Le principe de l’autofocus

La mise au point

Tout comme l’oeil humain, un appareil photo n’est capable de distinguer des objets nets que sur un plan donné (objets à une distance identique). En dehors de ce plan, les objets apparaissent flous.

Pour prendre en photo un sujet donné, il faut faire la Mise Au Point (MAP) sur lui. Pour cela, l’appareil photo dispose d’une lentille qu’il peut déplacer pour faire varier le plan de netteté.

Les premiers appareils photographiques ne disposaient d’aucun système automatisé permettant de faire la mise au point sur un sujet déterminé. On trouvait donc des appareils fixés sur l’hyperfocale (tout objet suffisamment éloigné est vu comme net), et d’autres qui permettaient de régler la zone de focus manuellement via une bague. A la fin des années 70, le premier système d’autofocus fut mis au point par Minolta. Aujourd’hui, la très grande majorité des appareils photos en est équipée. Il existe deux types de système de mise au point automatique : les systèmes dits « actifs et les systèmes « passifs ».

Les systèmes actifs

Ce sont les premiers systèmes à avoir été inventés. Le principe est assez simple : le système autofocus envoie vers le sujet un signal puis mesure le temps mis par celui-ci pour lui revenir. En connaissant la durée de l’aller retour, ainsi que la vitesse de propagation, on obtient facilement la distance à laquelle se trouve le sujet photographié. Le signal utilisé est en général une lumière (visible ou infrarouge), mais certains autofocus utilisent des signaux sonores (ultra son).  L’avantage indéniable de ce principe réside dans le fait qu’il fonctionne même dans le noir complet. Son gros inconvénient est qu’il est facilement soumis à des interférences et qu’il est impossible de le faire fonctionner au travers d’une vitre.

L’électronique progressant rapidement, l’arrivée des capteurs CCD va permettre de produire de nouveaux types d’autofocus dits « passifs ».

Les systèmes passifs

Comme leur nom l’indique, les systèmes passifs n’émettent aucun signal. Ils utilisent directement l’image perçue par l’appareil pour effectuer les calculs nécessaires afin de contrôler la zone de netteté. Il faut ici distinguer deux types d’appareils photo : les compacts (et les bridges) et les reflex. Les appareils compact, bridge, ainsi que certains reflex en mode live view (visée à l’écran) utilisent le système dit « de mesure de contraste » qui se base sur l’image projetée sur le capteur numérique principal. Les appareils reflex disposent quant à eux de capteurs numériques dédiés à la mise au point, et utilise le système « de détection de  phase ».

Le système de mesure de contraste

Ce système se base sur un principe simple : un sujet net présente un contraste plus marqué qu’un objet flou. L’appareil photo va donc chercher à déterminer l’image la plus contrastée possible en analysant l’image produite sur le capteur et en faisant varier le focus (réalisé en déplaçant une lentille). Examinons les deux cas suivants:

Prenons le cas d’un point net.Et celui d’un point flouté.
Les histogrammes (répartition des points en fonction de leur luminosité) respectifs sont les suivants :

La première image représente un cercle net. Elle n’est constituée que de pixels qui peuvent prendre deux valeurs : grise et blanche. L’histogramme qui en résulte présente donc deux barres : une au niveau de la luminosité émise par le gris, l’autre pour le blanc. On peut ainsi dire que l’image est très contrastée. Pour le cercle flou, on voit ici que l’histogramme renvoie bien plus de valeurs, l’image passant par plus de valeurs intermédiaires entre le gris et le blanc. L’image présente un contraste plus linéaire.

Le système d’autofocus à mesure de contraste utilise cette propriété pour rendre la zone souhaitée la plus nette, en cherchant en fait à obtenir le contraste le plus important pour cette zone.

Ce système présente un inconvénient majeur : il est relativement lent. En effet, pour trouver le contraste le plus fort, l’appareil est obligé d’établir des comparaisons de valeurs pour différentes mises au point. Prenons le cas d’un sujet photographié à 151 cm. Si le focus est initialement réglé pour un sujet à 140cm, l’appareil risque de commencer par réduire la distance de mise au point (MAP) pour focaliser à 130 cm. L’analyse donnant un contraste moins élevé qu’à 140cm, l’appareil va comprendre qu’il a fait une erreur en rapprochant la distance de MAP et va donc maintenant l’allonger à 150 cm. Le sujet va donc apparaître plus net. Sauf que l’appareil ne peut pas savoir que le contraste obtenu est ici le plus élevé. Il va donc continuer à augmenter la MAP à 160 cm pour se rendre compte que le contraste a de nouveau diminué avant de refixer la MAP à 150cm. Mais cela n’est pas encore terminé, l’appareil va recommencer le processus en diminuant le pas de progression (il va augmenter de 5 cm plutôt que de 10) jusqu’à tomber sur le contraste le plus élevé.

Autre inconvénient qui en découle : si le sujet est en mouvement, le système de calcul du meilleur focus risque d’être déstabilisé par le changement de position du sujet.

Afin de pallier à ces problèmes, les reflex utilisent une autre méthode pour déterminer la mise au point.

Le système de détection de phase

Ce système n’est aujourd’hui implémenté que sur les reflex. En effet, il n’utilise pas le capteur principal, mais un couple de capteurs secondaires. Cela nécessite donc de déporter une partie de l’image entrant vers ces capteurs, ce qui n’est aujourd’hui possible qu’en utilisant un miroir partiellement réfléchissant qui renvoie une partie de l’image vers le viseur, et une autre partie (jusqu’à 40 %) vers le dispositif d’autofocus :

Une partie de l’image va donc être orientée vers des capteurs numériques secondaires. Ceux-ci sont longs et très fins, et orientés dans plusieurs directions :

Ces « mini capteurs » fonctionnent toujours par paires (chaque paire est ici entourée avec la même couleur). Selon le collimateur (zone du viseur sélectionnée pour faire la mise au point), la paire de capteur utilisée est différente.

La moitié de l’image projetée sur le miroir du reflex est redirigée vers l’un des capteurs tandis que l’autre moitié l’est sur le deuxième capteur. Selon que le focus soit fait sur l’objet ou non, les images des deux capteurs apparaissent comme déphasée. Pour bien comprendre le phénomène, je vous invite à visiter l’animation suivante :
http://graphics.stanford.edu/courses/cs178-10/applets/autofocusPD.html

Voici trois cas qui en sont tirés :

Sur ce premier cas, le focus est réalisé en avant du sujet. On constate que l’image qui se projette sur le premier capteur est décalée sur la droite, tandis que sur le deuxième capteur, l’image est décalée sur la gauche. En comparant ce décalage, le processeur de l’appareil photo est capable de déterminer la distance exacte où positionner la lentille pour faire la mise au point.
Sur ce deuxième cas, le focus est réalisé derrière le sujet. Cette fois, l’image projetée sur le capteur 1 est décalée sur la gauche tandis qu’elle est située plus sur la droite sur le capteur 2.
Dernier cas, le focus est réalisé. Il n’y a plus de décalage entre le capteur 1 et le capteur 2.

Le très gros avantage de ce système, c’est que l’ordinateur va calculer dès le départ le mouvement de MAP à réaliser pour obtenir l’image nette. Il n’y a donc pas besoin de chercher la bonne zone par tâtonnement comme avec le système par détection de contraste.

Par contre, si le sujet ne présente aucun contraste (par exemple, un mur blanc), ce système d’autofocus sera totalement incapable de faire la mise au point. En effet, il n’y aura pas de différence entre le capteur 1 et le capteur 2, et donc aucun calcul possible pour déterminer la MAP. De même, sur des sujets à faible contraste, l’autofocus va alors patiner car le calcul de la MAP ne sera pas assez précise.

L’assistant AF

Certains appareils sont équipés d’un système d’autofocus passif et, si nécessaire, disposent d’un deuxième dispositif de type actif lorsque la lumière vient à manquer.

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Posted in photographe-lille and tuto photo by adm_erwan on 23/August/2010 at 20:57.

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