De ontwikkeling van geavanceerdere autofocus-systemen

Autofocus, steeds sneller scherp

Een van de eerste vereisten die de meeste fotografen doorgaans aan hun foto’s stellen, is dat ze scherp zijn. Onscherpe foto’s hebben slechts een beperkte waarde. Een juiste scherpstelling is een must, en dat scherpstellen kan op verschillende manieren: handmatig of automatisch. Handmatige scherpstelling is zo oud als de fotografie zelf; automatische scherpstelling of autofocus kennen we sinds het einde van de jaren zeventig. Panasonic en Canon hebben zo hun eigen manieren bedacht om autofocus een nieuwe impuls te geven.

Een en ander wil nog niet zeggen dat handmatig scherpstellen verouderd of zelfs ouderwets zou zijn. In de filmwereld is handmatig scherpstellen nog steeds dé manier: keurig de afstand tussen camera en onderwerp meten en dan het objectief met een nauwkeurige follow focus op die afstand instellen. Vaak gebeurt dat zelfs door een andere persoon (de focus puller) dan de cameraman/vrouw en met een verbazingwekkende precisie. Het merendeel van de cine-objectieven heeft dan ook geen autofocus, maar uitsluitend handmatige scherpstelling. Ook veel specialistische objectieven, zowel goedkope als dure, dien je handmatig scherp te stellen, zoals de Laowa-objectieven, de meeste Samyang-objectieven, de Milvus- en Loxia-objectieven van ZEISS, de Voigtländer- en de Irix-objectieven. Dit zijn niet noodzakelijkerwijs nicheobjectieven, maar de meerderheid van de fotografen is toch erg gehecht geraakt aan autofocus. Deels ten onrechte, al zal AF in veel gevallen sneller leiden tot scherpere foto’s.

Geschiedenis
Hoewel autofocus dus al een hele poos bestaat, verrassen de fabrikanten ons steeds weer met innovaties waarmee nóg sneller en nauwkeuriger kan worden scherpgesteld. In de jaren zestig en zeventig patenteerde Leica al opmaten naar een autofocussysteem, en op de Photokina van 1976 werd zelfs al een eerste camera met deze techniek gepresenteerd, de Leica Correfot, in 1978 gevolgd door een prototype van een spiegelreflexcamera met een functionerend autofocus­systeem, die echter nooit op de markt is gekomen. De eerste autofocuscamera op de markt was daarom een eenvoudige compactcamera: de Konica C35 AF (1977). Dat het ook anders kon dan we nu gewend zijn, liet Polaroid zien. Dit bedrijf gebruikte geluids­golven voor het autofocussysteem van de Polaroid SX-70 Sonar (1978). Asahi gebruikte voor de Pentax ME-F (1981) sensoren in de camerabody in combinatie met een scherpstelmotor in het objectief. Dit was daarmee de eerste spiegelreflexcamera met autofocus én verwisselbare objectieven – al was er voor zover ons bekend maar één objectief met AF. In 1983 kwam Nikon met de Nikon F3AF, die hetzelfde principe volgde als de Pentax ME-F. De Minolta 7000 AF uit 1985 was uiteindelijk de eerste spiegelreflexcamera met een geïntegreerd autofocussysteem, in die zin dat zowel de AF-sensor als de AF-motor was ondergebracht in de camerabody. Dit zou in eerste instantie de standaardconfiguratie worden voor de meeste spiegelreflexcamera’s.
Nikon en andere fabrikanten integreerden daarna ook de AF-motor én -sensoren in de body. Canon ontwikkelde een eigen AF-systeem met contrastdetectie en objectieven met een externe AF-eenheid voor de Canon T80 (1985), maar koos voor zijn EOS-camera’s – met als eerste de Canon EOS 650 in 1987 – echter een andere weg met objectieven met zeer stille en snelle USM- (ultrasone) motoren voor het autofocussysteem. Ook andere merken brachten later objectieven op de markt met een geïn­tegreerde AF-motor (vaak een zogenoemde snellere, stillere ‘ultrasone’ motor; later ook een nauwkeurige stappenmotor), maar met behoud van de AF-motor in de meeste body’s om objectieven zonder eigen AF-motor te kunnen blijven gebruiken. (Bron: Wikipedia)

Filmen en Live View
Zolang je alleen maar foto’s maakt met je spiegelreflexcamera, functioneert de traditionele AF-sensor naar behoren. Maar dat houdt natuurlijk op zodra je gaat filmen of Live View gaat gebruiken. Immers, dan wordt de spiegel opgeklapt en krijgt de AF-sensor geen signalen meer. Om dan toch scherp te stellen, kan gebruik worden gemaakt van de pixels op de sensor en van contrastdetectie, net als bij digitale compactcamera’s. Je zult echter merken dat objectieven veel langzamer scherpstellen dan je gewend was: ze zoeken als het ware naar scherpte in plaats van ernaartoe te springen.
Ook de eerste systeemcamera’s (zonder spiegel), zoals de Sony NEX-5 en de Panasonic Lumix G1, werkten op die manier. Geleidelijk is daar verandering in gekomen. Sony gebruikt voor zijn A9 inmiddels 693 (!) AF-punten met fase-detectie verdeeld over 93 procent van de sensor, waardoor de camera tot wel 20 beeldjes per seconde kan schieten en tegelijkertijd scherp kan blijven stellen. En ook contrast-detectie-AF wordt steeds sneller, zoals Panasonic laat zien met zijn DFD-techniek.

Contrast-AF met DFD-technologie
Het probleem met een normaal contrastdetectiesysteem is dat het, anders dan een fasedetectiesysteem, geen idee heeft in welke richting de scherpstelling moet worden aangepast om het onderwerp scherp te krijgen, aangezien de afstand tot het onderwerp onbekend is. Dit betekent dat er moet worden gezocht – fotografen noemen die wel eens ‘hunten’ – waarbij de scherpstelling naar achteren en naar voren wordt aangepast om de invloed daarvan op het contrast op pixelniveau te kunnen beoordelen. Het systeem weet daardoor ook niet wanneer het moet stoppen, wat betekent dat het voorbij het juiste scherpstelpunt doorgaat met zoeken en zichzelf daarna weer moet terugfluiten. Deze voortdurende aanpassingen zullen bij goed licht onopgemerkt blijven omdat ze klein zijn, maar ze vertragen het scherpstellen toch. Bij lage lichtniveaus zullen de voor- en achterwaartse aanpassingen vaak meer opvallen en duurt het langer voordat het optimale scherpstelpunt is gevonden.

Panasonic introduceerde zijn DFD-techno­logie (Depth From Defocus) met de Lumix GH4 in februari 2014 om het scherpstellen met contrastdetectie te versnellen en vooral te versoepelen, zodat de camera nog beter geschikt zou zijn om mee te filmen. Inmiddels is deze techniek te vinden bij alle nieuwe G-camera’s. De camera’s maken daarbij gebruik van een op het oog normaal autofocussysteem met contrastdetectie dat is gebaseerd op de beeldsensor. Het systeem kijkt naar de helderheidsverschillen tussen pixels en gebruikt deze informatie om het optimale scherpstelpunt te vinden en op basis daarvan het objectief aan te sturen. Het AF-systeem probeert zodoende om op pixelniveau het maximale helderheidsverschil (of hoogste contrast) te vinden op het geselecteerde scherpstelpunt. Het DFD-systeem onderzoekt daarbij twee beelden die tijdens het scherpstellen op verschillende afstanden zijn gemaakt en analyseert hun scherpte, zodat de camera kan bepalen in welke richting en mate het objectief moet worden bijgesteld om het onderwerp scherp te krijgen.

Om goed te kunnen werken, moet deze DFD-technologie de niveaus van microcontrast die een objectief kan bereiken kennen en ook de bokeh kunnen beoordelen – dat wil zeggen de weergave van de onscherpe delen van een opname. Daarom is de DFD-techniek alleen compatibel met de objectieven van Panasonic zelf. De Panasonic-camera’s die de DFD-techniek gebruiken, beschikken over een database met informatie over de objectieven die actueel waren ten tijde van de productie van de body. Alle nieuwere Panasonic-objectieven geven de noodzakelijke informatie zelf door aan de al bestaande DFD-compatibele camerabody’s.

De Panasonic Lumix GH5 maakt gebruik van Panasonic’s meest verfijnde DFD-autofocus­systeem tot nu toe. Het systeem voert een uitgebreidere analyse uit van het beeld om de scherpstelling sneller en zekerder te kunnen uitvoeren. Het is ook beter in staat om bewegingen van onderwerpen te begrijpen, zodat het beter omgaat met bewegende onderwerpen dan eerdere Panasonic-camera’s.
Het AF-systeem van de GH5 gebruikt een uitleessnelheid van 480 frames per seconde (fps) van de beeldsensor, waardoor de AF-responstijd volgens Panasonic zelf slechts 0,05 seconde bedraagt en de camera de mogelijkheid heeft om DFD-scherpstelling te gebruiken bij een opnamesnelheid van 9 beeldjes per seconde (bps) met continu-AF (ieder beeldje wordt afzonderlijk scherpgesteld) of 12 bps in de single-AF-modus (eenmaal scherpstellen aan het begin van de serie).
Dat het nog sneller kan, bewijst Panasonic met de Lumix DC-G9: die haalt dankzij deze DFD-techniek liefst 20 bps, net zo snel dus als de Sony A9 (zie voor een volledige test van die G9, blz. 85).

Dual Pixel CMOS AF
Canon zag zich natuurlijk ook voor een soortgelijk dilemma geplaatst. Al vanaf de EOS 5D Mark II kunnen de spiegelreflexcamera’s van Canon filmen. Dus moest de fabrikant iets bedenken om het scherpstellen met opgeklapte spiegel te versnellen. Omdat Canon zijn eigen sensoren ontwikkelt, zocht men het op sensorniveau. Anders dan bij het DFD-systeem van Panasonic ging men niet uit van ‘gewone’ pixels die op een andere en snellere manier konden worden uitgelezen en geanalyseerd, maar ontwierp men een ander soort pixels. Pixels bovendien die ook gewoon als beeldpixels konden worden gebruikt. Zo ontstond het Dual Pixel CMOS AF-systeem.
De technologie is vooral ontworpen om een vloeiende, nauwkeurige scherpstelling bij onder films te leveren en een snellere scherpstelling te realiseren bij het maken van foto’s in de Live View-modus. Vooral die vloeiende scherpstelling is bij filmen van belang, want dat valt met een ‘normale’ automatische scherpstelling nog niet mee. Een filmpje wordt al gauw wat schokkerig als je een reguliere AF zijn gang laat gaan, waarbij je soms zelfs ziet dat de scherpstelling opvallend verspringt. Bij professioneel gemaakte films is dat een doodzonde. Een van de redenen dat er in die branche meestal nog handmatig wordt scherpgesteld, al dan niet met behulp van gespecialiseerde focus pullers.

Juist bij het werken met weinig licht en grote diafragmaopeningen, en dus met heel weinig scherptediepte, is een exacte scherpstelling noodzakelijk. Dat geldt al voor fotograferen met Live View, al zul je bij stilstaande onderwerpen meestal de tijd hebben om handmatig nauwkeurig scherp te stellen. Anders wordt dat bij het filmen van bewegende onderwerpen – dan zul je graag AF willen gebruiken. Zo kun je de camera ook gebruiken wanneer het gebruik van de optische zoeker (en dus de spiegel) niet mogelijk of ongewenst is, bijvoorbeeld omdat de camera te laag, te hoog of te ver weg staat. Dankzij Dual Pixel CMOS AF kan dat nu dus nauwkeuriger en sneller. Omdat je de keuze hebt uit alle pixels binnen 80 procent van het Live View-kader is de camera in staat om het onderwerp te volgen, ook als het dichter naar de camera toe komt en je filmt/fotografeert met een grote diafragmaopening.

Hoe werkt Dual Pixel CMOS AF?
Elke pixel op het oppervlak van de beeldsensor van Canon-camera’s met Dual Pixel CMOS AF bestaat in feite uit twee fotodiodes, die apart van elkaar worden uitgelezen als de bewuste pixel wordt gebruikt voor fasedetectie-AF en samen worden uitgelezen als die pixel ingezet wordt om het beeld te vormen. Dual Pixel CMOS AF is mogelijk met alle pixels die zich bevinden binnen 80 procent van de hoogte en breedte van het Live View-kader. Het systeem werkt net zo nauwkeurig als de traditionele AF-sensor onder in de camera, zonder dat dit ten koste gaat van de beeldkwaliteit. Hiermee wijkt het Dual Pixel CMOS AF-systeem dus af van andere autofocusmethoden waarbij specifieke pixels op de sensor worden gebruikt voor de autofocus. Zulke pixels doen niet mee aan de beeldvor­ming, waardoor er dus extra beeldverwerking vereist is om de ontbrekende informatie van die pixels te simuleren. Hoe klein die individuele pixels ook zijn, dat interpoleren gaat toch ten koste van de ultieme beeldkwaliteit.
Bij het uitvoeren van de fasedetectie worden de linker en rechter fotodiodes onafhankelijk van elkaar uitgelezen en worden de geproduceerde parallaxbeelden gebruikt om het faseverschil te berekenen. Net als bij de gebruikelijke fasedetectie-AF kan op die manier de afstand tot het onderwerp berekend worden, en op basis daarvan wordt de scherpstelpositie van het objectief bepaald. Wanneer bij het filmen gezichts- of onderwerps-tracking is ingeschakeld, volgt Movie Servo AF het gekozen onderwerp terwijl dit in beweging is (of wanneer je een andere compositie maakt). Je kunt ook verschil­lende scherpstelgebieden selecteren door tijdens de opname het touchscreen aan te raken, waarna de scherpstelling geleidelijk verschoven wordt naar het nieuwe punt. Dual Pixel CMOS AF is compatibel met de meeste EF- en EF-S-objectieven.

Tot slot
Hoewel er in de fotografie een duidelijke trend is te zien naar ‘handmatig’ scherp­stellen met de komst van steeds meer fraaie objectieven zonder AF, zien we aan de andere kant bij filmende DSLR’s en systeemcamera’s steeds vaker technieken opduiken die de auto-focus verbeteren of versnellen. Sony gebruikt voor zijn A9 maar liefst 693 fasedetectie-AF-punten, verdeeld over de sensor. Panasonic heeft voor de G-systeemcamera’s, met de nadruk op de GH-serie, de DFD-technologie ontwikkeld: een contrastdetectie-AF-systeem met (bijna) de snelheid van een fasedetectie-AF-systeem zonder de nadelen. Canon heeft met zijn Dual Pixel CMOS AF-systeem van alle pixels op de beeldsensor een fase-detectie-AF-systeem gemaakt, dat zijn werk uitstekend doet bij het filmen en Live View-gebruik (dus met opgeklapte spiegel). Kortom: fascinerende tijden met veel innovaties die fotografen en filmers in staat stellen om met relatief eenvoudige middelen tot professionele resultaten te komen.

Fasedetectie en contrastdetectie
Het uitgangspunt bij de ontwikkeling van autofocussystemen was dat de afstand tussen de camera en het (hoofd)onderwerp moest worden gemeten, zodat het objectief op die afstand kon worden ingesteld, wat weer zou moeten resulteren in een scherp beeld. De techniek daarachter is bij spiegelreflexcamera’s fasedetectie. Voor digitale compactcamera’s werd later contrastdetectie ontwikkeld, omdat daarbij geen soortgelijke mogelijkheid was om een afstandmeting te doen.
Bij fasedetectie wordt het binnenvallende licht verdeeld in beeldparen die vervolgens met elkaar worden vergeleken. In het centrale, deels lichtdoorlatende deel van de hoofdspiegel in de camera wordt het licht gesplitst en via een hulpspiegeltje erachter naar de AF-sensor onder in de camera geleid. De twee lichtstralen worden door twee microlensjes op de AF-sensor opgevangen. Deze analyseert als een meetzoeker de twee beelden en berekent uit het verschil in lichtintensiteit of en hoeveel het onderwerp voor of achter het scherpstelpunt ligt. Op basis van de uitkomst wordt het objectief naar voren of naar achteren bijgesteld. De AF-sensor moet op exact dezelfde afstand liggen als de beeldsensor.
Wanneer de positie van de AF-sensor namelijk iets afwijkt door slordigheden tijdens de fabricage, kan front of back focus ontstaan: de camera stelt dan iets voor of achter het eigenlijke scherpstelvlak scherp en dan is het resultaat onscherp.
Bij contrastdetectie wordt het licht dat direct op de sensor valt geanalyseerd. Het contrast tussen naast elkaar gelegen pixels wordt in het algemeen groter naarmate het beeld scherper is. Kenmerkend voor contrastdetectie is dat bij het zoeken naar het hoogste contrast (en dus de grootste scherpte) het systeem eerst moet vaststellen dat het contrast weer afneemt, om daarna terug te keren naar het punt met de hoogste waarde. Bij geringe contrastverschillen kan zich dat enkele malen herhalen. Hiertoe dient het hele beeld te worden geanalyseerd, en dat kost allemaal tijd. Dit zorgt voor de gevreesde ontspanvertraging. En bij bewegende onderwerpen raakt contrastdetectie vaak het spoor bijster.
Bij deze methode wordt dus niet vastgesteld of het onderwerp voor of achter het scherpstelpunt van het objectief ligt: er wordt geen afstand gemeten. Aangezien bij contrast-detectie de beeldsensor wordt gebruikt, doet front of back focus zich niet voor.
Bij hybride-AF worden de eigenschappen van contrast- en fasedetectie gecombineerd. Het hybride-AF-systeem stelt aanvankelijk scherp met een externe, passieve AF-sensor die de afstand tot het onderwerp meet (via fasedetectie), waarna de scherpstelling wordt bijgesteld met behulp van contrastdetectie, mits je de ontspanknop half ingedrukt houdt. Bij meteen doordrukken wordt alleen fasedetectie gebruikt. De gemeten afstand kan overigens ook in beeld worden gebracht. Bij camera’s met een hybride-AF-systeem werden de fasedetectiesensoren (pixels) óp de hoofdsensor geplaatst: een destijds unieke oplos­sing van het AF-probleem van compactcamera’s en DSLR-camera’s die konden filmen of fotograferen met Live View (opgeklapte spiegel). De ontbrekende kleurinformatie voor die AF-pixels werd door interpolatie vanuit de omliggende pixels aangevuld. Bekende vroege camera’s met een hybride-AF-systeem waren de Fujifilm F300EXR, de Canon EOS 650D (in combinatie met STM-objectieven met een stappenmotor) en de Nikon 1-serie.

Tekst: Ger Meesters