Wie funktionieren Autofokus und Belichtungsmessung?

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Das Problem bei Fragen zur Fototechnik ist oftmals, dass die Antworten ebenso technisch ausfallen. Da das nicht jeder versteht, versuche ich mich mal an etwas plastischeren Erklärungen.

1. Wie funktioniert der Autofokus?

Es gibt im Prinzip zwei Verfahren. Eines misst die Entfernung zum Objekt. Das andere Verfahren verändert die Fokussierung solange, bis endlich ein gutes Bild bei herauskommt (vereinfacht gesprochen).

Der Phasenautofokus (Entfernungsmessung)

Phasenverschiebung ist eines der Wörter, die man als Normalbürger nicht versteht und auch nicht verstehen muss. Das Prinzip dahinter ist jedoch recht einfach. Man kann es sogar selbst ausprobieren.

Richte Deinen Blick auf ein mindestens. 10m entferntes und vor Dir befindliches Objekt (zum Beispiel einen Baum). Nun strecke Deinen Arm aus und positioniere Deinen Daumen genauso, dass er eine Verlängerung Deiner Nasenspitze ist (siehe Bild).

Schaue weiter auf den Baum.

Nun schließe das linke Auge. Mach es wieder auf und schließe das rechte Auge.

Du wirst bemerken, dass bei diesem Experiment Dein Daumen ein wenig nach links und rechts springt. Der Effekt wird stärker, je näher der Daumen an Deiner Nase ist. Dabei immer darauf achten, dass Dein Blick auf den Baum fokussiert bleibt.

Dieses Hin- und Herspringen ist die Phasenverschiebung.

Je stärker das Hin- und Herspringen ist, desto näher ist das Objekt.

Nimm den Daumen einfach mal weg und betrachte den anvisierten Baum wechselweise mit einem Auge. Du wirst feststellen, dass er wenig bis gar nicht „springt“.

Die Kamera berechnet aus der Phasenverschiebung (also dem Hin- und Herspringen) die Entfernung des Objekts. Letztlich handelt es sich dabei um einfache Winkelberechnungen.

Aber eine Kamera hat doch nur ein „Auge“…

Ja, das Licht gelangt tatsächlich nur durch eine Linse in die Kamera. Aber… auf dem Autofokusmodul der Kamera befinden sich mehrere Augen. Die sehen dann so aus, wie auf dem folgenden Foto (rote Pfeile).

Der Kontrastautofokus (solange probieren, bis es passt)

Ein unscharfes Foto zeichnet sich dadurch aus, dass es verschwommen ist. Es gibt keine klaren Linien. Die Übergänge von unterschiedlichen Objekten sind fließend.

Im nachfolgenden Bild kann man das recht deutlich am Kragen und an den Manschetten sehen. Man kann nicht genau ausmachen, wo das Hemd anfängt und wo das Sakko aufhört.

Der Grund hierfür: es mangelt an Kontrast.

Unter Kontrast wird der Helligkeitsunterschied zweier benachbarter Bildpunkte verstanden. Bei einem scharfen liegt an der Grenze zwischen Hemd und Sakko ein weißes und schwarzes Pixel. Das stellt natürlich den Idealfall dar. Nicht immer sind Kontraste derart stark.

Zur Bestimmung der optimalen Fokussierung wertet die Kamera mehrere Bilder mit unterschiedlicher Schärfeeinstellung aus. Es wird dann jenes aufgenommen, dass den höchsten Kontrast im gewünschten Bereich hat.

Bei schlechten Lichtverhältnissen kann man auf einem älteren Smartphone diesen Prozess sogar beobachten. Man sieht regelrecht, wie die Schärfe hin und her fährt, bis die Fokussierung endlich sitzt.

Allerdings werden die Kameras immer schlauer und können mittels cleveren Algorithmen den optimalen Schärfepunkt immer schneller berechnen. Hinzu kommt, dass auch viel an der Verstellmechanik von Objektiven gefeilt wird.

Vor- und Nachteile der beiden Autofokussysteme

Ein Phasenautofokus kennt bereits bei der ersten Messung die Entfernung des Objekts und kann dadurch direkt scharfstellen. Durch Kenntnis der Entfernung können mitunter die „Flugbahnen“ beweglicher Objekte berechnet werden und die Fokussierung entsprechend schnell erfolgen.

Allerdings funktioniert der Phasenautofokus unter schlechten Lichtbedingungen mitunter nicht so gut. Hier ist der Kontrastautofokus deutlich im Vorteil. Dieses Verfahren hat den weiteren Vorteil, dass der Fokuspunkt noch präziser festgelegt werden kann. Denn hier erfolgt die Messung auf dem eigentlichen Bildsensor und nicht auf einem separaten Phasenautofokusmodul, das nicht über die Auflösung des Bildsensors verfügt.

Moderne Kameras kombinieren je nach Preisklasse und Bauraum beide Autofokussysteme, um die Vorteile beider zu nutzen und die Nachteile zu umgehen.

2. Automatische Belichtungsmessung

Eines vorweg: Die Belichtungsmessung einer Kamera ist immer ein Kompromiss.

Das liegt an zwei Gründen:

1. Die Kamera kann nur das von den Objekten reflektierte Licht messen.

2. Das menschliche Auge hat einen wesentlich höheren Dynamikumfang

Für eine korrekte Belichtungsmessung braucht man das Licht, das auf ein Objekt aus der Richtung der Aufnahme einfällt. Dazu muss der Belichtungsmesser in Richtung Kamera zeigen. Die Kamera fängt dann das Licht ein, das vom Objekt reflektiert wird. Messung und Kamera stehen sich also gegenüber.

In den meisten Fällen reicht die Messung des reflektierten Lichts aus. Die Kamera geht dabei davon aus, dass jedes Objekt ca. 18% des eingefallenen Lichts reflektiert (sogenanntes Mittelgrau → Belichtungsmesser: Sinn und Unsinn eines Werkzeugs

). In extremen Situation wie bspw. Schnee versagt diese Methode jedoch und führt zur Unterbelichtung.

Punkt 2 ist schon etwas kniffeliger. Die Überlegenheit des menschlichen Auges gegenüber Kameras wird bei Gegenlicht besonders deutlich. Der Mensch sieht alles. Die Kamera liefert entweder ein über- oder unterbelichtetes Bild.

Wie funktioniert nun die Belichtungsmessung?

Das Messen der Belichtung ist aus den vorgenannten Gründen nicht so einfach, wie die Fokussierung. Daher bieten Kameras i.d.R. unterschiedliche Messmethoden an, um bedingt durch die Dynamikschwäche der Kamera immer den besten Kompromiss zu finden.

Spotmessung:

Hier wird die Belichtung an einem Punkt im Bild gemessen. Nur dieser Punkt ist wichtig. Alles andere ist egal. D.h. der Bereich um den wichtigen Punkt darf sichtbar über oder unterbelichtet sein.

Diese Belichtungsmethode kommt immer dann zum Einsatz, wenn Details wichtiger sind, als das Gesamtbild. Und… wenn es sowohl sehr Helle als auch sehr dunkle Bereich im Bildausschnitt gibt, d.h. hoher Dynamikumfang.

Bei alten Kameras gab es genau einen Spotmesspunkt in der Mitte. Heutzutage gibt es zahlreiche solcher Messpunkte, aus denen man auswählen kann.

Mittenbetonte Belichtungsmessung:

Hierbei handelt es sich ebenfalls um eine relativ alte Messmethode. Sie geht davon aus, dass das Hauptmotiv sich in der Bildmitte befindet. Im Gegensatz zur Spotmessung erfasst sie einen größeren Bereich. Dadurch wird vermieden, dass das in der Mitte befindliche Motiv stark über- und/oder unterbelichtete Bereiche hat.

Matrixbelichtungsmessung:

Hier misst die Kamera die Belichtung an mehreren, über das Bild verteilte Punkten. Sie erfasst damit quasi die „Gesamtsituation“.

Aus den Messdaten versucht die Kamera den bestmöglichen Kompromiss zu ermitteln. Wie gut dieser ausfällt, liegt an der Anzahl der Messpunkte, an der Intelligenz der Kamera und natürlich an der Lichtsituation (je mehr Dynamik, desto kniffeliger).

Dank immer besser werdender künstlicher Intelligenz erkennt die Kamera in der Regel zuverlässig wichtige Bildelemente wie bspw. menschliche Gesichter.

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