Come funziona il dual-pixel CMOS autofocus di Canon

La Canon 70D è una delle ultime nate in casa Canon e presenta una sostanziale novità nel panorama delle macchine fotografiche digitali introducendo il Dual-Pixel CMOS Autofocus. Questo sistema non è altro che un’evoluzione dell’autofocus a contrasto (seguite il link per leggere l’articolo relativo) che permette di rendere efficace la funzione AF anche quando lo specchio è alzato, ovvero durante l’inseguimento di un soggetto in movimento e, ancora più importante, durante la ripresa video.

Ricordiamo che la messa a fuoco per variazione di fase (tipica delle reflex) avviene tramite l’uso di un sensore differente da quello di acquisizione e che la luce verso di esso arriva dallo specchio, quando questo è in posizione di “riposo” (cioè non di scatto). Quando invece lo specchio è alzato e quindi stiamo acquisendo immagini (la funzione live view, per esempio), l’AF per variazione di fase non è più disponibile e la macchina fotografica usa la messa a fuoco per ricerca di contrasto, decisamente più lento: il sensore principale continua a comparare le immagini acquisite fin quando non identifica l’immagine a fuoco, agendo sul motore di messa a fuoco per variare quest’ultima. I problemi di questi sistemi erano due: il primo era legato alla velocità del processore che effettua la comparazione (problema oramai ampiamente superato), il secondo era (ed è) l’impossibilità di sapere il “verso di messa a fuoco” per avvicinarsi al risultato corretto.

Il nuovo sensore Dual Pixel di Canon
Il nuovo sensore Dual Pixel CMOS AF di Canon

La macchina fotografica, infatti, partendo dal primo fotogramma, agisce sul motore di messa a fuoco verso sinistra o destra “a caso”. Se la direzione è sbagliata, la macchina fotografica ha perso tempo inutilmente. Una perdita di tempo notevole che nei video diventa irritante in quanto ci troveremo un po’ di fotogrammi fuori fuoco.
Nikon e soprattutto Canon, negli ultimi anni, hanno cercato di porre rimedio a questo problema inserendo dei pixel destinati alla funzione autofocus all’interno del sensore principale (quello di acquisizione immagine). Una soluzione che, in pratica, avrebbe funzionato anche in presenza di specchio alzato. Purtroppo i primi esperimenti non furono realmente positivi soprattutto a causa della scarsa miniaturizzazione dei fotodiodi: inserendo pochi pixel destinati alla parte AF nel sensore si rendeva quasi inutile questo sistema in presenza di illuminazione non proprio piena, mentre inserendone troppi si andava a ridurre drasticamente la luminosità della scena.

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Schematizzazione dei fotodiodi del nuovo sensore
Schematizzazione dei fotodiodi del nuovo sensore

Con il dual-pixel CMOS autofocus, Canon ha risolto in maniera radicale questo problema. Canon ha infatti ridisegnato del tutto il sensore fotografico, raddoppiando il numero dei fotodiodi presenti su di esso e destinandone la metà all’acquisizione dell’immagine e l’altra metà alla parte AF. Da qui il nome dual-pixel: è come se ogni fotodiodo del sensore fosse diviso in due.
Ne deriva che la risoluzione della 70D è di 20,2MPX ma la risoluzione del sensore è doppia, cioè di 40,3MPX. Il vantaggio di questa soluzione è che la funzione AF è disponibile sempre, anche durante lo scatto o ripresa, a specchio alzato.
Vediamo come funziona il sistema dual-pixel AF. Durante la ripresa, le due “metà” del dual-pixel catturano la stessa scena, con una leggerissima variazione: la metà dei dual-pixels di destra cattureranno l’immagine spostata verso un lato della lente mentre le metà dei dual-pixels di sinistra cattureranno l’immagine spostata verso il lato opposto. Una variazione infinitesimale ma sufficiente per far giungere al processore DUE immagini della scena. la differenza tra le due permette al processore di calcolare la direzione corretta per la messa a fuoco, eliminando gli errori creati dalla casualità dell’attivazione del motore.

Schematizzazione della messa a fuoco
Schematizzazione della messa a fuoco

Tecnicamente, questo sistema di messa a fuoco dovrebbe essere performante quanto il sistema a variazione di fase rendendo i due sistemi molto simili in quanto a risultato finale. Canon, inoltre, sostiene che il sistema funziona anche con aperture molto alte, fino a f/11.
Per quanto riguarda i test sul campo, chi ha potuto provare il sistema ha speso parole positive anche se, nella realtà, siamo ancora molto lontani da quanto otterremmo con il sistema AF delle reflex, ma sicuramente la direzione è quella giusta, anche perché questo sistema non necessita necessariamente di aggiornamenti hardware per essere migliorato ma è sufficiente agire sugli algoritmi di comparazione, quindi tramite aggiornamento firmware.

Ovviamente non esiste rosa senza spine: Canon, come detto, ha raddoppiato il numero dei pixel (fotodiodi) sul sensore a parità di risoluzione. Una scelta che incide negativamente sul rumore catturato dal sensore, soprattutto in condizioni di ISO spinti. E proprio per questo motivo Canon ha usato una reflex dotato di sensore APS (quindi un half frame) per lanciare questo nuovo sistema: i puristi del full frame non avrebbero per nulla apprezzato un incremento del rumore.

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Di seguito un breve video in cui Canon mostra le potenzialità del sistema.