da 9 a 171

by / lunedì, 29 luglio 2019 / Published in Alta Fotografia, Fotografia, Il blog

 

Da 9 a 171

l’aumento del numero di punti utilizzati per la messa a fuoco automatica

 

 

Quanto può cambiare la tecnologia in 10 mesi?

Ricordiamo velocemente le principali caratteristiche della messa a fuoco automatica.

I singoli raggi di una radiazione elettromagnetica quando passano attraverso un obiettivo vanno a convergere nel punto richiesto il fuoco. Se la convergenza è corretta diremo che l’immagine è a fuoco in caso contrario diremo che è fuori fuoco o sfocata. Le operazioni per ottenere la corretta esposizione nel campo focale, considerando anche la sua profondità, sono definite con il termine di “messa a fuoco”.

La messa a fuoco può essere manuale, il fotografo agendo su una ghiera la regola direttamente, oppure può essere automatica, in questo caso che chiameremo autofocus (AF) un meccanismo ne controlla il funzionamento.

schema di un sistema autofocus – la scena attraversa l’obiettivo e raggiunge sia il sensore AF che il sensore di acquisizione. Il sensore AF analizza la scena e mediante la CPU comanda il motore USM che permette di spostare le lenti che mettono a fuoco correttamente

Come andremo ad analizzare i semplici e vecchi sistemi di AF erano basati su un singolo sensore di messa a fuoco. Con l’avanzare della tecnologia è aumentato in modo significativo il numero dei sensori utilizzati per creare sistemi AF sempre più precisi. Dalla sua comparsa la tecnologia autofocus ha conquistato il mercato e ad oggi è presente su quasi tutte le fotocamere, sono veramente rare le eccezioni a questa tecnologia.

I sistemi per la messa a fuoco automatica possono essere classificati in:

  • sistemi attivi – viene inviato verso la scena un segnale ad ultrasuoni o ad infrarossi e successivamente si calcola la distanza dal piano focale della fotocamera al soggetto misurando il tempo che impiega il segnale riflesso a tornare indietro.
  • sistemi passivi – viene utilizzata la luce naturale della scena mediante due metodi diversi:
  • rilevamento della fase – inizialmente la scena divisa in due parti, utilizzando una coppia di piccoli sensori con sopra una microlente, viene mandata sia al sensore di acquisizione che al modulo autofocus. Le informazioni raccolte vengono poi utilizzate per decidere l’azione da intraprendere per ottenere la messa a fuoco.
  • misurazione del contrasto viene rilevato quando si presenta il massimo contrasto della scena che corrisponde alla scena messa a fuoco. Questo processo è ripetuto più volte fino a raggiungere la posizione con il contrasto più alto.

la luce entra dall’obiettivo e raggiunge lo specchio principale (ciò permette alla luce di raggiungere il mirino ottico) dove una zona semitrasparente indirizza la luce ad un secondo specchio e da qui la luce raggiunge il sensore AF

I principali tipi di fotocamere sono dotate normalmente di tre diverse modalità di messa a fuoco a seconda della scena.

  • soggetti fermi (paesaggi, ritratti etc.). AF-S AutoFocus Single per la Nikon e AF One-Shot per la Canon
  • soggetti in movimento prevedibile (foto sportive). AF-C AutoFocus Continous per la Nikon e AF AI Servo per la Canon
  • soggetti in movimento in modo imprevedibile (animali). AF-A AutoFocus Auto per la Nikon e AF AI Focus per la Canon
    nell’ultimo caso la fotocamera passa automaticamente da AF singolo a continuo se viene rilevato il movimento del soggetto.

In condizioni di scarsa illuminazione alcune fotocamere hanno una luce ausiliaria per migliorare la risposta del sistema AF.

Le caratteristiche principali, valide per tutti i sistemi AF, sono le seguenti:

  • accuratezza – questo parametro misura lo scostamento dalla realtà ed è influenzato dalla geometria dei punti.
  • Precisione – se dobbiamo scattare più fotografie in sequenza questo parametro rappresenta la ripetibilità del sistema.
  • Sensibilità – è la misura della risposta del sistema AF in condizioni di scarsa luminosità, maggiore è la sensibilità e minore sarà la luce necessaria al sistema per un corretto funzionamento. La sensibilità si misura in EV (ad esempio la Canon 7D Mark II funzione con -3 EV [a 100 ISO una esposizione di 24 secondi con diaframma 2] in pratica basta la luce fornita dalla luna).
  • Velocità – misura il tempo necessario al sensore AF per effettuare la messa a fuoco finale. Più la velocità è elevata e minore sarà il tempo necessario al processo AF.
  • Area di copertura – maggiore è il valore di questo parametro e maggiore sarà la probabilità che un punto AF si troverà direttamente sul soggetto.
  • Numero dei punti – quanti punti gestisce il sistema AF.
  • Geometria dei punti: semplice o complessa – oltre al numero dei punti nel sistema è fondamentale il modo in cui sono disposti.

punti di AF – l’area dei punti dipende dall’obiettivo utilizzato. Ci sono sistemi con punti AF nascosti o di assistenza. I sistemi possono essere semplici o molto complessi

Se analizziamo i parametri elencati possiamo concludere che nei sistemi AF la sensibilità, la velocità, l’area di copertura ed il numero dei punti sono gestiti in modo semplice mentre la geometria, l’accuratezza e la precisione sono gestiti in modo complesso (dipendono fortemente anche dall’obiettivo).

Analizziamo adesso quelli che necessitano di un maggior dettaglio.

Geometria dei punti: se più punti AF sono disposti su una linea è facile rilevare le diversità sulla direzione perpendicolare alla linea. Un sensore formato da linee di punti AF disposti orizzontalmente rileverà facilmente delle linee verticali (ad esempio un lampione) mentre un sensore con le linee di punti AF disposti verticalmente rileverà facilmente delle linee orizzontali (ad esempio la linea dell’orizzonte). Alcune fotocamere di fascia alta riuniscono le linee di sensori in doppie linee parallele dove la messa a fuoco è rilevata a zig-zag tra le due linee (dual-line zig-zag arrangement). Con questa geometria si riesce a rilevare in modo molto accurato il punto migliore per la messa a fuoco.

esempi di geometrie per i sistemi AF – la geometria dipende dal numero e dal tipo di connessione che intercorre tra i singoli sensori

I sensori AF lineari hanno la sensibilità diversa a seconda dei valori di apertura del diaframma minima dell’obiettivo utilizzato. Questa caratteristica è evidenziata per il sensore con “f /numero sensitive”. Un sensore indicato con f/2.8 sensitive richiede per funzionare di essere usato con un obiettivo con apertura di f/2.8 o superiore; un sensore con f/5.6 sensitive funziona bene con quasi tutte le ottiche. Solo le fotocamere professionali hanno qualche sensore con f/8 sensitive che permette un funzionamento ottimale anche con teleobiettivi molto potenti. Se si usano obiettivi con una apertura non adatta il sistema AF può ancora funzionare ma con ridotta efficacia, precisione e velocità.

Un sensore con f/2.8 è più preciso di un sensore con f/5.6 poiché può sfruttare una base più ampia per la triangolazione telemetrica. Le ottiche con focale di 2.8 sono ovviamente poche poichè la complessità costruttiva comporta dei prezzi considerevoli.

I sensori con apertura f/2.8 sono più precisi ma più lenti dei sensori con apertura f/5.6. Per ottimizzare i sistemi di AF vengono utilizzate delle doppie linee, la prima linea utilizza sensori con f/5.6 e la seconda utilizza sensori con f/2.8. La prima linea provvede velocemente alla messa a fuoco iniziale mentre la seconda linea subentra nella regolazione finale del sistema.

Per migliorare il sistema sono stati introdotti i sensori a croce che sono formati da un sensore lineare orizzontale e da uno verticale. In questo modo si aumentano le probabilità di riconoscere la messa a fuoco ottimale. Esistono punti a croce che hanno la stessa sensibilità per entrambe le linee di sensori, in questo modo i punti hanno una precisione minore ma funzionano bene con tutti gli obiettivi. Vengono anche utilizzati dei punti a croce con sensibilità diverse che funzionano in modo correlato all’obiettivo usato.

Infine possiamo considerare i sensori AF del tipo dual-cross point che sono l’unione di due sensori a croce inclinati a 45° tra di loro. Questo tipo di sensore permette facilmente di catturare anche le linee diagonali e quindi hanno una precisione maggiore. Anche in questo caso si usano delle linee a sensibilità diverse.

Area di copertura: le limitazioni tecnologiche attuali non permettono di estendere la copertura oltre la parte centrale della cornice di scatto per i seguenti motivi:

  • dimensione dello specchio secondario: la luce che colpisce lo specchio principale viene riflessa sia verso il mirino che verso il sensore di AF e questa operazione avrebbe bisogno di maggior spazio.
  • distorsione: tutti gli obiettivi presentano sui bordi fenomeni di distorsione che riducono la precisione della rilevazione di fase. È facile rilevare linee ma molto complicato rilevare curve.
  • vignettatura: sui bordi degli obiettivi, specie quelli di focale lunga, si presenta sempre una diminuzione della luminosità che influenza negativamente il sistema.
  • temperatura: se i sensori cambiano la temperatura si dilatano inficiando il sistema.

i sistemi AF che usano il rilevamento di contrasto non risentono di tutti questi difetti ma sono molto più lenti.

Oltre all’area di copertura è molto importante la densità dei punti del sistema. Un matrice di punti posizionati molto vicini permette al sistema AF una maggiore efficienza sia nella selezione che nella gestione dei singolo punto di messa a fuoco. Una densità elevata offre inoltre considerevoli miglioramenti nel caso di inseguimento di soggetti in movimento, poichè i soggetti passano più velocemente da un punto all’altro migliorando quindi gli algoritmi predittivi utilizzati.

Precisione: in quasi tutti i sistemi di AF è presente un punto AF chiamato “high precision” (alta precisione) che permette di mettere a fuoco con caratteristiche migliori di tre volte rispetto ai punti normali. Generalmente questo punto è posizionato al centro dell’intero sistema ed opera con la precisione di f/2.8 sensitive. Alcune fotocamere di fascia alta possono avere fino a cinque punti di alta precisione disposti sulla verticale centrale del sistema.

Per migliorare la precisione vengono utilizzati i punti AF invisibili. Il fotografo non possiede il diretto controllo di questi punti ma è l’automatismo del sistema che li attiva quando lo reputa necessario. Sono spesso utilizzati in modalità continua per facilitare la messa a fuoco finale.

Particolarmente impegnativa per il sistema AF è la condizione in cui il soggetto da fotografare e completamente fuori fuoco (defocus). I vecchi sistemi AF cominciavano a muovere il fuoco avanti e indietro per ricercare una scena nitida da analizzare. Nei sensori moderni si utilizzano parte dei sensori per individuare la giusta direzione per arrivare velocemente alla messa a fuoco ed ovviamente anche la quantità di correzione da apportare per raggiungere l’area dove i sensori lineari possono svolgere al meglio il loro compito. Questo compito è demandato ai sensori dual line zig-zag che abbiamo precedentemente visto. Questi quindi aumentano la precisione e contemporaneamente rilevano il defocus.

esempio di sistema AF per la Canon 6D – nonostante la vicinanza dell’erba (disturbo) il sistema riusce a mettere a fuoco all’infinito (soggetto scelto)

Indipendente dal numero e dalle caratteristiche dei singoli punti AF per ottenere un efficiente sistema tutti i punti devono lavorare insieme, soprattutto in modalità continua (inseguimento di un oggetto in movimento). Come già detto per la diversa sensibilità il sistema generalmente acquisisce la messa a fuoco velocemente con i punti f/5.6 sensitive e poi la raffina mediante i punti f/2.8 sensitive. Le prestazioni dell’inseguimento del soggetto in movimento dipendono anche da fattori che sono esterni al sensore AF stesso come il processore e gli algoritmi di previsione del movimento.

Per provare quanto detto ho utilizzato due fotocamere di fascia alta la vecchia Canon 6D (11 punti AF) e la nuova Canon 5D Mack III (61 punti AF). Nelle figure si vedono i risultati del confronto con un soggetto particolarmente complicato per l’autofocus, entrambe le fotocamere in alcune situazione non riescono a mettere a fuoco. Il nuovo sistema è ovviamente molto più efficacie del vecchio. Le foto possono sempre essere scattate a fuoco con entrambe le fotocamere cercando prima la messa a fuoco (mantenendo il pulsante di scatto premuto a metà per bloccarla) e successivamente si può scegliere l’inquadratura voluta.

confronto tra i due sistemi di AF della Canon 6D (sistema più vecchio) e della Canon 5D Mack III (sistema più nuovo)

con la EOS 6D la messa a fuoco è facile al centro ma oggetti di piccolo spessore sono rilevati con difficoltà (nel riquadro il punto di AF attivato)

con la EOS 5D Mark III la messa a fuoco può essere spostata sia a sinistra che a destra della scena scegliendo l’area del focus (nel riquadro il punto di AF attivato)

con la EOS 5D Mark III la messa a fuoco può essere spostata sia a sinistra che a destra della scena scegliendo l’area del focus (nel riquadro il punto di AF attivato)

Sintetizzando le principali caratteristiche che abbiamo visto possiamo dire che l’autofocus che utilizza il rilevamento di fase è il tipo più comune nelle reflex ma il suo uso non è possibile in modalità “Live View” poichè lo specchio viene portato nella posizione di scatto.

I sistemi di AF sono influenzati sia da fattori interni che esterni, ciò rallenta la velocità della messa a fuoco automatica e di conseguenza l’affidabilità del intero sistema di messa a fuoco.

I sistemi attivi non possono mettere a fuoco attraverso superfici trasparenti. Con i sistemi passivi questo non è un problema.

I sistemi passivi a rilevazione del contrasto non funzionano se il contrasto è basso (superfici monocromatiche come muri o cielo) o in condizioni di scarsa illuminazione. La velocità e l’accuratezza di un sistema autofocus è spesso migliore di quella che può essere raggiunta manualmente.

Possiamo quindi concludere che in poco tempo i sistemi di AF sono cambiati in modo significativo grazie soprattutto all’aumento considerevole del numero di punti e del loro tipo.

Se andiamo ad analizzare i prodotti che il mercato dei maggiori costruttori offre troviamo che il numero di punti utilizzato è:

per le Reflex Canon i sistemi vanno da 9 (Canon EOS 700D) a 65 (Canon EOS 7D Mark II)

per le Reflex Nikon i sistemi vanno da 11 (Nikon D90) a 51 (Nikon D7100 e D4S)

per le Reflex Sony i sistemi vanno da 19 (Sony ALFA 77) a 171 (Sony ALFA 7 II)

Naturalmente per classificare un sistema non basta solo il numero dei sensori ma bisogna considerarne anche il tipo e la copertura che i sensori offrono. Questa moltitudine di parametri rende difficile trovare una soluzione ottimale per tutte le esigenze possibili. Sarà quindi l’esperienza personale del fotografo a scegliere il sistema che più si adatta alle caratteristiche volute.

 

FRANCESCO

questo articolo è stato pubblicato sulla rivista FOTOGRAFARE 6 (Giugno) del 2015 nella rubrica di ALTA FOTOGRAFIA.

P.S. Visto il tempo trascorso dalla pubblicazione va precisato che l’impianto tecnico dell’articolo è sempre valido ma risulteranno poco attendibili le eventuali ricerche di mercato o le scansioni temporali dei prodotti fotografici citati nel medesimo.

 

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