quarta-feira, 3 de julho de 2013 - 15:32

Entenda o sistema de autofoco da Canon EOS 70D

70d

A fotografia é uma atividade complexa que envolve muita arte e engenho. No fundo, contudo, ela se resume a dois elementos: foco e exposição. Quando o assunto é foco, ou seja, o controle dos raios de luz que penetram na câmera, a ultima grande revolução foi o sistema de autofoco, desenvolvido ao longo da década de 1960 e adotado em peso com a ascensão da fotografia digital. Na Photokina de 1963, a Canon apresentou um dos primeiros protótipos de câmera com essa tecnologia. Ontem, meio século mais tarde, a mesma empresa anunciou a EOS 70D, uma máquina que pode se tornar tão influente quanto aquele velho protótipo.

A 70D é uma DSLR intermediária de 20,2 MP que se vale de alguns recursos relativamente novos entre as câmeras da Canon, como Wi-Fi e uma tela sensível ao toque. Mas a parte realmente interessante está no sensor, que integra um sistema de autofoco por detecção de fase que envolve cada um dos mais de 20 milhões de pixels da câmera. Mas para entender porque isso é significativo, precisamos revisar os princípios do autofoco. Dizemos que um objeto está em foco quando todos os raios de luz que este reflete convergem para pontos correspondentes no sensor. Mas para que essa correspondência ocorra, a lente precisa ser ajustada de acordo com a distância que separa o objeto do sensor. Portanto, o problema do foco é um problema de medição.

Para focar em um objeto, as câmeras modernas utilizam dois sistemas automáticos que compõe o que chamamos de autofoco passivo. Um deles, utilizado por filmadoras, câmeras sem espelho e DSLRs em modo de liveview (quando a imagem do sensor aparece na tela da traseira) é o autofoco por contraste. Simplificando, um software da câmera avalia o grau de contraste entre os valores de luz coletados por alguns pontos do sensor de imagem. Áreas de maior contraste são consideradas como zonas em foco porque linhas bem definidas não passam de linhas que contrastam bem com o plano de fundo. Esse método é vantajoso porque não requer nenhum hardware extra, mas pode ter seu desempenho afetado se a quantidade de luz da cena for insuficiente.

Objetos fora de foco têm contornos suaves, nos quais a luz se distribui de maneira gradual e difusa.

Objetos fora de foco têm contornos suaves, nos quais a luz se distribui de maneira gradual e difusa.

As linhas bem definidas de um objeto em foco são o resultado do contraste entre os valores de exposição de pixels adjacentes.

As linhas bem definidas de um objeto em foco são o resultado do contraste entre os valores de exposição de pixels adjacentes.

Além da questão da velocidade, o autofoco por contraste também é limitado porque nele não ocorre uma medição efetiva da posição do objeto. Se a câmera não sabe onde o objeto está, ela não pode acompanha-lo se este se movimenta pela cena. A forma mais visível dessa limitação está nas câmeras de smartphone, que facilmente perdem o foco na hora de fotografar crianças e animais.

O outro método de autofoco passivo, chamado de detecção de fase, resolve justamente esses problemas de velocidade e consistência do autofoco por contraste. Presente em todas as câmeras DSLR desde invenção do autofoco, a detecção de fase é uma evolução natural da velha fotografia por rangefinder. Essencialmente, o espelho da câmera redireciona parte da luz que entra na câmera para um sensor dedicado de autofoco. Antes de atingir o sensor em si, os raios que atravessam a periferia da objetiva são divididos em dois trajetos distintos, que são as “fases” de uma mesma cena. Quando a câmera está em foco, esses raios voltam a convergir em um ponto de foco no sensor.

Dois cenários são possíveis quando o objeto está fora de foco: os raios podem convergir na frente do sensor ou atrás dele. Em outras palavras, o autofoco por detecção de fase é capaz de perceber se o objeto está mais próximo ou mais distante da câmera. Ao detectar a posição do objeto, a câmera pode descrever ou até mesmo prever a sua trajetória ao longo do tempo e fazer os ajustes necessário para que o foco não se perca. Como a detecção de fase depende apenas da incidência da luz, o processo de reconhecimento também é mais rápido que o do contraste. Contudo, existe uma limitação evidente neste método: assim que o espelho se ergue para que a luz alcance o sensor de imagem, o sensor de autofoco fica no escuro. Como os dois sensores são independentes, nada impede que algum problema de calibragem faça com que o sensor de autofoco “enxergue” uma cena diferente do que é captado pelo sensor de imagem.

Na foto acima, os raios que partem da régua na região dos 6 cm convergiram na posição do ponto focal do sensor. Regiões da cena mais próximas e mais distantes da câmera saíram de foco porque os raios de luz convergiram antes e depois do sensor, respectivamente.

Na foto acima, os raios que partem da régua na região dos 6 cm convergiram na posição do ponto focal do sensor. Regiões da cena mais próximas e mais distantes da câmera saíram de foco porque os raios de luz convergiram antes e depois do sensor, respectivamente.

Dependendo do ponto de foco escolhido, o sistema de autofoco reposiciona a lente para focar nas regiões da cena que interessam ao fotógrafo.

Dependendo do ponto de foco escolhido, o sistema de autofoco reposiciona a lente para focar nas regiões da cena que interessam ao fotógrafo. Nesta foto o ponto de foco corresponde aos 31 cm da régua.

Pontos de autofoco são pequenas estruturas bidimensionais sensíveis à luz nas quais os raios devem convergir. Normalmente elas tomam a forma de linhas, mas câmeras mais avançadas também possuem pontos em forma de cruz e de retângulos para confirmar se os raios estão convergindo tanto no eixo vertical quanto no horizontal.

Pontos de autofoco são pequenas estruturas bidimensionais sensíveis à luz nas quais a luz deve convergir para que a foto fique em foco. Normalmente elas tomam a forma de linhas, mas câmeras mais avançadas também possuem pontos em forma de cruz e de retângulo para confirmar se os raios estão convergindo tanto no eixo vertical quanto no horizontal.

Uma alternativa encontrada pelos fabricantes para lidar com as limitações dos dois métodos de autofoco foi implementar a detecção de fase em alguns pontos do sensor de imagem. Esse é o caso da série 1 da Nikon e das máquinas SLT da Sony, como a Alpha A99. No entanto, para dividir a luz em duas fases, é necessário introduzir uma microlente no ponto de foco desejado e cobrir metade de cada pixel que participará desse arranjo. Dessa maneira, a detecção é realizada por pares de pixels, pois cada um deles detecta apenas metade dos raios. Uma consequência óbvia desse método é que o sensor perde resolução e sensibilidade à luz, o que limita drasticamente o número de pontos de autofoco que os fabricantes podem implementar sem prejudicar a qualidade final da foto.

É nesse ponto que a EOS 70D entra. Ela é mais uma tentativa de fazer a detecção de fase através do CMOS de imagem. A diferença aqui é que a Canon desenvolveu um arranjo de circuitos extremamente engenhoso para não incorrer nos mesmo problemas que a Sony ou a Nikon. Em vez de cortar cada pixel de detecção pela metade, eles instalaram dois fotodiodos (o componente que mede a intensidade da luz) em cada pixel.

Cada pixel individual, portanto, é capaz de conduzir um nível de detecção de fase, mas vale notar que o sistema ainda depende de um grupo de microlentes para conduzir a luz. Mais especificamente, a Canon alega que 80% do frame do sensor é capaz de realizar a deteção e que a abertura não pode ser inferior a f11 para que o autofoco híbrido funcione. Se o sistema cumprir o que promete, a velocidade do autofoco em modo liveview deve aumentar sensivelmente. A possibilidade de acompanhar objetos em movimento será especialmente preciosa para quem utilizar a 70D como uma câmera de vídeo.

O novo sensor da Canon, com um array de microlentes no topo, seguido da matriz de Bayer e dos pares de fotodiodos

O novo sensor da Canon, com um array de microlentes no topo, seguido da matriz de Bayer e dos pares de fotodiodos

Ironicamente, quem prefere usar o visor óptico comum não notará nenhuma diferença porque o espelho estará na frente do CMOS. Ou questão séria que a Canon precisa responder é como ela pretende lidar com o aumento do ruído que a densidade maior de fotodiodos invariavelmente causa. Afinal, estamos falando de um sensor APS-C que tem uma quantidade de receptores de luz similar ao de uma câmera de formato médio. Obviamente, a Canon não ignora esse problema e imagino que o método de redução de ruído deva ser tão engenhoso quanto essa ideia de transformar o CMOS principal em um sensor de detecção de fase.

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