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Die große Herausforderung


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fotoMAGAZIN - epaper ⋅ Ausgabe 120/2022 vom 08.11.2022

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Bildquelle: fotoMAGAZIN, Ausgabe 120/2022

Automatisches Scharfstellen ist schon lange nicht mehr genug. Von aktuellen Kameras wird erwartet, dass sie ihre Motive selbsttätig erkennen und sie so reaktionsschnell in der Schärfe halten, dass möglichst auch im schnellsten Serienbildmodus und bei Videoaufnahmen jedes Bild scharf ist. Wie gut Mittelklassemodelle von Canon, Nikon, Panasonic und Sony diese Aufgabe bewältigen, haben wir in einem Vergleichstest ermittelt.

SCHÄRFENACHFÜHRUNG

Nachdem der Autofokus erfunden war, konnten die Kameras zunächst nur mit jedem Druck des Auslösers einmal scharfstellen und diese Fokussierung speichern. Für viele Aufgaben, etwa in der Sport- oder Wildlife-Fotografie, war das nicht genug, schon weil sich das Motiv zwischen der Fokussierung und dem Beginn der Belichtung noch bewegen und die Schärfenzone dann bereits verlassen haben konnte. Dafür war ein prädiktiver Autofokus ...

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... nötig, der voraussagt, in welcher Entfernung sich das Motiv bei der Aufnahme befinden wird, und dazu musste dessen Bewegung über eine gewisse Zeit verfolgt werden. Auch ein Serienbildmodus erfordert vom Autofokus, dass er die Schärfe kontinuierlich nachführt. Der Phasendetektions-AF einer Spiegelreflexkamera ist dafür ideal geeignet, da er nur eine einzige Messung benötigt, um die Entfernung zu bestimmen, und diese Messungen in hoher Frequenz wiederholt werden können.

Bei dieser ursprünglichen Art des kontinuierlichen Autofokus ging es nur um eine Dimension, nämlich Bewegungen des Motivs auf die Kamera zu oder von ihr weg. Wenn sich das Motiv auch waage- oder senkrecht durch das Bildfeld bewegt, verliert es der Autofokus, sobald es das ausgewählte AF-Messfeld verlässt. Um es im gesamten Bildfeld in der Schärfe zu halten, ist eine Motivverfolgung nötig, wie sie erstmals Nikon in der F5 von 1996 verwirklichte: Mit dem farbempfindlichen Belichtungsmesssensor für die 3D-Color-Matrixmessung war es möglich, Bewegungen eines fokussierten Motivs zu folgen und jeweils das AF-Messfeld zu aktivieren, in dessen Bereich es sich gerade befand.

Spiegellose Systemkameras nutzen ihren Bildsensor auch zur Erzeugung eines Live-View-Sucherbildes sowie für den Autofokus und die Belichtungsmessung, wozu der Sensor mit einer hohen Frequenz – oft mehr als 100 Mal in der Sekunde – ausgelesen wird. Aktuelle AF-Systeme mit einer großen Zahl von Messfeldern, die den größten Teil oder das gesamte Bildfeld abdecken, können überall auf erkannte Motive fokussieren und bieten gute Voraussetzungen für eine Motivverfolgung. In der Praxis ist diese Aufgabe dann aber doch herausfordernd und die Kamerahersteller haben unterschiedliche Methoden entwickelt, sie zu bewältigen.

Bei einem kontinuierlichen Autofokus bilden die Verfolgung eines Motivs im Bildfeld und die Nachführung der Schärfe zwei weitgehend unabhängige Teilaufgaben, für die jeweils eigenständige Verfahren entwickelt wurden. Zur Motivverfolgung wird nicht mehr nur wie seinerzeit von der Nikon F5 die Farbe des Motivs herangezogen; Stand der Technik sind neuronale Netze, die mit Methoden des maschinellen Lernens trainiert wurden. Dieses Training erfolgt auf Basis von Millionen von Beispielbildern, und zwar separat für die verschiedenen Typen der zu erkennenden Motive – üblicherweise sind das Menschen, Tiere (unter denen Vögel noch einmal eine eigene Kategorie bilden) und Fahrzeuge wie Autos, Motorräder und Fahrräder. Diese Motiverkennung wird dann noch durch eine Gesichts- und Augenerkennung erweitert, die durchweg Augen von Menschen und Haustieren (Hunde und Katzen) erkennt, teilweise aber auch die wilder Tiere. Wenn Augen erkannt werden, stellt der Autofokus durchweg auf diese scharf, andernfalls auf Gesicht oder Körper. Der Autofokus kann also nicht nur ausgewählte Motive verfolgen, sondern geeignete Motive selbst erkennen.

AUTOFOKUS-METHODEN

Zur eigentlichen Aufgabe eines Autofokus, also der Scharfeinstellung, können alle spiegellosen Systemkameras das Kontrastvergleichsverfahren nutzen: Das Objektiv durchläuft den Entfernungsbereich in kleinen Schritten und ein Vergleich der – bei jeder Einstellung gemessenen – Mikrokontraste zeigt, ob sich die Fokussierung in die richtige Richtung bewegt. Der maximale Kontrast und damit die optimale Schärfe wird erst erkannt, nachdem der Fokus bereits über diesen Punkt hinaus verschoben worden ist und der Kontrast wieder sinkt, woraufhin der Fokus wieder an diese Position zurückfahren muss. Eine kontinuierliche Fokussierung nach dem Kontrastvergleichsverfahren führt daher zum sogenannten „Pumpen“: Die Fokussierung schwankt in einer Wellenbewegung um den Punkt maximaler Schärfe.

Ein Phasendetektions-AF, wie er von DSLRs vertraut ist, vermeidet diesen Nachteil. Ein Phasendetektionssensor kann mit einer einzigen Messung ermitteln, in welcher Richtung und wie weit der Fokus verschoben werden muss. Zusammen mit einer Prädiktion zur Voraussage der weiteren Motivbewegung ist so eine nahezu perfekte Nachführung der Schärfe ohne Pumpen möglich.

Spiegellose Systemkameras können statt eines dedizierten AF-Sensors den Bildwandler selbst für eine Phasendetektion nutzen und mit einem Kontrastvergleich für die feine Fokussierung kombinieren – der sogenannte Hybrid-Autofokus. Viele Bildsensoren haben einen Anteil an Phasendetektionspixeln, bei denen jeweils die rechte oder linke Hälfte des lichtempfindlichen Bereichs unter der Mikrolinse maskiert ist. Aus dem Vergleich zweier Reihen von Pixeln mit jeweils links beziehungsweise rechts maskierter Hälfte lässt sich eine Phasenverschiebung berech- nen, und aus dieser die Position optimaler Schärfe. Neben Nikon und Sony verwenden auch Fujifilm, Hasselblad, OM Digital Solutions und Sigma diese Technik. Canon setzt dagegen auf Dual-Pixel-Sensoren mit je zwei Fotodioden unter jeder Mikrolinse. Damit ist eine Phasendetektion auf der ganzen Sensorfläche möglich; zudem geht kein Licht durch die Maskierung eines Teils der Pixel verloren.

DER TESTPARCOUR

In mehrfachen Durchgängen fuhr der Radfahrer teilweise in gerader Linie und teils in Schlangenlinien, um die Verfolgung des Motivs durch das Bildfeld zu testen. Der Wechsel von Licht und Schatten erhöhte die Anforderungen an das Autofokussystem.

MOTIVAUSWAHL

Zum Beginn jedes Testdurchlaufs fokussierten wir auf den Radfahrer, den der kontinuierliche Autofokus danach selbsttätig in der Schärfe halten sollte, während er sich mit rund 20 km/h auf die Kamera zu bewegte.

ERGEBNISSE

Im Serienbildmodus mit der jeweils höchsten Bildfrequenz, die noch eine kontinuierliche Fokussierung mit Motivverfolgung erlaubt, mussten sich die getesteten Kameramodelle ebenso wie bei 4K-Videoaufnahmen beweisen. In beiden Betriebsarten war das Erfolgskriterium ein möglichst großer Anteil scharfer Aufnahmen, wobei zwei Fehlerquellen zu unterscheiden waren: Der Verlust des Motivs durch die Motiverkennung einerseits und eine unpräzise Nachführung der Schärfe andererseits.

CANON EOS R5

PRO

+• ausreichende Zuverlässigkeit der Motivverfolgung

• präzise Schärfenachführung

CONTRA

- • Pumpen bei Videoaufnahmen

Nur Panasonic verwendet statt einer Phasendetektion sein selbstentwickeltes DFD-Verfahren („Depth From Defocus“), das auf Basis der bekannten Abbildungseigenschaften der Systemobjektive anhand eines unscharfen Bildes erkennen kann, wo die optimale Schärfe läge. Vergleichbar mit einer Phasendetektion ergänzt dieses Verfahren den Kontrastvergleichs-AF, der für eine präzise Scharfeinstellung, aber auch als Rückfalloption verfügbar ist, falls DFD keine verwertbaren Ergebnisse liefert.

DER TEST

Die Leistungen eines kontinuierlichen Autofokus hängen davon ab, wie schnell und sicher die Motivverfolgung einerseits und die reine Schärfenachführung andererseits arbeiten, aber auch vom Zusammenspiel beider Verfahren. Kleine Fehlfokussierungen sind meist einer zu langsamen Nachführung der Schärfe in der Tiefe anzulasten, während der Fokus das Ziel auch vollständig verfehlen kann, wenn die Motiverkennung das Objekt verliert und stattdessen auf einen anderen Gegenstand oder den Hintergrund scharfgestellt wird.

Um herauszufinden, was aktuelle spiegellose Mittelklassekameras mit Kleinbildsensor leisten, haben wir der Canon EOS R5, Nikon Z7 II, Panasonic Lumix S5 und Sony Alpha 7 IV die gleichen Aufgaben gestellt, nämlich den Fokus auf einem mit etwa 20 km/h auf die Kamera zusteuernden Radfahrer zu halten, sowohl im Serienbild- als auch im Moviemodus. Um auch die Motivverfolgung auf die Probe zu stellen, fuhr der Radfahrer jeweils mehrmals in gerader Linie und in Schlangenlinien. Die Lichtverhältnisse, die auf dem rund 100 Meter langen Weg zwischen Sonnenlicht und Schatten wechselten, erhöhten die Anforderungen weiter.

Die Aufnahmen entstanden bei einer Brennweite von 200 mm mit offener Blende f/2,8, sodass die geringe Schärfentiefe eine Fehlfokussierung kaum kaschieren konnte. Im Fotomodus nutzten wir die volle Sensorauflösung; im Videomodus zeichneten wir im 4K-Format auf. Während die Schärfeanforderungen bei Videos geringer als bei Standbildern waren, stellten die Videoaufnahmen größere Ansprüche an eine präzise Nachführung ohne Pumpen.

CANON EOS R5

Obwohl die EOS R5 hinter dem Spitzenmodell EOS R3 die Mittelklasse besetzt, ist sie die mit 45 Megapixeln am höchsten auflösende Kamera in Canons spiegello- sem Portfolio. Ihr Listenpreis beträgt rund 4500 Euro. Das Autofokussystem Dual Pixel CMOS AF II mit 1053 das ganze Bildfeld abdeckenden Messfeldern entspricht weitgehend dem der niedriger auflösenden EOS R6. Die Motivverfolgung erkennt Menschen und Tiere (jeweils mit Augenerkennung) sowie Fahrzeuge. Im Serienbildmodus erreicht die EOS R5 20 Bilder/s mit elektronischem und 12 Bilder/s mit dem mechanischen Verschluss; im Test haben wir 10 Bilder/s gewählt, wobei noch eine Motivverfolgung möglich ist.

Trotz der relativ hohen Bildfrequenz gelang es der EOS R5, das Motiv in sechs von elf Durchgängen über den gesamten Weg zu verfolgen, in den übrigen Durchgängen nur während gut der Hälfte der Strecke. So lange der Autofokus das Motiv erkannte, wurde die Schärfe mit lediglich kurzen Unterbrechungen von wenigen leicht unscharfen Bildern präzise nachgeführt. Die Live-View hielt eine hohe Bildfrequenz ohne Blackouts aufrecht, sodass das Motiv und die Arbeit des Autofokus gut kontrollierbar blieben.

Im Videomodus arbeitete die Motivverfolgung in allen drei Durchgängen zuverlässig; allerdings war jeweils Pumpen, also ein Wechsel von scharfen und kürzeren unscharfen Sequenzen zu beobachten.

NIKON Z7 II

Die 45,7 Megapixel auflösende Z7 II, die Nikon für rund 3550 Euro anbietet, hat einen Sensor mit teilweise halbseitig maskierten Phasendetektionspixeln, die den Kontrast-AF unterstützen. Die 493 Messfelder decken jeweils 90 Prozent der Breite und Höhe des Bildfelds ab. Die Motivverfolgung erkennt Menschen und Tiere inklusive einer Augenerkennung. Der AF ähnelt dem der niedriger auflösenden Z6 II, die allerdings weniger Messfelder aufweist. Im Serienbildmodus erreicht die Z7 II mit dem elektronischen wie dem mechanischen Verschluss eine Frequenz von 10 Bilder/s; im Test wählten wir 5 Bilder/s mit Schärfenachführung.

Bei dieser Frequenz hatte die Kamera keine Probleme, den Radfahrer im Bildfeld zu verfolgen; nur in einem von elf Durchgängen hat der Autofokus das Motiv gegen Ende der Teststrecke verloren. Die Nachführung der Entfernungseinstellung gelang dagegen nicht durchgehend, sodass es immer wieder zu Sequenzen unscharfer Bilder kam. Bei der Live-View gab es keinerlei Blackouts, die die Kontrolle der Aufnahme behindert hätten.

Im Videomodus führte der Autofokus die Schärfe in allen drei Durchgängen gleichmäßig mit nur geringem Pumpen dem Motiv nach, bis es die Naheinstellgrenze erreichte.

NIKON Z7 II

PRO

+• zuverlässige Motivverfolgung

• blackout-freie Live-View

• kaum Pumpen bei Videoaufnahmen

- CONTRA

• gelegentlicher, kurzzeitiger Verlust des Fokus

PANASONIC LUMIX S5

Als einziges Modell im Testfeld setzt die 24,2 Megapixel auflösende Lumix S5 für rund 2000 Euro auf die DFD-Technologie zur Unterstützung des Kontrast-AF. Über 225 Messfelder hinweg kann die Kamera den Bewegungen von Menschen und Tieren folgen und auch deren Augen erkennen, um auf diese scharfzustellen. Eine aktuelle Firmware vorausgesetzt, arbeiten auch die Schwestermodelle S1, S1H und S1R mit einem ähnlichen AF. Die Serienbildgeschwindigkeit erreicht 7 Bilder/s; eine Schärfenachführung ist bis 5 Bilder/s möglich, der deshalb für den Test gewählten Bildfrequenz.

Der Autofokus der Lumix S5 hatte das Motiv in vier von sieben Durchgängen nach einem Drittel der Teststrecke verloren. In drei erfolgreichen Tests führte der Autofokus die Schärfe dann aber gleichmäßig und präzise nach, was der DFD-Technologie zuzurechnen ist. Während sich ein reiner Kontrastvergleichs-AF immer wieder über den Punkt maximaler Schärfe hinaus bewegen muss, um dann zu diesem zurückzukehren, erlaubt es das DFD-Verfahren zumindest unter optimalen Bedingungen, den Fokus direkt anzusteuern.

Das Sucherbild dunkelte sich im Rhythmus der Aufnahmen stark ab. Dabei machte die Länge der Dunkelpausen eine Kontrolle der Aufnahmen und der Zuverlässigkeit des Autofokus fast unmöglich. Positiv ist dagegen zu vermerken, dass erkannte Motive, Gesichter und Augen jeweils klar im Sucherbild markiert werden, während die übrigen Modelle im Test nur den Rahmen des AF-Messfelds den erkannten Motivbewegungen nachführen.

Im Videomodus war die Motivverfolgung in zwei von drei Durchgängen über die gesamte Zeit erfolgreich; im dritten Durchgang wurde das Motiv erst ab der halben Strecke von der Kamera erfasst. Der Autofokus führte die Schärfe dann jedoch mit nur minimalem Pumpen nach.

SONY ALPHA 7 IV

Die Alpha 7 IV für rund 2800 Euro löst 33 Megapixel auf. Ihr Autofokus nutzt einen Kontrastvergleich benachbarter Pixel und daneben über den Sensor verteilte Phasendetektionspixel. Bei der Phasendetektion kann zwischen 759 Messfeldern gewählt werden. Die Motivverfolgung erkennt Menschen und Tiere, optional auch deren Gesichter und Augen, um darauf scharfzustellen. Wegen ihrer völlig anderen Bewegungsweise bilden Vögel für die Motivverfolgung eine eigene Kategorie.

PANASONIC LUMIX S5

+ PRO

• gute Schärfenachführung

• kaum Pumpen bei Videoaufnahmen

• präzise Markierung erkannter Motive

- CONTRA

• Mängel bei der Motivverfolgung

• störende Live-View-Blackouts

SONY ALPHA 7 IV

+ PRO

• zuverlässigste Motivverfolgung im Testfeld

• präzise Schärfenachführung

• kaum Pumpen bei Videoaufnahmen

- CONTRA

• Live-View-Blackouts

Im Serienbildmodus erreicht die Kamera unabhängig vom Verschlusstyp eine Frequenz von 10 Bilder/s; für den Test der Schärfenachführung haben wir diese auf 8 Bilder/s reduziert.

Zum Testzeitpunkt war zwar bereits die Firmware-Version 1.1 verfügbar, die von Sony dann aber wieder zurückgezogen wurde, weshalb der Test mit der älteren Version 1.0 erfolgen musste. Inzwischen ist eine korrigierte Version installierbar.

Im Serienbildmodus konnte der Autofokus in sieben von elf Durchgängen dem Motiv folgen; einmal verlor er das Motiv nach zwei Dritteln der Strecke, während die Motivverfolgung in drei Fällen gar nicht gelang. Bei einer erfolgreichen Motivverfolgung führte der Autofokus die Schärfe dann aber gleichmäßig und präzise nach, bei einem geraden Kurs ebenso wie einer Fahrt in Schlangenlinien. Bei der Live-View dunkelte sich das Sucherbild im Rhythmus der Aufnahmen merklich ab, wobei die Kontrolle von Motiv und Autofokus aber weiterhin möglich blieb.

Im Moviemodus gelang die Motivverfolgung in jedem Durchgang; auch die Schärfenachführung war präzise.

FAZIT

»Motivverfolgung ist kein Garant für stets scharfe B ilder.«

Wer als Sportfotograf den entscheidenden Moment festhalten will, muss weiterhin vorfokussieren, statt sich auf die hohe Bildfrequenz mit einem Autofokus mit Motivverfolgung verlassen zu können. Die aktuellen AF-Systeme machen es dennoch sehr viel leichter, schnell bewegte Motive so lange in der Schärfe zu halten, dass meist ein „Keeper“ dabei ist. Auch bei dokumentarischen Videoaufnahmen mit nicht vorherplanbaren Bewegungen des Motivs ist der Nachführautofokus hilfreich, wenngleich das Pumpen noch nicht gänzlich eliminiert wurde.