Autofokus für Drohnen: VDAF, PDAF & CDAF im Überblick

Die Kameras moderner Drohnen sind immer besser ausgestattet. Neben höheren Auflösungen und Zugriff auf größere Farbtiefe für mehr Flexibilität in der Postproduktion bringen Drohnen im besser ausgestatteten Segment auch häufig einen Autofokus mit. In diesem Berichten beschäftigen wir uns deshalb mit verschiedenen Fokussystemen.

In der Fotografie und am Smartphone ist es selbstverständlich: Kamera draufhalten, den Auslöser drücken und schon kommt in den meisten Fällen ein scharfes Bild dabei heraus.

Für Kameradrohnen aus dem Consumer-Bereich ist ein Autofokus dabei aber keines Falls eine Selbstverständlichkeit. Gerade im unteren Preissegment sind Kameras mit fixiertem Fokusbereich immer noch die Regel. Wer jedoch das maximale aus seiner Film- und Fotoerfahrung herausholen will, ist gut beraten, zu einer Drohne mit Autofokus zu greifen.

Was macht ein Autofokus?

Grundlegend sorgt ein Fokussystem dafür, dass ein Foto oder Video scharf abgebildet wird. Im Allgemeinen spricht man häufig auch von der Entfernungseinstellung einer Kamera, weil im Grunde genau das passiert: Die Kamera wird auf die Entfernung zwischen Sensorfläche und Motiv eingestellt, und zwar so, dass das Motiv am Ende scharf abgebildet wird.

Ein Autofokus (oft mit AF abgekürzt) macht das Ganze automatisch. Dazu verfügt eine Kamera mit Autofokus über verschiedene Sensoren und Aktuatoren, die die Einstellung der Linsen so vornehmen, dass das Motiv mit der bestmöglichen Schärfe abgebildet wird.

Nicht jede Kamera ist dabei mit einem entsprechenden AF-System ausgestattet – das gilt natürlich auch für Drohnen. Stellt sich mit Recht die Frage: Wieso können Drohnen ohne Autofokus trotzdem scharfe Aufnahmen liefern?

Hier macht man sich bei einfachen Kameras sogenannte Fixfokus-Objektive zunutze. Im Grunde handelt es sich um Objektive, die genau eine Entfernungseinstellung besitzen. Meist werden diese mit Kamerasensoren kombiniert, die ein sehr kleines Bildformat (= geringe Brennweite bei Weitwinkel) besitzen und somit eine hohe Tiefenschärfe aufweisen. In Summe ergibt das ein Objektiv, dass zwar rein rechnerisch auch nur genau eine optimale Entfernungseinstellung aufweist, in der Praxis ist die Schärfe über einen großen Entfernungsbereich so gut, dass diese Technologie in einem Bereich von etwa 1,5 m bis „unendlich“ genügend scharfe Aufnahmen liefert.

Diese Bauweise ist also ein Kompromiss aus Abbildungsqualität und einfacher Konstruktion der Kamera. Komponenten zur Entfernungsmessung und Verstellung entfallen damit vollständig. Viele Actioncams und einfache Smartphone-Kameras sowie Einsteigerkameras nutzen diese Technik.

Welche AF-Technologien gibt es?

Für Drohnen bedeutet das ganz konkret: Nur Kameras mit einem Autofokus haben überhaupt eine Entfernungseinstellung an Bord. Wer also neben der Verwendung des Autofokus auch manuell fokussieren will, kommt um eine Drohne mit AF nicht herum.

Die letztendliche Fokussierung des Motives wird also immer über eine mechanische Verschiebung einzelner Linsen(gruppen) innerhalb des Objektives realisiert. So lässt sich der Fokuspunkt an die Entfernung zum Motiv anpassen und das Motiv erscheint scharf.

Die Technologien, wie die Kamera die richtige Entfernungseinstellung ermittelt, unterscheiden sich dabei von Kamera zu Kamera. Im Grunde können zwei beliebte Verfahren unterschieden werden: PDAF und CDAF, die in der einen oder anderen Form in fast allen Drohnenkameras zum Einsatz kommen. Diese beiden Technologien gelten als passive Fokussysteme, weil sie das einfallende Bild analysieren und dabei nicht aktiv auf das Motiv einwirken (z.B. durch Laser oder Ultraschall). Für beide Varianten hat die Kamera spezielle Fokussensoren an Bord, die entweder separat ausgeführt oder direkt in den Kamerasensor integriert sind.

CDAF

Das erste System wird als CDAF oder Contrast Detection Auto Focus bezeichnet. Auf Deutsch nennt sich das Ganze dann Kantenkontrastmessung. Im Grund beschreibt dieser Begriff auch schon gut, wie die Kamera hier vorgeht. Der AF-Sensor ermittelt bei diesem Verfahren also die Entfernungseinstellung, an dem der Helligkeitsverlauf an Kontrastkanten (Kanten mit direktem Hell-Dunkel-Wechsel) maximal wird.

Dafür muss die Kamera mehrere Entfernungseinstellungen ausprobieren, um daraus den optimalen Fokuspunkt zu berechnen und das Objektiv entsprechend einzustellen. Charakteristisch für CDAF ist der mit unter sehr genaue Fokus, aber das eher langsame Fokussieren.

PDAF

Mit dem Kürzel PDAF wird das zweite populäre AF-System beschrieben. PDAF steht für Phase Detection Auto Focus oder auf Deutsch Phasenvergleichs- oder Phasenerkennungsautofokus.

Die Kamera zerlegt das einkommende Bild hierbei in zwei Halbbilder. Ohne zu tief ins Detail einzusteigen, wird bei PDAF versucht, die Bilder elektronisch so zu verschieben, dass diese übereinander passen. Daraus lässt sich dann der Fokuspunkt sehr exakt bestimmen. Man spricht auch davon, dass die Phasen der beiden Halbbilder übereinander passen. Dazu verwendet das System die Lichtintensität an verschiedenen Punkten des Bildes.

Der Vorteil von PDAF ist eine Fokussierung, ohne dass dafür die Linsenebene für mehrere Messungen verschoben werden muss. Somit lässt sich ein Fokussieren auf ein Motiv beliebig oft wiederholen, ohne dass die Kamera jedes Mal erneut „experimentieren“ muss, um den Fokus genau zu ermitteln. Der Fokussierungsvorgang geht damit außerdem viel schneller.

Zum Fokussieren wird dabei natürlich nur eine bestimmte Anzahl an Sensoren genutzt, die die Informationen für die Berechnungen liefern. Im Vergleich zur Gesamtfläche des Sensors ist die Anzahl der Fokussensoren also relativ klein.

Hybridautofokus

Genau deswegen wurde der Hybrid-AF oder auch „CDAF + PDAF“ eingeführt. Dieser kombiniert die beiden oben beschriebenen Verfahren. PDAF sorgt in diesem Szenario dafür, dass das erste Fokusergebnis zügig zur Verfügung steht und CDAF sorgt dann für die Optimierung der Schärfe über den gesamten Bildbereich.

LiDAR-Autofokus / Laser-Autofokus

Neben den beiden passiven Systemen lässt sich die Entfernung zwischen Kamera und Motiv auch aktiv bestimmen. Dazu kann beispielsweise LiDAR (oder allgemeiner Laser) zum Einsatz kommen.

Das LiDAR strahlt einen fokussierten Lichtstrahl auf das Motiv ab und errechnet aus dem reflektierten Licht die genaue Entfernung. Moderne LiDAR-Sensoren machen dabei nicht nur Punktmessungen möglich, sondern erstellen dabei eine ganze Punktwolke, die genaue Informationen über das Motiv und seine (Entfernungs-)Relation zum Hintergrund liefert.

Aufgrund der absoluten Messung der Entfernung zwischen Kamera und Motiv gilt Laser- oder LiDAR-AF als schnellstes AF-Fokussystem.

DJI nutzt einen entsprechenden Fokus am Boden beispielsweise im Rahmen seiner Ronin 4D Kinokamera und als Zusatzmodul bei dem RS 3 Pro Gimbal (zum Testbericht).

VDAF

Der Drohnenhersteller DJI hat mit der Mavic 3 Serie (zum Testbericht) erstmals ein Fokussystem vorgestellt, das auf die Bezeichnung Vision Detection Auto Focus – oder kurz VDAF hört. VDAF funktioniert im Grunde sehr ähnlich wie ein LiDAR-Fokus, nur dass die absoluten Entfernungsinformationen nicht durch ein LiDAR-Sensor gewonnen werden.

Stattdessen macht man sich die visuellen Sensoren zur Hinderniserkennung (also die Stereokameras an der Front) zunutze und verwendet das so errechnete 3D-Modell der Umwelt der Drohne, um die genaue Entfernung zum Motiv für den Autofokus abzuleiten.

VDAF ist vor allem dann im Vorteil, wenn sich die Entfernung zwischen Kamera und Motiv stetig verändert, weil die Entfernungsmessungen stetig neue Informationen für das exakte Nachsteuern der Fokusebene liefern.

Wie auch bei LiDAR ist die Reichweite dieses Sensorsystems begrenzt. Durch die hohe Tiefenschärfe der meisten Objektive, spielt ein exakt gesetzter Fokus in der Nähe aber in der Wahrnehmungsqualität der Aufnahmen eine deutlich größere Rolle, als in der Ferne. Und genau hier punkten aktive Fokussysteme durch sehr schnelle und präzise Messungen. Im Gegensatz zu einem LiDAR-AF ist VDAF jedoch auf genügend Restlicht angewiesen, damit die Sensoren ein ausreichend genaues Bild der Umwelt errechnen können. Ein LiDAR-Fokus funktioniert hingegen auch bei kompletter Dunkelheit.

Was genau ist ein kontinuierlicher Autofokus?

Unterscheiden von der grundlegenden Fokustechnologie des AF, muss man den sogenannten AF-Modus. Die meisten Kameras unterstützen Single AF (AF-S). Dabei wird der Fokus einmal gesetzt, bei den meisten Drohnen mehrheitlich durch das Tippen auf eine bestimmte Stelle im Bild des Live-Views der Drohnen-App. Verändert die Drohne im Laufe der Aufnahme ihre Position in Bezug zum Motiv, wird der Fokus jedoch nicht automatisch korrigiert oder „nachgezogen“.

Im Kontrast zum AF-S gibt es auch Drohnenkamera, die einen kontinuierlichen Autofokus (AF-C, C für Continuos) unterstützen. Dabei misst das AF-System kontinuierlich, ob der Fokus noch stimmt und passt diesen auch während der Aufnahme automatisch an. Der Fokus wird vom System also laufend nachgezogen.

Drohnenkameras, die AF-C unterstützen, können in aller Regel auch auf AF-S umgestellt werden. Denn nicht immer ist ein kontinuierlich aktiver Autofokus sinnvoll.

Welche Drohnen verfügen über einen Autofokus?

Im Folgenden eine Übersicht von Drohnen, die ein Autofokussystem an Bord haben. Die Liste hat natürlich keinen Anspruch auf Vollständigkeit.

• Autel EVO Nano+
• Autel EVO Lite
• Autel EVO Lite+
• DJI Mavic 2 Pro
• DJI Air 2S (Testbericht)
• DJI Mavic 3 (Testbericht)
• DJI Mavic 3 Cine (Testbericht)
• DJI Mavic 3 Classic (Testbericht)
• DJI Mini 3 Pro (Testbericht)

Euch sind weitere Modelle bekannt? Dann hinterlasst sehr gerne einen Hinweis in den Kommentaren.

Schlusswort

Wir hoffen, ihr habt mit diesem Artikel einen guten Überblick über die verschiedenen Autofokustechnologien von Drohnen bekommen.

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Häufig gestellte Fragen zum Autofokus bei Drohnen