Dual Pixel AF: come funziona?

La presentazione da parte di Canon della nuova reflex EOS-70D ha coinciso con l’introduzione di un sensore di nuova tecnologia di autofocus denominata Dual Pixel AF. Questo sensore CMOS è interamente progettato e prodotto da Canon e consente alla fotocamera di effettuare la messa a fuoco usando il metodo a rilevamento di fase, invece che quello a rilevamento di contrasto, anche quando si riprendono foto in live view oppure si riprendono video. In questo modo Canon ha ovviato al più grosso limite delle reflex per la ripresa video che ha sofferto sempre fino ad ora della lentezza dell’autofocus, attuato dal sensore invece che dai sensori AF dedicati usati per le foto, con difficoltà a seguire scene e soggetti in movimento.
Ma come funziona questo sistema e come funziona in generale il metodo autofocus a rilevamento di fase?

I sistemi autofocus, sviluppati per le reflex fino dagli anni 80 dello scorso secolo, hanno sempre usato un metodo di messa a fuoco detto !a rilevamento di fase”. Per attuarlo è necessario che alcuni raggi di luce provenienti dal soggetto siano deviati su appositi sensori in grado di rilevarne la fase e controllare la messa a fuoco. Questi sensori sono alloggiati sul fondo della camera reflex e per farvi arrivare la luce le reflex sono dotate di uno specchio con una parte semitrasparente. Dietro lo specchio principale c’è uno specchio secondario in grado di inviare la luce ai sensori AF. Lo schema è quello indicato in figura.

slr-light-paths

I sensori sono divisi a coppie e in ciascuna coppia un sensore rileva la luce proveniente da un lato dell’obiettivo, destra e sinistra o alto e basso come indicato in figura.

Schema_AF

Il sistema autofocus misura la differenza di fase fra i due segnali e con un’unica misura è in grado di capire in che direzione deve fare spostare l’obiettivo e di quanto per mettere a fuoco il soggetto (vedi figura).

Autofocus_phase_detection.svg-s

In questo modo in modo molto rapido l’autofocus è in grado di trovare la giusta regolazione.

Le fotocamere senza specchio, compatte, bridge e ovviamente mirrorless, non possono usare questo sistema. In questo caso si usa il sistema “a rilevamento di contrasto”. Il sensore inizia a rilevare il contrasto del soggetto e a spostare l’obiettivo in una direzione: se il contrasto aumenta la direzione è quella giusta e il movimento continua fino a che il contrasto aumenta. Quando comincia a diminuire l’autofocus fa ritornare indietro l’obiettivo fino ad individuare il massimo del contrasto. Se la direzione invece rsulta sbagliata, con diminuzione del contrasto, il movimento dell’obiettivo viene invertito fino a individuare, col massimo del contrasto, la messa a fuoco corretta.
Come si vede questo metodo è molto più lento e complicato del metodo a rilevamento di fase, anche se presenta un vantaggio. Infatti col metodo a rilevamento di fase l’autofocus, dopo avere effettuato la messa a fuoco, non ne controlla più la correttezza. La precisione della messa a fuoco è quindi affidata alle tolleranze di produzione e di montaggio della fotocamera e degli obiettivi che devono rispettare delle distanze precise fra obiettivo, specchi, sensori AF e sensore d’immagine qualsiasi disallineamento, in produzione o in seguito a usura, può determinare un’imprecisione in mdo che il soggetto non si trova più correttamente a fuoco. Sono i noti fenomini di front o back focus. Le reflex professionali e di gamma alta hanno infatti la possibilità di regolare con precisione la correzione di messa a fuoco obiettivo per obiettivo e memorizzarla per ciascuno di essi.
La messa a fuoco a rilevamento di contrasto è invece attuata dallo stesso sensore d’immagine e di conseguenza non soffre di questi problemi e garantisce la massima precisione.
Per limitare i problemi dovuti alla sua lentezza i produttori hanno incrementato la frequenza con la quale il sensore controlla il contrasto del soggetto durante la fase di messa a fuoco portandola a 120 e anche 240 volte al secondo. In questo modo la velocità di AF migliora anche se non raggiunge quella dei siatemi a rilevamento di fase.
Un altro problema dei sistemi a rilevamento di contrasto è che la loro velocità dipende dalla quantità di luce che raggiunge il sensore, perciò in poca luce o con obiettivi poco luminosi rallentano. L’ideale per questi sistemi sono quindi gli obiettivi ad alta luminosità.
I sistemi a rilevamento di fase invece sono insensibili alle variazioni di luce fino al limite minimo di chiusura del diaframma oltre il quale non riescono più ad operare, di solito f/5,6, ma qualche volta f/8,0, e la loro velocità è la stessa indipendentemente dalle condizioni di luce fino alla sensibilità minima.
Tutto questo spiega perchè le reflex hanno un autofocus velocissimo quando si usa il mirino e molto più lento quando si opera in live view o si riprendono video con lo specchio sollevato.
Sony ha cercato di ovviare a questo problema con la sua serie di fotocamere SLT. Non si tratta di vere e proprie reflex perchè in queste fotocamere il mirino è elettronico e dovrebbero essere classificate più propriamente mirrorless. Nelle SLT lo specchio è fisso, totalmente semitrasparente, e serve unicamente per mandare la luce verso i sensori AF sul fondo della fotocamera. In questo modo i sensori AF possono funzionare sempre, anche il live view o durante le riprese video. L’inconveniente è che si sottrae luce al sensore, circa il 30 % equivalente a mezzo stop.

La novità introdotta da Canon con il suo sensore Dual Pixel supera gli inconvenienti di entrambi i sistemi.
In questo sensore l’80 % dei pixel sono sdoppiati e possono essere letti separatamente. In questo modo quando sono letti separatamente è possibile rilevare la differenza di fase tra i due segnali e regolare di conseguenza la messa a fuoco con il metodo a rilevamento di fase direttamente con il sensore d’immagine secondo lo schema indicato nelle tre figure.

Backfocus-s

Frontfocus-s

Imfocus-s

Poi quando deve essere letta l’immagine i due pixel sono letti insieme per cui la qualità d’immagine non subisce conseguenze.

Attualmente la Canon 70D usa questo sistema per la messa a fuoco in live view e durante le riprese video, garantendo così una velocità elevata e la massima precisione anche in queste situazioni. Per le foto invece continua a fare uso dei tradizionali sensori a rilevamento di fase (ne ha 19) sotto lo specchio. E’ un progresso notevole per chi usa la macchina in live view usando lo schermo orientabile per inquadrature con anholi inusiali o per chi fa riprese video.

L’evoluzione però non si fermerà qui, questo è solo il primo passo. E’ facile pensare che lo stesso sensore possa essere applicato ad una mirrorless, un’evoluzione della EOS-M ad esempio, per ottenere gli stessi vantaggi di velocità e porla sullo stesso piano delle reflex ovviando al principale svantaggio che le mirrorless hanno nei loro confronti.
E’ poi presumibile che presto la soluzione non rimanga confinata in cas Canon. La prima applicazione di questa tecnologia infatti è stata di Fujifilm con le F300EXR e F800EXR nel 2010. In questo caso però i pixel sdoppiati erano pochi e l’autofocus poteva operare a differenza di fase solo quando c’era molta luce. Ugualmente Nikon usa questa tecnologia sulle sue mirrorless 1, sempre con un numero ridotto di pixel. Le 1 infatti hanno un autofocus velocissimo in buona luce e poi rientrano nella media delle mirrorless quando la luce scarseggia.
Se l’uso di sensori con i sensori sdoppiati per la messa a fuoco a rilevamento di fase fosse adottata da altre mirrorless uno dei principali vantaggi delle reflex cadrebbe. Rimarrebbe è vero il fatto che il mirino ottico offre una visione migliore e diretta senza i difetti di trascinamenti e scie che ancora i mirini elettronici hanno in poca luce, ma le differenze si assottglierebbero assai con il vantaggio per le mirrorless di dimensioni e pesi più ridotti per i fotografi e di un costo di produzione inferiore per la minore presenza di elementi meccanici ed ottici, che sono quelli di cui non si può ridurre più di tanto il costo di produzione e di assemblaggio. Inoltre i produttori potrebbero vendere queste macchine allo stesso prezzo delle reflex (come in parte fanno già adesso) con la scusa della novità.
Anche i sistemi a specchio semitrasparente come quello SLT di Sony in queste condizioni avrebbe vita breve.
In conclusione ci attende un futuro con sempre più elettronica e sempre più mirrorless.

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6 pensieri su “Dual Pixel AF: come funziona?”

  1. Bell’articolo, penso che la tecnologia SLT tramonterà molto presto, forse entro un paio di anni e convergerà verso le EVIL. Le reflex invece hanno una tradizione che sarà difficile da scalfire. Tuttavia con questo nuovo sistema è possibile prevedere via firmware la correzione delle ottiche in un sistema reflex, basta un programma apposito che aiuti a fare le regolazione e di conseguenza poter utilizzare ogni ottica con il classico sistema ottico. Entro un paio di anni penso che il livello di ingresso delle DSLR sarà sostituito da delle EVIL per avviare una migrazione. C’è solo da aspettare e vedere quanto tempo impiegherà Sony a rilasciare un sensore competitivo. In autunno si aspettano sia aggiornamenti di nikon che di pentax nelle top di gamma (le sempre citate d400 e k-3). Vedremo cosa succederà.

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  2. Ottimo articolo e tecnologia molto interessante sopratutto per gli sviluppi che potrà avere in futuro.
    Per adesso però mi sembra di capire che in questa 70d, al di là del live view e delle riprese video, non cambia niente.
    Voglio dire, per chi usa la reflex in modo tradizionale, per fare fotografie inquadrando con il mirino, la cosa più interessante sarebbe vedere le prestazioni del sensore nel comparto fotografico, in termini di nitidezza e pulizia delle immagini, gamma dinamica e rumore agli alti iso.
    Di queste cose si sa niente?

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    1. Per quello si aspettano le misurazioni di dxomark che ormai fanno da riferimento. In realtà comunque cambia molto, oggi le reflex sono considerate (se si vuole: tristemente) anche come delle cineprese e questa innovazione spinge ulteriormente in questo senso.

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  3. Mi sembra di capire che questo metodo non consenta di selezionare un punto di messa a fuoco desiderato ,come avviene durante la fotografia che si può scegliere uno dei punti di messa a fuoco per far risaltare il soggetto. Comunque per i filmati è senz’altro un ottimo metodo.
    Come è stato detto bisogna vedere se 40 MP danno una resa accettabile nelle foto.
    In passato ho già letto molto su diversi siti critiche sulla resa dei sensori di oltre 20 MP su APS.
    Sono curioso di vedere cosa dicono di Canon ora che ne ha implementati 40 🙂 🙂

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    1. Sergio,
      non è stato ancora spiegato bene come si comporti l’autofocus Dual Pixel. Il fatto che tutti i pixel del sensore possano essere usati per la messa a fuoco non significa che non si posa scegliere una area precisa e delimitata per questa operazione. Ciò avviene su altre fotocamere che usano, almeno in parte, questa tecnica come le Nikon 1. La v2 ha, ad esempio, 73 punti AF selezionabili sul sensore. La 70D ha però anche i tradizionali sensori a rilevamento di fase per la messa a fuoco quando si usa il mirino, mentre per il momento non ho trovato nelle specifiche come si comporta per la messa a fuoco in live view o video.
      Infine i pixel del sensore sono sdoppiati per la messa a fuoco, ma vengono letti contemporaneamente le due metà insieme per l’immagine. Quindi il sensore, dal punto di vista di formazione dell’immagine, ha 20 Mpx non 40.
      Ciao, Francesco

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  4. Ottimo e dettagliato articolo!!!
    Anche io penso che le relex non potranno, almeno nel medio tempo, essere completamente rimpiazzate dalle mirroroless anche perchè su quest’ultime fotocamere il sensore è sempre attivo e tenendo acceso per tanto tempo la fotocamera il rumore fotografico può aumentare come riportato nei manuali di istruzione.

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