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Autor: Sascha Stewen
Veröffentlicht: 09. Dezember 2012

Kontrastautofokus / Kantenkontrastmessung

The Need for Speed

Als im Herbst 2008 mit der Panasonic Lumix DMC-G1 die erste moderne, kompakte Systemkamera auf dem Markt erschien, galt dem Autofokussystem eine besondere Aufmerksamkeit. Anders als bei den digitalen Spiegelreflexkameras konnte ein klassischer Phasenvergleichsautofokus als eigenständiges Modul nicht genutzt werden, da durch die spiegellose Auslegung der Kamera keine Möglichkeit bestand, das Licht entsprechend umzulenken. Stattdessen setzte man auf Kantenkontrastmessung, die zuvor in erster Linie bei Kompaktkameras zum Einsatz kam und dort meist nur mäßige Geschwindigkeiten erzielte. Die Panasonic G1 änderte diesen Eindruck und war gleichzeitig der Startschuss für eine rasante Entwicklung. Die im Bericht genannten Zahlen und Fakten entsprechend dem aktuellen Stand im Dezember 2012.

Begriffserklärung

Ein Autofokus, der mittels Kantenkontrastmessung die Fokusebene bestimmt, wird aufgrund des Verfahrens Kontrastautofokus genannt. Als Abkürzung nutzt man KAF oder K-AF. Auch der Begriff Sensorautofokus wird gelegentlich verwendet, obwohl dieser irreführend ist (auch andere Autofokussysteme nutzen Sensoren, in diesem Fall ist aber der Aufnahmesensor gemeint). Im englischen treffender ist die Übersetzung Imager-AF, die auch von Herstellern genutzt wird. Technisch korrekt heißt es Contrast Detection Autofocus, die richtige Abkürzung lautet CDAF.

Funktionsbeschreibung

Bei der Kantenkontrastmessung nutzt die Kamera das Bild des Aufnahmesensors, um die korrekte Fokusebene zu ermitteln. Was einfach klingt ist ein sehr komplexer Prozess. Zunächst wird der gewählte Bereich des Sensors ausgelesen (entsprechend dem gewählten Fokusfeld) und auf vorhandene Kontrastverläufe analysiert. Dem stärksten Verlauf wird ein Wert entsprechend seiner Steigung zugewiesen und protokolliert. Anschließend wird die am Objektiv eingestellte Fokusebene leicht verändert, der Fokus also minimal verstellt, und die Prozedur wiederholt. Ergibt sich im Vergleich zur ersten Messung nun ein höherer Wert, ist die Fokusrichtung korrekt und der Ablauf kann weiter wiederholt werden. Ist der Wert hingegen niedriger, wurde in die falsche Richtung fokussiert, so dass im nächsten Schritt die Verstellung umgekehrt wird. Auf diese Weise werden Messwerte in Form eines Kontrastindex gesammelt. Am Scheitelpunkt dieses Index befindet sich der höchste Kantenkontrast (erkennbar am steilsten Kontrastverlauf) und damit die vermeintlich korrekte Fokusebene. Um diese zu erkennen ist es allerdings notwendig, dass über den Scheitelpunkt hinaus gemessen wird. Wird ein wieder abfallender Wert ermittelt, stoppt die Kontrastmessung und das Objektiv wird auf die Position des gemessenen Maximums zurückgestellt.

Komponenten

Das Funktionsprinzip macht deutlich, welch hohe Anforderungen an die Kamera und das Objektiv gestellt werden, damit der Prozess möglichst schnell ablaufen kann. Insgesamt spielen dabei drei Komponenten eine wichtige Rolle.

Das Objektiv muss in der Lage sein, möglichst schnell und dabei sehr präzise die Fokusposition zu verändern. Weniger wichtig ist dabei die absolute Geschwindigkeit, wie sie etwa bei konventionellen Ultraschallantrieben erreicht wird, sondern eine schnelle Beschleunigung und Verzögerung, um den notwendigen Richtungswechseln möglichst präzise zu folgen. In der Folge werden zum einen kräftige, schnell reagierende Schrittmotoren in Linearbauweise von den Herstellern bevorzugt, zum anderen besonders leicht konstruierte Fokusgruppen genutzt, so dass bereits bei der optischen Rechnung des Objektivs die Kontrastfokussierung berücksichtigt werden muss.

Der Sensor muss die Daten nicht nur aufzeichnen, sondern auch schnell genug der Prozessierung übergeben. Die Ausleserate ist also ein entscheidender Punkt, die Geschwindigkeit zu erhöhen, da durch kürzere Intervalle natürlich auch eine falsche Bewegungsrichtung oder das Kontrastmaximum schneller erkannt werden können. Frühere Ausleseraten lagen bei 30 Hertz (30 Auslesungen pro Sekunde), inszwischen sind 60 Hertz weit verbreitet. Einige wenige Hersteller bieten durch besonders optimierte Sensoren Ausleseraten von 240 Hertz.
Eine weitere Möglichkeit der Leistungssteigerung ist die Integration von “Spezialpixeln” auf der Sensoroberfläche, die einen Phasenvergleich ermöglichen und dadurch ähnlich dem Phasenautofokus einer Spiegelreflexkamera funktionieren. Durch die geringere Größe und Lichtempfindlichkeit werden sie primär dafür verwendet, die korrekte Bewegungsrichtung vor dem Anfahren zu nutzen und das Kontrastmaximum vorherzusagen, so dass die Kontrastkantenmessung nur für die Endphase genutzt werden muss.

Die Signalverarbeitung ist aufgrund der komplexen Anforderungen der Kantenkontrastmessung stark gefordert. Durch Optimierung der Hardware, etwa in Form von spezialisierten Prozessoren, können die notwendigen Berechnungen schneller durchgeführt werden. Aus diesem Grund setzen bereits heute einige Hersteller neben dem Bildprozessor auf eine separate Signalverarbeitung für die Fokussierung. Neben der vorhandenen Technik spielt auch die Programmierung eine wichtige Rolle, um die zur Verfügung stehenden Ressourcen besser zu nutzen. Durch Modifikationen der Firmware sind so, in begrenztem Rahmen, auch höhere Geschwindigkeiten möglich.

Auf dem Markt sind heute deutliche Leistungsunterschiede zwischen verschiedenen Herstellern im Bereich der Kontrastfokussierung auszumachen. Höchste Leistungen erzielen dabei nur die Systeme und Kamera-Objektiv-Kombinationen, bei denen alle Faktoren gleichmäßig auf die besonderen Erfordernisse der Kantenkontrastmessung angepasst wurden.

Vor- und Nachteile

Digitale Spiegelreflexkamera (oben) mit Phasenvergleichsautofokus
und kompakte Systemkamera (unten) mit Kontrastautofokus
Als Maßstab für die Kontrastkantenmessung gilt die bei den Spiegelreflexkameras übliche Phasenvergleichsmessung, da diese zum einen bisher die höchsten Leistungen erzielte, zum anderen weil auch viele Interessierte eine spiegellose Systemkamera als Alternative zu einer digitalen Spiegelreflexkamera betrachten.

Zu den Vorteilen der Kontrastautofokussierung gehört die Kalibrierungsfreiheit. Da die notwendige Messung auf der Sensorebene stattfindet gibt es keinen Unterschied zwischen der Fokussierungsmessung und der sichtbaren Fokussierung im Bild selbst. Ein Front- oder Backfocus (Fokussierung liegt vor oder hinter dem eigentlichen Motiv), der bei Spiegelreflexkameras durch das separate Autofokusmodul auftreten kann, ist somit ausgeschlossen.
Ein weiterer Vorteil ist die Abhängigkeit der Messung von der maximalen Blendenöffnung des Objektivs. Dies sorgt zum einen dafür, dass gerade bei wenig Licht durch die Nutzung von lichtstarken Objektiven die Geschwindigkeit gesteigert werden kann, zum anderen auch die geringere Schärfentiefe bei der Messung berücksichtigt wird und somit eine höhere Genauigkeit erzielt wird. Das Phasenautofokusmodul hingegen arbeitet konstruktionsbedingt mit festen Maximalwerten, die üblicherweise bei ƒ/2,8 bis ƒ/5,6 liegen.
Die Kantenkontrastmessung ist zudem nicht abhängig von festen Fokusfeldern und kann damit ohne Einschränkungen auch am äußersten Bildrand genutzt werden. Variable Messfeldgrößen und die Möglichkeit der flächigen Bildanalyse erlauben die Integration von interpretierenden Messsystemen, die nicht nur den Kontrast messen, sondern das Motiv selbst erkennen und sich darauf optimal einstellen können. Neben der bekannten Gesichtserkennung, die nach diesem Prinzip arbeitet, wird inzwischen auch eine Augenerkennung angeboten, die gerade bei Portraitaufnahmen mit geringer Schärfentiefe sinnvoll ist.

Der größte Nachteil der Kantenkonstrastmessung ist die dynamische Messmethode. Um die Fokussierung genau zu bestimmen, muss (wie zuvor beschrieben) die eingestellte Schärfeebene zwingend verändert werden; das Objektiv muss also jeweils neu fokussieren, auch wenn dies nur der Feststellung dient, dass bereits korrekt fokussiert war. Aus diesem Grund stellt die kontinuierliche Fokussierung eine deutlich größere Hürde dar. Auch wenn dort bereits von einzelnen Kameramodellen akzeptable Ergebnisse erzielt werden, so wird das Leistungsniveau der besonders darauf optimierten Spiegelreflexkameras deutlich verfehlt.
Zudem ist der Kontrastautofokus nicht in der Lage, die tatsächliche Fokusebene für ein Motiv zu erkennen, sondern nur, diese anhand des höchsten Kontrastes abzuleiten. Bei besonders starken Schwankungen der Aufnahmedistanz zwischen zwei Motiven kann es deswegen leicht passieren, dass aufgrund einer zu geringen Schärfentiefe keine brauchbaren Kontrastverläufe erkannt werden und somit nur mit deutlicher Verzögerung oder gar nicht korrekt fokussiert wird.

Alle genannten Vor- und Nachteile sind konzeptionell bedingt, treten in der Realität aber je nach Auslegung der Technik sowie dem Technologiestand der Hersteller stärker oder schwächer in Erscheinung.

Zukunftsaussichten

Die Kantenkontrastmessung hat in den letzten Jahren eine rasante Entwicklung erlebt, angetrieben durch den Wunsch der Hersteller von kompakten Systemkameras, diese als gleichwertigen Alternative zu den digitalen Spiegelreflexkameras zu positionieren. Für die Zukunft ist zum einen eine bessere Umsetzung des kontinuierlichen Autofokus zu erwarten. Dies kann durch eine weitere Steigerung der Fokusgeschwindigkeit oder durch verstärkte Nutzung von Phasenvergleichszellen auf der Sensoroberfläche geschehen. Zur Zeit noch rein theoretische Möglichkeiten ergeben sich aus der Nutzung verschiedener Wellenlängen des Lichts zur Fokusmessung, durch reliefartig strukturierte Sensoren mit unterschiedlichen Pixelhöhen zur Differenzmessung oder auch durch eine feine Bewegung des Sensors selbst.
Zum anderen ist auch davon auszugehen, dass die flächige, interpretierende Bildanalyse in Zukunft noch stärker genutzt wird und mit steigender Rechenleistung neben der Gesichtserkennung noch weitere Funktionen angeboten werden. Die Haustiererkennung (Hunde und Katzen) ist bereits jetzt im Bereich der Kompaktkameras erhältlich. Weitere Möglichkeiten ergeben sich für die Motivverfolgung, aber auch zur Differenzierung von Motiv und Hinter- oder Vordergrund, etwa bei fliegenden Vögeln.
Wie die Zukunft genau aussehen wird bleibt natürlich offen. Lassen wir uns überraschen.

Stimmt's,...

… dass es beim Kontrastautofokus keine Fehlfokussierungen gibt?

Nein, das stimmt natürlich nicht. Im Gegensatz zum Phasenvergleichsautofokus können Fehler durch eine falsche Kalibrierung ausgeschlossen werden, zudem arbeitet das System bei hohen Lichtstärken genauer. Dies führt dazu, dass in Vergleichstests die Zahl der Fehlfokussierungen deutlich geringer ist. Fehlerfrei ist aber auch der Kontrastautofokus nicht, und durch störende oder fehlende Motivkontraste, aber auch durch Geisterbilder oder Spiegelungen kann die Kantenkontrasterkennung in die Irre geführt werden.

… dass der Kontrastautofokus langsamer ist als ein Phasenautofokus?

Ja und Nein. Beim Einzelautofokus erreichen die aktuellen Modelle vieler Systeme bereits Geschwindigkeiten, die auf oder sogar über dem Niveau von professionellen Spiegelreflexkameras liegen. Beim kontinuierlichen Autofokus hingegen wird dieses Niveau nicht erreicht, und die besten Systeme erreichen lediglich das Niveau von Einsteigermodellen im Bereich der digitalen Spiegelreflexkameras.

… dass eine hohe Schärfentiefe dem Kontrastautofokus hilft und Systeme mit kleinerem Sensor daher im Vorteil sind?

Nein, das stimmt nicht. Zwar ist es richtig, dass eine große Schärfentiefe eine geringere Genauigkeit erlaubt. Gleichzeitig steigert aber eine geringe Schärfentiefe den Kontrastunterschied zwischen der Fokusebene und dem nicht fokussierten Bereich, so dass eine hohe Genauigkeit ohne Mehraufwand erzielt werden kann. Einzig bei sehr großen Unterschieden zwischen der Motivebene und der eingestellten Fokusebene, etwa wenn vom Nahbereich auf ein fernes Motiv gewechselt wird, kann eine höhere Schärfentiefe einen Vorteil bieten, da die Wahrscheinlichkeit zum Auffinden einer Kontrastkante steigt.

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