Che cos'è l'autofocus e perché ne abbiamo bisogno?
Quando si scattano foto di un oggetto, il vostro cameraphone cattura la luce proveniente da esso. Una lente convessa viene utilizzata nella fotocamera per mettere a fuoco la luce in arrivo su un sensore CMOS. Il sensore digitalizzerà la luce e la trasformerà in una foto JPEG che verrà poi salvata sul tuo smartphone.
In ogni fotocamera digitale, c'è una lente e un sensore. L'obiettivo mette a fuoco la luce in arrivo sul sensore della macchina fotografica. Il sensore poi crea una fotografia digitale dalla luce in arrivo.
Nel mondo reale, le cose non sono così semplici come nel diagramma sopra. L'angolo dei raggi di luce in arrivo dipenderà dalla distanza dell'oggetto da fotografare. Nel diagramma seguente, abbiamo mostrato una lente che è impostata per mettere a fuoco la luce proveniente da un oggetto blu. Sfortunatamente, gli oggetti verdi e rossi non vengono focalizzati sul sensore (appaiono invece sfocati nella foto finale).
In questo esempio, solo il raggio di luce blu viene effettivamente focalizzato. Se vogliamo mettere a fuoco i raggi verdi o rossi, dovremo cambiare la distanza tra l'obiettivo e il sensore.
Nei primi tempi della tecnologia dei cameraphone, la maggior parte dei dispositivi aveva un obiettivo a fuoco fisso. A causa della lente a fuoco fisso, era impossibile catturare immagini totalmente nitide. Questo significa che si perdevano molti dettagli (era uno dei motivi per cui i cameraphone potevano essere facilmente battuti da una fotocamera digitale indipendente).
Oggi, la maggior parte degli smartphone (tranne alcuni dispositivi entry-level) hanno una messa a fuoco regolabile sulla fotocamera posteriore. L'obiettivo può essere spostato avanti e indietro in modo da variare la distanza tra la lente e il sensore. Usato insieme alla tecnologia di messa a fuoco automatica, significa che sei in grado di catturare immagini più nitide senza sfocature sul sensore e perdita di dettagli.
Ci sono attualmente tre diversi metodi per eseguire la messa a fuoco automatica su uno smartphone:
- Autofocus a rilevamento del contrasto Usato sulla maggior parte degli smartphone.
- Autofocus a rilevamento di fase Usato su alcuni nuovi dispositivi di fascia alta come il Galaxy S5, il Galaxy S6, l'iPhone 6 e l'iPhone 6 Plus.
- Autofocus laser Usato su LG G3 e LG G4.
In definitiva, un sistema di autofocus dovrebbe essere veloce e preciso. Dovrebbe capire rapidamente dove posizionare l'obiettivo per catturare un'immagine focalizzata e nitida. Il sistema di messa a fuoco automatica ideale dovrebbe anche funzionare in qualsiasi ambiente e illuminazione (ad esempio, al chiuso o all'aperto, in condizioni di luce o di buio).
Autofocus a rilevamento del contrasto: Il metodo standard oggi
Per determinare quando un'immagine è a fuoco, lo smartphone utilizza un algoritmo basato sulla misurazione del contrasto. Generalmente, il livello di contrasto sarà più alto in un'immagine quando l'oggetto è a fuoco (l'immagine ha un contorno netto e i colori sono più vividi). Se l'immagine è sfocata, i colori tenderanno a confondersi tra loro. Questo significa che c'è un livello inferiore di contrasto generale.
L'immagine seguente illustra come funziona la messa a fuoco automatica con rilevamento del contrasto:
Nella messa a fuoco automatica con rilevamento del contrasto, il tuo cameraphone sposta l'obiettivo avanti e indietro finché non trova il punto di massimo contrasto. Questo sarà il momento in cui l'immagine è a fuoco.
Un grande svantaggio quando si usa questo metodo è che il telefono non sa quando ha raggiunto il punto di massimo contrasto. Per questo motivo, dovrà sempre superare il punto focale prima di tornare a un'immagine più a fuoco. A volte si nota questo quando si scattano foto con lo smartphone: l'immagine a volte diventerà più sfocata prima di diventare più chiara.
Pro della messa a fuoco automatica a rilevamento del contrasto:
- Non richiede alcun hardware extra. Uno dei principali vantaggi della messa a fuoco automatica a rilevamento del contrasto è che non richiede alcun hardware aggiuntivo. Questo lo rende un sistema abbastanza economico e facile da implementare.
- In genere dà risultati abbastanza buoni. Nonostante sia lento, l'autofocus a rilevamento del contrasto generalmente fa un lavoro abbastanza buono nel mettere a fuoco l'immagine.
Cons di Contrast-Detection Auto-Focus:
- Ragionevolmente lento. La messa a fuoco automatica a rilevamento del contrasto è generalmente abbastanza lenta: normalmente impiega circa un secondo per mettere a fuoco l'immagine. Durante questo tempo, è possibile che si perda l'immagine che si vuole catturare (ad esempio in una scena in rapido movimento).
- Non sempre funziona in condizioni di scarsa luminosità. Poiché la messa a fuoco automatica a rilevamento del contrasto si basa sulla misurazione del contrasto in un'immagine, a volte non funziona se c'è poco contrasto nella scena per cominciare.
- Non si possono seguire gli oggetti in movimento. Se stai scattando una foto a qualcosa che si sta muovendo, perderà il contrasto quando andrà fuori fuoco. Sfortunatamente, la messa a fuoco automatica a rilevamento del contrasto non ti dirà se l'oggetto si è spostato in avanti o indietro. Il tuo telefono dovrà quindi iniziare una nuova ricerca per trovare il nuovo punto focale (questo non è bello quando si gira un video).
Fase-Detection Autofocus: Un'alternativa più veloce e più avanzata
L'autofocus a rilevamento di fase è un metodo più nuovo e avanzato per mettere a fuoco un'immagine. La tecnica è più comunemente vista sulle DSLR piuttosto che sugli smartphone o sulle fotocamere compatte. Recentemente, la tecnologia è apparsa sugli smartphone di fascia alta di Apple e Samsung. La troverete sul Galaxy S5, il Galaxy S6, l'iPhone 6 e l'iPhone 6 Plus. Sull'iPhone, la tecnologia è conosciuta come 'Focus Pixels'.
Con l'autofocus a rilevamento di fase, la fotocamera analizza la luce mentre passa attraverso l'obiettivo. Mette a confronto la luce proveniente da due aperture sui lati opposti dell'obiettivo. Se l'immagine è ben focalizzata, i due raggi di luce daranno un profilo di intensità sovrapposto. Se l'immagine non è messa a fuoco, il sistema può determinare esattamente quanto la messa a fuoco deve essere regolata. È quindi in grado di mettere a fuoco l'immagine senza il lungo avanti e indietro che si vede sul rilevamento del contrasto.
Secondo Samsung, il Galaxy S5 può mettere a fuoco un'immagine in soli 0,3 secondi utilizzando la messa a fuoco automatica a rilevamento di fase.
Con la messa a fuoco automatica a rilevamento di fase, è possibile vedere quando l'immagine è a fuoco. Ancora più importante, quando l'immagine è fuori fuoco, un confronto dei profili di intensità della luce ti dirà quanto la messa a fuoco dovrà essere regolata.
Pro della messa a fuoco automatica a rilevamento di fase:
- È veloce e precisa. Ci vogliono solo circa 0,3 secondi per mettere a fuoco un'immagine con l'autofocus a rilevamento di fase. Questo è circa 3 volte più veloce della rilevazione del contrasto. Con una messa a fuoco automatica più veloce, è molto più rapido ottenere le immagini che si desiderano. Nelle scene in rapido movimento (ad esempio in una partita sportiva), c'è meno possibilità di perdere l'immagine che si vuole catturare
- È possibile fare l'autofocus continuo. Con l'autofocus a rilevamento di fase, è possibile fare l'autofocus continuo. Un oggetto in movimento può essere sempre mantenuto nitido e a fuoco (particolarmente importante quando si registra un video).
Cons di Phase-Detection Auto-Focus:
- Funziona ancora male in condizioni di scarsa luminosità. Come la rilevazione del contrasto, anche la messa a fuoco automatica a rilevamento di fase lavora sull'analisi della luce che entra nell'obiettivo. In condizioni di scarsa luminosità, a volte può essere difficile analizzare l'immagine.
- È disponibile solo su alcuni smartphone di fascia alta. Al momento, la messa a fuoco automatica a rilevamento di fase è disponibile solo su dispositivi di fascia alta di Apple e Samsung.
Autofocus laser: Autofocus attivo
Mentre Apple e Samsung hanno messo i loro sforzi dietro l'autofocus a rilevamento di fase, LG ha adottato un approccio totalmente diverso con l'autofocus laser su LG G3 e LG G4.
Con l'autofocus a rilevamento di contrasto e a rilevamento di fase, si analizza la luce che entra nella fotocamera. Collettivamente, i due metodi sono noti come autofocus passivo. Al contrario, l'autofocus laser è un sistema molto diverso. È noto come autofocus attivo, in quanto non si basa sulla luce in entrata. Invece, il telefono emette il proprio fascio di luce infrarossa verso l'oggetto. Calcola il tempo in cui la luce viene riflessa ed è quindi in grado di calcolare la distanza dall'oggetto:
Distanza percorsa dal raggio laser = Velocità della luce * Tempo per ricevere la riflessione
Distanza dall'oggetto = Distanza percorsa dal raggio laser / 2
Esattamente utilizza il principio del RADAR. Dopo aver determinato la distanza dall'oggetto, l'obiettivo viene spostato nella posizione corrispondente. Secondo LG, l'intero processo richiede solo 0,276 secondi. Questo lo rende un metodo molto più veloce dell'autofocus a rilevamento del contrasto. E' anche marginalmente più veloce che fare il rilevamento di fase.
L'LG G3 e LG G4 emettono un fascio di luce infrarossa per misurare la distanza da un oggetto. Utilizza le informazioni per mettere a fuoco rapidamente la fotocamera.
Pro della messa a fuoco automatica laser:
- È super-veloce. Secondo LG, ci vogliono solo 0,276 secondi per mettere a fuoco un'immagine con l'autofocus laser.
- Funziona in condizioni di scarsa luminosità. L'autofocus laser non si basa sulla luce dell'oggetto. Invece, emette un proprio fascio di luce da cui si può determinare la distanza dell'oggetto. Per questo motivo, il metodo funziona in qualsiasi condizione di luce (è particolarmente vantaggioso per la fotografia con poca luce).
Cons dell'autofocus laser:
- È efficace solo fino a una certa distanza. Se l'oggetto è molto lontano, è improbabile che tu riceva dei riflessi. Secondo LG, l'autofocus laser funziona meglio quando l'oggetto è entro 0,6m. La gamma totale di efficacia è di circa 5m (oltre questo, il telefono tornerà al rilevamento del contrasto).
- A volte può essere confuso dai riflessi. Per esempio, se si cerca di scattare foto attraverso una finestra, il raggio laser potrebbe essere riflesso dalla finestra. Questo darà una misura errata della distanza (l'immagine sarà focalizzata sulla finestra piuttosto che sull'oggetto).
- È costoso e richiede un hardware supplementare. L'autofocus laser è attualmente disponibile solo sugli smartphone di fascia alta di LG.
Così, potete vedere che non potete forzare il vostro hardware a fare cose per cui non è stato pensato. Ci sono alcune app che aiutano a migliorare il contrasto e il rilevamento di fase, ma la maggior parte della capacità della fotocamera dipende completamente dall'hardware.
Se si va per casi di studio, il Nexus 5 su KitKat aveva una fotocamera molto povera, ma è stata super aggiornata con l'uscita di Lollipop e Marshmallow ed è diventata piuttosto ordinata !
Non si può semplicemente forzare un cellulare a fare qualcosa per cui non è stato progettato. Ci sono limitazioni per tutto.