF ก็คือใช้ความเปรียบต่าง (contrast) ของตำแหน่งที่สนใจในภาพนั้นเองมาเป็นตัวบอกว่าโฟกัสเข้าหรือยัง


แล้วมันทำงานยังไง

กลไกของ PDAF ตามรูปเลยครับ มันคือหลังจากแสงผ่านเข้าเลนส์มาแล้ว ก็จะถูกกระจกชิ้นหนึ่งสะท้อนลงมาที่ออโตโฟกัสเซนเซอร์  ภายในออโตโฟกัสเซนเซอร์หนึ่งชุด (ซึ่งกล้องสมัยนี้มักจะมีตัวละหลายชุด) ประกอบด้วยรูแคบๆสองรู เลนส์เล็กๆสองชิ้น เซนเซอร์เล็กๆอีกสองอัน และวงจรอีกจำนวนหนึ่งที่เอาไว้เปรียบเทียบแสงที่ตกลงบนเซนเซอร์สองชิ้นนั้น



หลักการของ PDAF คือ “จุดที่ชัด คือจุดที่เส้นแสงตัดกันพอดีบนเซนเซอร์”  เราจะเปรียบเทียบตำแหน่งของแสงที่ตกลงบน PDAF sensor ทั้งสองตัวนั้น  ถ้าภาพชัด แสงก็ควรจะตกที่ตำแหน่งเดียวกันของทั้งสองตัว แต่ถ้ายังไม่ชัด ก็จะต้องนำผลต่างของตำแหน่งที่แสงตกกระทบต่างกันนี้ไปคำนวณว่าต้องขยับเลนส์เข้าหรือออก และขยับมากน้อยเท่าไหร่  

ที่ต้องมีเลนส์และเซนเซอร์เล็กๆสองชุด ก็เพื่อให้เกิดสิ่งที่เรียกว่า “ผลต่างเฟส” ครับ  

หน้าตาสิ่งที่ปรากฏบนเซนเซอร์คือ จุดสว่างที่มีความเข้มที่สุดตรงกลาง และรอบๆข้างก็ค่อยๆจางลง   เวลาเราปล่อยแสงให้ผ่านเข้ามาสองจุด ถ้ายังโฟกัสไม่เข้า ก็จะมีจุดแสงแบบนี้ตกบน AF sensor สองตำแหน่งเช่นกัน กรณีนี้เรียกว่า “เฟสไม่ตรงกัน”  การ autofocus คือการขยับเลนส์ไปมาให้แสงสองจุดนี้ทับกันพอดี คือ “เฟสตรงกัน” นั่นเอง

ทีนี้ถ้ามี AF sensor แค่ชุดเดียว เราจะรู้ว่ามันชัดก็ต่อเมื่อมันจะชัดแล้วเท่านั้น แต่จะคำนวณไม่ได้ว่าต้องขยับเลนส์อย่างไร  เพราะตำแหน่งของแสงสองจุดที่เข้ามาเวลา back หรือ front focus อยู่นั้น มันหน้าตาเหมือนกัน (ก็เลยไม่รู้ว่าเส้นแสงมัน “ไฝว้” กันไปแล้ว หรือว่ายังไม่ตัดกัน)

แต่พอแยกแสงจากสองทิศทางให้ตกที่เซนเซอร์คนละตัว เราจะรู้ได้ว่า แสงแต่ละเส้นที่เข้ามานั้น มันวิ่ง “เลย” หรือ “ยังไม่ถึง” จุดที่ภาพชัดกันแน่  การแยกให้แสงสองเส้นนี้ตกที่เซนเซอร์คนละตัวจึงต้องอาศัยเลนส์เล็กๆมาช่วยแยกนั่นเองครับ

จากนั้นตัว processor ที่รับสัญญาณจาก AF sensor ทั้งสองก็จะคำนวณว่าตำแหน่งแสงที่ตกต่างกันนั้น ตีเป็นระยะของเลนส์ที่ต้องหมุนไปกี่องศา ในทิศทางไหน  ซึ่งคำนวณเสร็จแล้วก็เอาค่านั้นไปหมุนเลนส์ให้ได้ระยะที่ต้องการต่อไป

เฟสแดงนำเฟสเขียว = ชัดเลยเซนเซอร์ไปด้านหลัง


เฟสเขียวนำเฟสแดง = ชัดก่อนถึงเซนเซอร์


เฟสตรงกัน = ภาพชัดตรงเซนเซอร์พอดี


จากรูปทั้งสาม ถ้าเฟสของเส้นแดงนำเฟสของเส้นเขียว (กราฟสีแดงนำมาก่อนกราฟเขียว) กล้องจะรู้ว่าจุดที่ชัดตกเลยเซนเซอร์ไป ต้องเลื่อนเลนส์เข้า  แต่ถ้าเฟสของเส้นเขียวนำเฟสของเส้นแดง กล้องก็จะรู้อีกเช่นกันว่าจุดที่ชัดเกิดหน้าเซนเซอร์ ก็จะสั่งให้มอเตอร์หมุนเลนส์ออก  ส่วนรูปสุดท้ายคือตอนที่เฟสตรงกัน ก็คือโฟกัสถูกที่ ได้ภาพชัดนั่นเองครับ


มาดู CDAF กันบ้าง  

กลไกของ CDAF ไม่ต้องใช้ hardware อะไรพิเศษครับ ขอแค่มีเซนเซอร์รับภาพที่ให้ภาพ real-time ออกมาเท่านั้น หลักการของ CDAF คือ  “วัตถุที่ชัดจะมี contrast สูง” (คือสูงกว่าตอนที่มันเบลอ)  ดังนั้นหากเลื่อนเลนส์เข้าออกจนได้ว่าภาพวัตถุในตำแหน่งที่ต้องการมี contrast สูงที่สุด ก็จะถือว่าโฟกัสเข้าแล้ว

กรอบของ CDAF จึงเลื่อนไปได้ทั่วทั้งจอ เพราะไม่ได้มี AF sensor ปักไว้ตายตัว แต่ใช้ค่าแสงจากเซนเซอร์หลักนั่นเองมาคำนวณว่าในกรอบที่ต้องการนั้นมี contrast เท่าไหร่   จากนั้นขยับเลนส์ไปเรื่อยๆจนสุดกระบอก เพื่อหาว่าตำแหน่งไหนมี contrast ในกรอบนั้นสูงที่สุด แล้วค่อยหมุนเลนส์กลับมาตำแหน่งนั้น เป็นอันเสร็จ



มาแข่งกัน ใครจะชนะ  

ความเร็ว

PDAF ดูความต่างเฟสแค่ครั้งเดียวแล้วคำนวณระยะหมุนเลนส์ได้เลย ส่วน CDAF ต้องคำนวณ contrast ไปเรื่อยๆในระหว่างที่ค่อยๆหมุนเลนส์ เพื่อให้เจอค่าสูงสุดถึงจะรู้ได้ว่าเป็นตำแหน่งที่ชัด  ดังนั้น PDAF ทำงานน้อยขั้นตอนกว่า จึงเร็วกว่า
เช่น สังเกตว่าในกล้องตัวเดียวกัน (DSLR) ที่มีทั้ง PDAF (เมื่อมองผ่าน VF) และ CDAF (เมื่อใช้ live view)  จะพบว่า live view นั้นอืดมากเมื่อเทียบกับตอนที่มองผ่าน VF เพราะเลนส์ทั้งใหญ่ ทั้งหนัก แล้วต้องค่อยๆขยับจนสุดกระบอก ค่อยๆคำนวณ contrast แล้วหมุนมาที่ตำแหน่งที่ถูกต้องอีกที


ความวืด

เรามักจะพบว่า CDAF ในกล้องพวก mirrorless ยังสู้ DSLR ที่มองผ่าน OVF ไม่ได้  เพราะว่า CDAF ต้องการ “กรอบ” ของจุดความสว่างที่ใหญ่พอจะเอามาตัดสินความเปรียบต่างของแสงได้  ในขณะที่ PDAF ทำงานกับเส้นแสงจุดเล็กๆเท่านั้น   จุดโฟกัสของ CDAF จึงเล็กได้แค่ประมาณนึง แต่ก็ยังใหญ่กว่าของ PDAF อยู่ดี  ทำให้ PDAF นั้นวืดน้อยกว่าเวลาถ่ายของที่มีขนาดเล็กๆ
นอกจากนั้นในที่แสงน้อย CDAF จะถูกกวนด้วย noise อีกด้วยครับ เพราะ noise ก็ส่งผลต่อ contrast ของภาพด้วย ทำให้การโฟกัสในที่แสงน้อยนั้นแย่ลงมาก


ความแม่น

เนื่องจาก PDAF ต้องมีกลไกเป็นพิเศษเพื่อวางตำแหน่งเซนเซอร์อีกชุดให้สอดคล้องกับตำแหน่งของเซนเซอร์หลัก ถ้าวางตำแหน่งเพี้ยนไปนิดเดียว จุดที่มองว่าชัดบน AF sensor ก็จะกลายเป็นไม่ชัดบนเซนเซอร์หลักไปทันที  เรียกว่า front/back focus แต่ของ CDAF นั้น ความชัดไม่ชัดนั้นวัดบนภาพจากเซนเซอร์หลักโดยตรง ดังนั้นจึงไม่มีโอกาสคลาดเคลื่อน front/back ใดๆครับ



พื้นฐานของระบบออโตโฟกัสในกล้องปัจจุบันก็มีประมาณนี้แหละครับ ขอบคุณที่เข้ามาอ่านนะครับ หากพบว่าข้อความตรงไหนไม่ถูกต้องสามารถแย้งได้เลยนะครับ  และถ้าเห็นว่ามีประโยชน์รบกวนโหวตด้วยครับ จะได้ไม่ตกไว  



ขอขอบคุณ java applet สวยๆจาก http://graphics.stanford.edu/courses/cs178/applets/autofocusPD.html ด้วยครับ  สามารถเอาเมาส์ไปคลิกลากๆดูได้ครับ สนุกดี