Mari Mengenali : Mekanisma Autofokus Pada Kamera

Pernahkah anda terfikir bagaimana telefon pintar anda dapat memfokuskan gambar objek dengan cepat, kadang-kadang tanpa input tambahan daripada anda? Ketika anda menghalakan kamera telefon pintar anda ke arah objek, terdapat satu mekanisma yang bergerak sepantas kilat untuk mendapatkan fokus yang paling tajam tanpa bantuan anda. Mekanisma ini dikenali sebagai autofokus. Jika anda berminat untuk mengetahui dengan lebih lanjut, kami bawakan anda satu artikel untuk anda yang menerangkan penggunaan teknologi ini secara ringkas!

Teknologi autofokus pada kamera mula diberi perhatian oleh syarikat lensa dan pengimejan Leica sekitar 1960 hingga 1973. Pada persidangan industri kamera Photokina yang diadakan pada tahun 1976, Leica mempamerkan kamera yang menggunakan teknologi autofokus terbina pertama di dunia dengan peranti kamera Correfot. Kemudian, Leica mula menghasilkan kamera yang hadir dengan autofokus secara besar-besaran dengan peranti Konica C35 AF mereka pada tahun 1977.

Tidak lama selepas itu, Leica membuat satu keputusan yang tidak disangka-sangka. Leica menjual paten-paten autofokus mereka kepada syarikat pesaing iaitu Minolta. Keputusan itu dibuat oleh Leica dengan alasan pengguna-pengguna kamera pada ketika itu lebih gemar menggunakan sistem pemfokusan manual. Walau bagaimanapun, ada betulnya dakwaan Leica. Teknologi autofokus pada ketika itu berada pada peringkat permulaan. Barangkali ia mengambil masa yang agak lama untuk mendapatkan fokus yang optimum jika dibandingkan dengan teknik pemfokusan manual ataupun ia menggunakan tenaga bateri yang tinggi.

Apabila kita berbincang mengenai teknologi autofokus, perbincangan kita merujuk kepada dua klasifikasi utama teknologi autofokus: autofokus pasif dan autofokus aktif. Artikel ini bertujuan untuk mengolah dengan mendalam mengenai teknologi autofokus pasif. Sebelum kita bergerak dengan lebih lanjut, kita harus memahami perbezaan di antara dua kategori tersebut.

Ringkasnya, autofokus pasif tidak memerlukan kepada perkakasan optik tambahan. Autofokus pasif hanya memerlukan sensor khusus yang bertindak menganalisa isyarat cahaya. Manakala autofokus aktif pula memerlukan perkakasan optik tambahan seperti peranti ultrasound/sonar ataupun inframerah untuk memastikan objek dapat difokuskan.

[info]SONAR merupakan akronim untuk sound navigation and ranging, digunakan secara meluas oleh kapal layar untuk mengesan objek di bawah kapal. Juga digunakan oleh ikan lumba-lumba dan kelawar untuk tujuan navigasi.[/info]

Memandangkan teknologi autofokus pasif lebih popular dikalangan pembangun peranti disebabkan oleh faktor-faktor tertentu, kami memberikan lebih perhatian kepada teknologi tersebut di dalam artikel ini. Teknologi ini terbahagi kepada dua subkategori iaitu Phase-Detect Autofocus (PDAF) dan Contrast-Detect Autofocus (CDAF).

Mekanisma phase-detect digunakan secara meluas pada kebanyakan peranti DSLR. Apabila isyarat cahaya daripada objek menuju ke arah sensor, isyarat cahaya terlebih dahulu dipantulkan oleh cermin ke arah tiga tempat iaitu viewfinder, sensor pengimejan utama, dan juga sensor phase-detect. Apabila isyarat cahaya dipantulkan menuju ke arah sensor phase-detect, ia akan diasingkan kepada dua jaluran isyarat cahaya (juga dikenali sebaga “fasa”) oleh beam splitter.

Isyarat fasa cahaya yang sampai pada sensor phase-detect kemudian dianalisa dengan menggunakan algoritma tertentu dengan matlamat untuk mendapatkan gambar objek yang jelas. Jika gambar objek didapati kabur, sensor phase-detect akan memberikan isyarat maklumbalas kepada unit lensa sehinggalah isyarat fasa cahaya pada sensor phase-detect memberikan isyarat yang paling jelas.

Akan tetapi sistem PDAF hanya aktif pada kebanyakan DSLR apabila unit shutter aktif dan mod live view tidak digunakan. Apabila pengguna mengaktifkan mod live view, isyarat cahaya tidak lagi akan dipantulkan ke arah sensor phase-detect. Jadi bagaimakah kamera DSLR memastikan gambar objek berada dalam keadaan fokus terutamanya ketika membuat rakaman video?

Jawapannya ialah kamera DSLR akan menggunakan sensor contrast-detect, lazimnya terbina di dalam sensor pengimejan utama. Mekanisma CDAF lebih ringkas berbanding dengan mekanisma PDAF. Tanpa memerlukan sebarang pantulan dan pengasingan cahaya, isyarat yang sampai pada sensor pengimejan utama akan dianalisa oleh sensor contrast-detect pada setiap pixel gambar. Keamatan pixel (pixel intensity) kemudian dianalisa dan maklumbalas dihantar ke arah unit lensa sehinggalah ia mengesan gambar objek yang paling jelas.

Walaupun kedua-dua mekanisma autofokus ini bermatlamat sama, perbezaan di antara PDAF dan CDAF ini dapat dilihat dalam kaedah yang digunakan iaitu PDAF menggunakan unit cermin, beam splitter dan sensor phase-detect manakala CDAF menggunakan hanya menggunakan sensor contrast-detect yang sudah sedia terbina di dalam sensor pengimejan utama.

Dari aspek ketangkasan pula, PDAF mempunyai kelebihan berbanding CDAF. Proses pengasingan isyarat cahaya oleh sensor phase-detect ini mengambil masa yang singkat, maka maklumbalas yang lebih cepat dapat dihantar ke unit lensa untuk membetulkan fokus. Akan tetapi, mekanisma CDAF mempunyai ketepatan fokus yang lebih tinggi kerana sensor contrast-detect melakukan perbandingan fokus pada peringkat pixel.

PDAF dan CDAF juga mempunyai pelbagai lagi perbezaan yang mungkin tidak begitu ketara kepada pengguna biasa. Pertamanya ialah disebabkan PDAF memerlukan sensor phase-detect yang khusus, titik pemfokusan yang hadir apabila mod PDAF diaktifkan adalah sedikit kecil. Titik pemfokusan bagi CDAF boleh dikatakan hampir di mana-mana sahaja asalkan gambar objek dapat ditangkap oleh sensor pengimejan. Selain itu juga, hanya CDAF sahaja yang boleh digunakan untuk melakukan pengecaman ciri-ciri pada objek, sebagai contoh pengecaman muka dan senyuman. Ini kerana sensor contrast-detect yang terletak pada sensor pengimejan utama menerima lebih banyak informasi berkenaan objek berbanding dengan sensor phase-detect yang hanya boleh menganalisa fasa cahaya objek.

Akan tetapi, CDAF mempunyai satu kelemahan yang sangat besar iaitu penggunaan kuasa bateri yang tinggi. Jika anda mengaktifkan fungsi live view pada DSLR, anda akan mendapati bahawa penggunaan kuasa bateri agak tinggi jika dibandingkan apabila DSLR tidak menggunakan fungsi live view. Ini kerana sensor pengimejan utama mestilah diaktifkan sepenuh masa apabila CDAF digunakan.

Untuk pengetahuan semua, kebanyakan DSLR mempunyai kedua-dua mekanisma autofokus. Apabila shutter berada dalam mod aktif (menutupi sensor pengimejan), mekanisma PDAF akan digunakan untuk mendapatkan autofokus. Apabila shutter berada dalam mod tidak aktif (tidak menutupi sensor pengimejan) lazimnya ketika melakukan rakaman video, mekanisma CDAF akan digunakan untuk mendapatkan fokus.

Mungkin ada dikalangan pembaca yang tertanya-tanya adakah wujud teknologi yang mengasimilasikan kedua-dua kebaikan (ketepatan dan ketangkasan) mekanisma autofokus? Jawapannya ya! Memperkenalkan, mekanisma Hybrid Autofocus, juga lebih dikenali dengan singkatan Hybrid AF. Mekanisma ini menggabungkan kedua-dua mekanisma PDAF dan CDAF pada sensor pengimejan utama.

Soalan seterusnya ialah bagaimana ia berfungsi?

Dengan Hybrid AF, unit sensor phase-detect yang berasingan tidak lagi diperlukan. Malah, sensor phase-detect digantikan dengan fotodiod (photodiode) yang terbina pada sensor pengimejan utama. Berdasarkan kepada rajah di atas, sebilangan kecil unit pixel (biru) mempunyai unit fotodiod dan plat penutup (cover plate). Jika anda perhatikan dengan lebih terperinci, ada unit fotodiod mempunyai plat penutup di sebelah kiri dan ada pula di sebelah kanan.

Penutupan separa yang dibina pada fotodiod ini membolehkan ia untuk menganalisa jaluran isyarat cahaya yang datang daripada satu arah sahaja, sama ada dari arah kiri ataupun kanan. Justeru itu, dengan membina unit fotodiod separa tutup pada sensor pengimejan utama, sistem pemproses autofokus dapat menentukan ketajaman gambar dengan mekanisma PDAF.

Dengan menggabungkan mekanisma PDAF dan CDAF dalam satu unit sensor, teknologi Hybrid AF membolehkan gambar dapat difokuskan dengan lebih tangkas dan tepat. Apabila kamera cuba untuk mendapatkan fokus, sensor Hybrid AF akan mengaplikasikan mekanisma phase-detection untuk memfokuskan objek secepat yang mungkin. Kemudian, sensor Hybrid AF mengaktifkan pula mekanisma contrast-detection untuk melakukan penalaan halus (fine-tuning) untuk mendapatkan gambar yang paling tajam.

Teknologi Hybrid AF diperkenalkan oleh Canon bermula pada tahun 2012 untuk peranti DSLR mereka seperti Canon EOS 650D. Teknologi ini pesat dibangunkan oleh Canon pada tahun-tahun berikutnya. Ini terbukti apabila Canon memperlihatkan Hybrid CMOS AF generasi kedua dengan Canon 100D pada tahun 2013, dan kemudian hadir dengan Hybrid CMOS AF generasi ketiga pada tahun 2015 dengan peranti Canon EOS 750D.

Meskipun teknologi Hybrid AF sudah lama bertapak di dalam medan DSLR, ia mula mendapat tempat dikalangan pembangun telefon pintar kira-kira 2-3 tahun yang lalu. Sebagai contoh, Samsung hadir dengan Galaxy S5 pada April 2014. Galaxy S5 didatangkan sekali dengan teknologi pemfokusan PDAF melalui teknologi Hybrid AF yang terbina pada sensor pengimejan utama.

Evolusi teknologi autofokus tidak terhenti pada Hybrid AF. Pada tahun 2013, Canon hadir dengan teknologi yang dikenali sebagai Dual-Pixel CMOS AF yang didatangkan pada Canon EOS 70D. Teknologi ini dianggap sangat signifikan dalam garis masa evolusi teknologi autofokus dari segi kelajuan pemfokusan, ketepatan, dan juga dari segi rekabentuk unit sensor.

Dari segi rekabentuk unit sensor pengimejan, penambah-baikan rekabentuk yang ketara ialah setiap unit pixel tidak lagi memerlukan plat penutup separa. Lebih menarik lagi, setiap unit pixel hadir dengan dua unit fotodiod iaitu fotodiod I dan fotodiod II. Dengan hadirnya dua fotodiod pada satu unit pixel, setiap unit pixel berfungsi seakan-akan sepasang mata manusia.

Ketika Dual-Pixel AF mengaktifkan sistem pemfokusan, sepasang fotodiod di dalam setiap unit sensor berfungsi sebagaimana mata kanan dan mata kiri kita berfungsi. Fotodiod di sebelah kiri akan membaca jaluran isyarat cahaya yang datang dari sebelah kiri objek dan aktiviti yang sama berlaku pada fotodiod di sebelah kanan. Kemudiannya, pengecaman fasa dilakukan pada setiap unit pixel sama seperti mekanisma PDAF.

Hasilnya, Dual-Pixel AF mampu melakukan operasi pemfokusan objek yang sangat tangkas dan tepat berbanding dengan Hybrid AF. Tambahan pula, ketepatan mekanisma PDAF pada Dual-Pixel AF membolehkan kamera beroperasi tanpa memerlukan mekanisma tambahan CDAF kerana ia sudahpun tepat. Pengguna telefon pintar mula mendapat manfaat teknologi Dual-Pixel AF apabila Samsung hadir dengan Galaxy S7 pada tahun 2016.

Perbincangan kita sehingga kini merangkumi sistem autofokus pasif sahaja. Bagaimanakah pula dengan sistem autofokus aktif? Mengapakah sistem autofokus aktif tidak popular dikalangan pembangun peranti? Sebab pertama adalah kerana autofokus aktif memerlukan perkakasan optik tambahan seperti sonar dan inframerah serta sensor tambahan. Selain itu, sistem autofokus aktif hanya praktikal dalam situasi tertentu sahaja.

Mekanisma operasi autofokus aktif adalah seperti berikut: gelombang bunyi ataupun inframerah ditembak ke arah objek. Gelombang tersebut kemudian dipantulkan oleh objek dan kembali menuju ke arah kamera. Sensor khusus yang berada pada kamera akan menganalisa isyarat pantulan tersebut untuk mengira jarak fizikal objek dari kamera. Isyarat maklumbalas kemudian dihantar oleh sensor ke unit lensa.

Kelemahan utama sistem autofokus aktif ialah ia hanya efektif pada jarak tertentu sahaja dan tidak mampu beroperasi apabila jarak objek terlalu jauh. Jika anda ingin mengambil gambar landskap alam sekitar ataupun gambar bersudut lebar (wide-angle), sistem aufokus aktif ini tidak mampu memberikan fokus yang tepat. Tambahan lagi, adalah mustahil untuk mengambil gambar objek yang berada di luar tingkap dengan sistem ini. Sebagai contoh, jika anda berada di dalam kereta atau di dalam kapal terbang dan ingin mengambil gambar objek di luar tingkap, sistem autofokus aktif akan menghampakan anda. Hal ini disebabkan oleh pantulan gelombang bunyi atau cahaya akan dipantulkan oleh cermin tingkap, bukannya objek di luar tingkap tersebut.

Walaupun sistem autofokus aktif mempunyai kelemahan-kelemahan yang ketara, ia mempunyai kelebihan yang dapat dimanfaatkan. Memandangkan ia tidak begitu bergantung kepada aspek pencahayaan objek, sistem autofokus aktif ini boleh beraksi dengan cemerlang di dalam situasi pencahayaan yang malap. Selain itu juga, sistem autofokus aktif yang menggunakan pancaran inframerah ini dikatakan agak tangkas ketika melakukan operasi pemfokusan objek.

Telefon pintar pertama yang hadir dengan sistem pemfokusan aktif ialah LG G3 yang dikeluarkan pada tahun 2014. LG G3 didatangkan bersama dengan sistem autofokus pancaran laser dengan kelajuan pemfokusan 0.28 saat, sedikit laju jika dibandingkan dengan Galaxy S5 yang mempunyai kepantasan autofokus berkelajuan 0.3 saat. Tidak lama selepas itu, OnePlus hadir dengan peranti OP2 yang juga dilengkapi dengan sistem autofokus pancaran lazer.

Teknologi autofokus telah merevolusikan bidang fotografi sejak ia mula mendapat tempat dikalangan pengguna. Bahkan, teknologi autofokus kadang-kala menjadi penentu bagi sesetengah pengguna untuk mendapatkan peranti telefon pintar terbaru. Kami berharap artikel ini sedikit sebanyak dapat membuka mata anda bahawa teknologi autofokus merupakan teknologi yang agak kompleks dan kebolehan pembangun-pembangun peranti membina teknologi berkenaan pada telefon pintar merupakan satu perkara yang menakjubkan.