Hoe werkt autofocus? (2)

Dit artikel is het vervolg op deel 1 van Hoe werkt autofocus?

Een autofocussysteem zorgt dat je camera scherpstelt op je onderwerp. In dit artikel gaan we verder in op de werking van fasedetectie en hebben we het over contrastdetectie en hybride AF-systemen. 

Uit fase
Het belangrijkste voordeel van fasedetectie is de snelheid waarmee het AF-systeem kan werken: het heeft zoals gezegd genoeg aan één meting om het focuselement te sturen. Maar er zijn ook nadelen. Zoals hierboven uitgelegd, zit de autofocusmodule ingebouwd onder in de camera, op een andere plaats dan de beeldsensor. Zowel de AF-module als de beeldsensor moet daarom perfect geplaatst zijn.

Anders is het mogelijk dat de AF-module denkt dat een opname ‘in focus’ zal zijn, terwijl het beeld dat op de sensor valt toch onscherp is. Als je je camera ooit hebt laten vallen, is het mogelijk dat de AF-module verschoven is, en de autofocus niet meer correct werkt. Ook afwijkingen bij de productie van een camera of objectief kunnen ertoe leiden dan de AF niet perfect gebeurt.

Sommige reflexcamera’s bevatten daarom een functie ‘AF fijnafstelling’ (AF Micro Adjustment). Daarmee kan je de autofocus nauwkeurig bijregelen als je afwijkingen vaststelt. In Shoot 24 lees je onze test van Reikan FoCal, een stuk software dat je helpt bij het afstellen van de autofocus. Er bestaan nog andere hulpmiddelen, het een al complexer dan het andere.

Een ander nadeel van fasedetectie is dat je de exacte positie van de autofocuspunten niet kent. Wat je in de optische zoeker ziet, is een projectie die slechts bij benadering aangeeft waar de AF-punten liggen, in de vorm van rechthoekjes. De echte AF-sensoren zijn groter dan die rechthoekjes, en ze hebben zoals reeds gezegd helemaal niet de vorm van een rechthoek maar van een lijn. Bovendien ligt alleen het centrale focuspunt in de optische as van het objectief. Bij de buitenste focuspunten kan daardoor parallax optreden als je niet helemaal recht in de zoeker kijkt: er is dan een verschil tussen waar je denkt dat het AF-punt ligt en de reële positie van het AF-punt.

Het grootste nadeel van fasedetectie is echter dat de AF-module heel even ‘blind’ wordt zodra de hoofdspiegel in de camera opklapt. Er valt dan geen licht meer op de AF-module. Wanneer je een digitale reflexcamera in liveviewmodus gebruikt, hetzij om te fotograferen, hetzij om te filmen, dan werkt de AF-module dus niet. In liveviewmodus schakelen reflexcamera’s daarom over naar een moderner systeem: contrastdetectie.

In de optische zoeker wordt de positie van de AF-punten geprojecteerd. Maar de vorm en de afmetingen van de reële AF-sensoren in de AF-module verschillen van deze voorstelling.

Contrastdetectie

Bij contrastdetectie analyseert de camera de gegevens van de beeldsensor, en gaat op zoek naar een optimaal contrast. Een microprocessor bekijkt het contrastverschil tussen aangrenzende pixels en analyseert hoe dat verandert wanneer het focuselement in de lens verplaatst wordt. Wanneer het contrast maximaal is, is de scherpstelling voltooid.

Anders dan bij fasedetectie is er geen fysieke beperking op het aantal ‘autofocuspunten’: de hele beeldsensor dient als autofocussensor. In theorie kan het contrast op elke willekeurige plek op de sensor gemeten worden. In de praktijk is de sensor vaak verdeeld in een aantal AF-zones waarbinnen het contrast vergeleken wordt. Vaak kan je zelf instellen hoe groot die zones moeten zijn.
 

In live view bepaalt de camera de scherpstelling aan de hand van het beeld dat de beeldsensor vastlegt.

In tegenstelling tot fasedetectie weet het AF-systeem bij contrastdetectie echter niet van bij de eerste meting in welke richting het focuselement moet bewegen. Het is een proces van proberen en meten, waarbij de focus naar voor en achteren verschoven wordt tot het hoogst mogelijke contrast is ontdekt. Daardoor gaat contrastdetectie doorgaans trager dan fasedetectie.

De focussnelheid bij contrastdetectie hangt met name af van de snelheid waarmee de beeldsensor uitgelezen kan worden. Bij goedkope compactcamera’s kan het AF-systeem de sensor slechts 30 keer per seconde uitlezen; bij recente systeemcamera’s is die snelheid al verhoogd tot 240 keer per seconde en is contrastdetectie even snel of zelfs sneller dan fasedetectie.

Contrastdetectie is nauwkeuriger dan fasedetectie, omdat het informatie van de beeldsensor zelf gebruikt. Er bestaat dus geen kans op focusfouten door een verkeerde alignering van de beeldsensor, de focusmodule en de optische zoeker. Bovendien werkt contrastdetectie ook tijdens het filmen – nog een groot voordeel ten opzichte van fasedetectie.
 

Contrastdetectie kan in principe op de hele beeldsensor gebruikt worden. In de praktijk wordt de sensor ingedeeld in zones. Omdat het AF-systeem het livebeeld analyseert, kunnen ook extra hulpmiddeltjes zoals gezichtsherkenning gebruikt worden.

Hybride autofocus

De laatste jaren zijn er hybride autofocussystemen opgedoken die het beste van contrast- en fasedetectie combineren. Meer bepaald wordt de beeldsensor zelf voor fasedetectie gebruikt. Dat gebeurt door individuele lichtgevoelige pixels op de sensor voor de helft te maskeren, zodat slechts één zijde van zo'n pixel licht ontvangt.

Wanneer je nu twee pixels combineert waarvan respectievelijk de linker- en rechterkant, of de boven- en onderkant zijn gemaskeerd, heb je in essentie een fasegebaseerde autofocussensor. Op basis van het faseverschil tussen het beeld op beide pixels kan meteen de juiste positie voor het focuselement bepaald worden. De scherpstelling gebeurt daardoor sneller dan bij contrastdetectie. En omdat de beeldsensor meteen ook de AF-sensor is, bestaat niet langer het gevaar dat de AF-sensor niet perfect geplaatst is.

Bij een hybride AF-sensor worden pixels op de beeldsensor voor de helft gemaskeerd. De autofocus werkt op basis van het faseverschil tussen R- en L-pixels op deze sensor. (afbeelding: Olympus)

Het nadeel is dat de gemaskeerde pixels niet gebruikt kunnen worden voor de opbouw van het beeld; ze ontvangen immers slechts de helft van het licht van een normale pixel, en registreren geen kleurinformatie. Bij de beeldverwerking in de camera wordt informatie van de omringende pixels gecombineerd om de beeldinformatie voor de 'ontbrekende' pixels te berekenen. Voor de beeldkwaliteit is dat geen groot probleem. Alles samen gaat het over enkele honderden of duizenden van de miljoenen pixels op een beeldsensor.

Bij de recente EOS 70D koos Canon niettemin voor een heel andere invulling van 'hybride autofocus'. Alle effectieve pixels op de CMOS-beeldsensor bestaan uit twee fotodiodes die apart worden uitgelezen. Tijdens de autofocus worden de signalen van de fotodiodes paarsgewijs vergeleken, zodat ze functioneren als een fasegebaseerde AF-sensor. Tijdens de opname worden beide fotodiodes gecombineerd tot één pixel.

De toekomst

Voorspellingen doen is gevaarlijk, zeker als het over de toekomst gaat. Maar de trend lijkt toch duidelijk. Het klassieke systeem van fasedetectie heeft een goede staat van dienst, maar is duur (er is een aparte AF-module nodig) en gevoelig voor afwijkingen (de AF-module, beeldsensor en de lens moeten alledrie perfect gekalibreerd zijn).

Contrastdetectie op de beeldsensor is accuraat, en wordt bovendien steeds sneller. Heel wat fabrikanten zoeken naar het beste van twee werelden: hybride systemen die de snelheid van fasedetectie combineren met de accuraatheid van contrastdetectie. We durven erop te wedden dat we steeds meer dergelike hybride systemen zullen zien.

In Shoot 30, nu in de winkel, lees je een vervolgartikel over de verschillende autofocus-instelllingen.

[extern_gallery urls=”http://cdn.minoc.com/zd_images/2014/14/135814_web06eos500dlvmovie.jpg||http://cdn.minoc.com/zd_images/2014/14/135814_web07d800fd51points2.jpg||http://cdn.minoc.com/zd_images/2014/14/135814_web08portrt-autofokus.jpg||http://cdn.minoc.com/zd_images/2014/14/135814_web09hybridafsensor.jpg” caption=”||||||”]