Why recomposing with AF cameras is a bad idea

(Update from May 11th, 2006)
(Update from April 16th, 2008)

Many AF cameras contain not just a single AF sensor but several of them spread across the frame. However, the central sensor often is of higher sensitivity, larger or in other ways special. So many users of these cameras do not select one of the other sensors when the main subject is not in the center of the frame. Instead they use the following method:

  1. Select central sensor
  2. Focus with the central sensor pointed at main subject
  3. Recompose with AF locked
  4. Release

The result is often that the main subject is slightly out of focus, and the blame is put on the camera. However, this focus issue is a direct result of recomposing and is not the camera's fault. Here's an illustration of the situation:

The camera is at the base of the diagram. It's first focused on point A. After focus is acquired, everything on the plane of focus that touches point A is in focus (blue line on the right). Then the photographer recomposes - with locked focus - so that the camera points to point B. The focus distance does not change because AF is locked. After that, everything on the plane of focus touching point B appears sharp (blue line on the left). But now point A is no longer on the same plane of focus. The plane of focus that would be correct for A is closer to the camera (solid black line). The amount of misfocus is d (red line), and it becomes larger when you recompose farther. It looks like the camera has a backfocus issue. It also looks like with wide-angle lenses the problem is bigger than with tele-photo lenses. However, this kind of focus error is actually a user error, not a camera problem, and wide-angle lenses just give the user more opportunities to make this mistake than tele-photo lenses (because you can recompose more before the subject slips out of the frame).

There also is a secondary problem when recomposing strongly. The cameras mentioned above often also base exposure and flash exposure on the selected AF sensor, assuming it points at the main subject. So the metering cell(s) close to the selected AF sensor are given priority over the other cells. But when you recompose, the selected sensor no longer points at the main subject, and you may end up with incorrect (flash) exposure.

The lesson to be learned here is to always select the AF sensor closest to the main subject, even if this sensor has a weaker performance than the central sensor. Recomposing by a significant amount should be avoided as much as possible, for accurate focus and correct exposure.


Update from May 11th, 2006

I have received a few messages and read a few forum contributions regarding this article. In some of them the authors expressed doubts that this problem even exists, or they assumed that the focus shift is so small that it can't be seen. So here are a few numbers:

Let's assume we're using a 50/1.4 (not really an exotic lens) on a 35mm camera, resulting in a horizontal angle of view of about 40°. This means you will recompose horizontally by at most 20°. With a focus distance of e.g. 5 m this recomposing will create a focus shift of about 30 cm. This means the focus after recomposing is 30 cm behind point A. The front depth of field in this situation is about 39 cm, which is only slightly more. Such a focus shift is already visible. Make the focus distance slightly shorter, e.g. 2 m, and the focus shift is 12 cm, but the front depth of field is only 6.5 cm. Here the focus shift is almost twice as big as the depth of field.

For the interested, here's the formula to calculate the focus shift:

d = a - a · cos α
  
using:
d
Focus shift
a
Distance to point A (= distance to point B)
α
Angle of recomposition

The depth of field can be calculated here (but make sure to compare only with the front depth of field, which is the difference between the front edge of the total depth of field and the focus distance).


Update from April 16th, 2008

The following question came up: When you hold the camera in front of your eye and recompose, the center of rotation is your neck, i.e. it is behind the camera's image plane. Does this improve the situation, or does it make things worse?

It depends on what you consider the fixed part in the scenario. If you keep the focus distance constant, then a is unchanged, but the distance between the axis of rotation and A is larger than a. The following illustration shows a comparison:

The rotation now also moves the image plane, and the displacement of the image plane is added to the displacement of the plane of focus (remember that we still keep the focus distance unchanged when we recompose). In other words, in this situation the focus error is even larger than in the original situation (compare d and d'). But since the distance between the center of rotation and the image plane is short compared to the focus distance, the additional error is also small.

If you consider the distance between your head and the subject the fixed part of the situation (ie. the camera is moved forward and the focus distance is reduced by the same amount), nothing really changes. Look at the first illustration and imagine the camera simply being closer to A and B. The plane of focus before the rotation is the same (we still do focus on the subject), and the plane of focus after the rotation is also where it's illustrated (the original focus distance is reduced, but the added displacement of the image plane compensates for this). The total focus error is the same.

So when the axis of rotation is behind the camera, the focus error is unchanged or worse, but not smaller.

Many AF cameras contain not just a single AF sensor but several of them spread across the frame. However, the central sensor often is of higher sensitivity, larger or in other ways special. So many users of these cameras do not select one of the other sensors when the main subject is not in the center of the frame. Instead they use the following method: ...


Readers' comments

#1: Comment posted by Horst Isele on January 15th, 2008 - 01:39:22 PM:
Ist es nicht so, dass die Fokusebene gar keine Ebene ist, sondern auch gewölbt (bis kugelförmig) ist, und darum der Fehlfocus nicht vorhanden oder doch deutlich kleiner als angenommen ist.

Freundliche Grüsse Horst Isele
Michael Hohner answers:
Die Fokusebene ist bei den meisten Objektiven mehr oder weniger flach. Bei einigen weniger gut korrigierten ist sie etwas gewölbt, jedoch keinesfalls so stark, daß sie eine Kugeloberfläche mit der Kamera im Mittelpunkt darstellt. Die Wölbung kann sogar in die andere Richtung gehen, d.h. der Mittelpunkt der (gedachten) Kugel ist auf der anderen Seite der Fokusebene. In dem Fall wäre der Fokusfehler sogar noch schlimmer als berechnet.
#2: Comment posted by Matthias on March 27th, 2008 - 09:31:08 PM:
Hallo Michael,

Zunächst einmal vielen Dank für Deine Seite. Ein Forum hat hierher verwiesen und ich bin so auf dieses Problem aufmerksam geworden.

Bisher hatte ich noch nie darüber nachgedacht, dass dies ein Problem ist, obwohl es naheliegend ist - und das als Ingenieur *schäm*

Zum Thema Praxisbezug möchte ich ein paar Hinweise geben:

1. Besonders große Auswirkungen hat das Phänomen bei Schwenkfotos vom Stativ aus. Bei Schwenkfotos aus der Hand ist zu berücksichtigen, dass sich der Kreismittelpunkt vermutlich deutlich hinter der Bildebene befindet. Ich drehe mich beim Kameraschwenk mehr um mich selber als dass ich die Kamera selber "verdrehe". Dadurch wird der Radius um einiges vergrößert und der Effekt wirkt sich weniger deutlich aus.

2. Du hast in Deinem Beispiel mit dem 50 mm / 1:1,4 nicht erwähnt, dass Du die Blende auf 1:1,4 stehen hast. Das ist aber wichtig zu wissen. Zum einen ändert sich das Bild von dem Bildfehler radikal, sobald ein wenig abgeblendet wird, zum anderen habe ich in der Praxis noch nie einen Schwenk vom Rand zur Mitte gemacht sondern höchstens ein paar Grad.

Ich möchte mich nochmal für diesen Hinweis bedanken, dies ist kein Anzweifeln des Effekts! Im Gegenteil, vom Stativ aus werde ich ab jetzt bestimmt nicht mehr schwenken. (Das habe ich bisher eh kaum so gemacht...)

Ich habe eine Weile darüber nachgedacht und mich gefragt, warum bei den meisten Fotografen dieser Umstand k(l)eine Probleme macht und nicht generell verpönt ist. Die Erklärungen dafür habe ich zuerst mir und jetzt auch Dir gegeben. Nicht unter allen Umständen macht der Effekt wirklich Probleme.

Ich hoffe, dass meine Erklärungen auch für Dich plausibel sind.

Ciao Matthias
Michael Hohner answers:
Zu 1: Genau das Gegenteil ist der Fall. Wenn die Drehachse weiter hinter der Bildebene liegt, dann ist der Fokusfehler bei gleichem Drehwinkel sogar noch größer. Das kannst du mit einer Zeichnung einfach nachvollziehen.
#3: Comment posted by Alex on April 16th, 2008 - 02:08:54 PM:
Hallo Michael,
vielleicht mache auch ich einen Denkfehler, abere ich glaube Matthias hat recht, wenn er schreibt, dass die Abweichung von Fokusebene und Entfernung von der Kamera mit zunehmenden Radius kleiner wird. Dies läßt sich anhand Deiner Zeichnung sehr gut veranschaulichen: Fokussiert wird auf Punkt A, der Drehpunkt ist allerdings hinter der Kamera. Dadurch wird der Kreisbogen flacher (größerer Radius) und die Strecke d (Fokusfehler) wird kleiner. Bitte korrigiere uns, wenn wir uns täuschen. Interessant in dem Zusammenhang: es gab von Minolta (und evtl. auch von anderen Herstellern) ein Weitwinkelobjektiv (24mm, f2.8 mc vfc rokkor) bei dem die Form der Fokusfläche (konkav/konvex) verändert werden kann. Damit könnte man den Fokusfehler beim Schwenken ausgleichen. Infos hier: http://www.rokkorfiles.com/24mm%20VFC.htm.

Viele Grüße

Alex
Michael Hohner answers:
1. Siehe der neue Abschnitt oben.
2. Mit einem Objektiv mit verstellbarer Bildfeldkrümmung kann man das Problem mindestens reduzieren. Es ist eine Frage, wie stark sich die Krümmung verstellen lässt, und ob der Fotograf auch die richtige Krümmung trifft.
#4: Comment posted by Rainer on May 12th, 2008 - 08:30:56 PM:
Dein Artikel hat mir sehr geholfen zu besseren Schärfeergebnissen zu kommen. Seit dem Umstieg von Minolta 7D auf Sony A700 und dem damit unvermeidlichen Pixelpeeping war ich oft unglücklich. Das ist momentan vorbei. Vielen Dank!

Jetzt ist es der Verlust der Minolta Farben bei ISO 800 und höher und das Rauschen in Schattenpartien. So ist das Leben. Vielleicht hast Du dazu wieder so einen fundierten Artikel.
#5: Comment posted by Tom on September 17th, 2008 - 01:10:19 PM:
All this sounds good in theory but I totally disagree from a practical point of view. I have over 40 years experience as a photographer and when I switched from manual to auto focus cameras I used the spot focus/recompose method as it most closely follows my manual focus techniques. I have never had focus problems doing this and it allows much faster and more accurate focusing IMO.
Michael Hohner answers:
This is not just a problem in theory. You can read about this almost daily in forums. People complain about backfocus, and when they stop recomposing, the problem goes away.

If this doesn't happen to you, you either don't work with a D.O.F. that is narrow enough to show the problem, or you don't recompose so far as to show the problem, or you're not looking closely enough. If you don't encounter the problem, it's fine to keep your shooting style. But if others do encounter the problem, there's nothing wrong with checking their shooting style before putting blame on their equipment.
#6: Comment posted by Marco on October 2nd, 2008 - 10:06:19 PM:
Hallo,

bin gerade zufällig auf diese Seite aufmerksam geworden und will doch gerne versuchen meine Erfahrungen mit der Mathematik in Einklang zu bringen und auch meinen Diskussionssbeitrag zu liefern
Die Abweichung, also der Fokusfehler ist wie im Ausgangstext beschrieben von zwei Werten abhängig;
Vom Radius, bzw. Abstand (a) und vom Schwenkwinkel (α).
d = a · (1 - cos α).
Es stellt sich mir nun die Frage nach der Relevanz für die Praxis.

Den AF nutze ich meist mit Spot-Messung und wähle nach automatischem scharfstellen ohne nachführen des Focus meinen Bildausschnitt.

Fotografiere ich nun eine Landschaft mit Weitwinkel und verlege mein Motiv (Punkt A) horizontal an einen der Ränder habe ich aufgrund der großen Entfernung und des großen Schwenkwinkels auch eine große Abweichung von der ideal angenommenen Fokusebene. Allerdings ist nach meiner Erfahrung bei einer Fokusentfernung nahe unendlich der Schärfentiefenbereich so groß das der Effekt in der Regel vernachlässigbar ist.

Anders bei einer Portraitaufnahme mit Weitwinkel, denn abhängig von der Blende habe ich hier nur eine sehr geringen Schärfentiefe, so dsas die Abweichung von der Fokusebene trotz kleinerem Radius aber identischem Schwenkwinkel stärker ins Gewicht fällt.
Gelegentlich ändere ich beim schwenken geringfügig meine Position zum Motiv um den Abstand zu korrigieren.

Für Teleobjektive fallen Abweichungen von der Fokusebene kaum ins Gewicht, da der Schwenkwinkel beim Wechsel des Motivs aus der Mitte zum Rand sehr gering ist und somit die Abweichung gegen Null geht
(lim(α->0) von (1 - cos α) ist 0).

Mit Macroaufnahmen habe ich wenig Erfahrung und weiss daher nicht wie es sich hier mit der Schärfentiefe verhält.

Gruß aus Münster
Marco
#7: Comment posted by jai on May 26th, 2009 - 11:06:03 AM:
Hello !

Can someone explain why this was not then a problem when one used Manual Focus Lenses ?

Prior to AF Systems, I never faced an issue of what is explained in this article, but since I have begun to use AF Systems, I do find focus errors.

Any explanations ?


Jai
Michael Hohner answers:
With MF systems you tend to compose first and focus later. That's why it's less of a problem there. If you worked with MF the same as with AF (center on the subject, focus, recompose), you'd see the same problems.
#8: Comment posted by Ralph W. Lambrecht on September 14th, 2009 - 09:37:43 PM:
Also ich habe dass heute mal mit einer Nikon D700, einem 50mm f/1.4 weit offen, einem professionellen Test Target, geblitzt, auf einem Stativ, und mit einem Abstand von 2 und 3 Metern ausprobiert. Die Mathematik stimmt wie beschrieben, aber mein Test kam eindeutig zu dem Ergebniss dass der automatische wie auch der manuelle Fokusfehler weitaus grösser ist als die theoretische Fokusabweichung durch die Geometrie. Bei Abblendung auf f/2.8 war gar kein Unterschied mehr festzustellen, auch nicht durch Fokusabweichungen.
#9: Comment posted by Andreas Müller on October 2nd, 2009 - 10:59:11 PM:
..wenn das Problem nicht bestünde, was rechtfertigt die Existenz von allen AF Feldern über den zentralen Sensor hinaus? Als AL Photograph mit viel Offenblende und entsprechend engem Schärfebereich hat sich durch die Nutzung des hauptmotivnächsten AF Feldes mein Ausschuß erheblich verringert. Vielen DAnk dafür!

Gruß
andreas
#10: Comment posted by Michael Stewart on December 2nd, 2009 - 09:04:43 AM:
This problem existed long before AF cameras. With my old Minolta MF cameras it is a problem doing portraits with an 85mm lens, where you never ever want to put the eyelashes at the center of the composition. I used to compose and then focus on the acute-matte screen, but this requires a well aligned screen. Minolta MFs were well adjusted for the center focusing aids, but not necessary for perpendicularity, especially the later models. The old Minolta Service Center in Singapore was especially helpful in precisely aligning screens across the field of view. Curvature of field in a lens can help mitigate the problem somewhat, while macro lenses are designed to have very flat fields and are more sensitive. Longer focal length lenses require less angular displacement for recomposing and consequently less distance discrepancy. Wide angle lenses have greater depth of field and are more forgiving. You’ll see the problem most with portraits and wide apertures which is just where you’ll want the most precise selective focus. Unfortunately, it seems even peripheral AF sensors are never placed where you’d really like to have them, and the AF screens don’t seem to be as well optimized for manual focus as the older MF screens.
#11: Comment posted by Funkytown on December 26th, 2009 - 11:28:09 AM:
@Andreas Müller

Wie nutzt Du die anderen AF-Felder in der Praxis. Wählst du dann immer das AF-Feld, welches dem Motiv am nächsten ist, manuell aus?
#12: Comment posted by dida56 on February 4th, 2010 - 09:04:18 PM:
Vielen Dank, ich bin über einen link hierhergekommen und glaube jetzt, den Grund für immer wieder auftretende Unschärfen bei meinen Bildern zu kennen. Ich dachte sogar, ich mach das besonders clever -Spotmessung (mit Bel-messung) auf den Punkt zwischen den Augen - dann Bildausschnitt komponieren. Nix da, immer wieder unschärfen. Ich werde das besser machen.
Gruss,
dieter
#13: Comment posted by Bernhard Katein on August 17th, 2010 - 09:48:49 AM:
Herzlichen Dank für diese informative Seite!

Im Nachhinein ist mir jetzt manche Ursache für unscharfe Bilder klar.
Es handelt sich um ein neues Problem, das zu Zeiten der manuellen Fokussierung kaum existierte oder von anderen Problemen (dunkle Sucherscheiben im Makrobetrieb) überlagert wurde.
Werde mir dringend eine bessere Fokussiermethode angewöhnen angewöhnen müssen.
Ach ja - auf deiner Seite bin ich durch einen Link aus dem Forum "Nikon-Point" gelandet

Viele Grüße
Bernhard
#14: Comment posted by Bernhard Katein on August 24th, 2010 - 10:22:14 AM:
zum Kommentar von Andreas Müller

... hat sich durch die Nutzung des hauptmotivnächsten AF Feldes mein Ausschuß erheblich verringert ...

muss ich feststellen, dass die nichtzentralen AF-Felder bei den nichtprofessionellen Kameramodellen (dazu zähle ich meine Nikon D80) meist keinen Kreuzsensor besitzen und bereits bei günstigen Lichtverhältnissen eine deutlich schlechtere Treffsicherheit als der zentrale Sensor aufweisen. Daher halte ich diese Messmethode nicht unbedingt als sicherer. Bleibt im Nahbereich also fast nur das manuelle fokusieren. Lasse mich aber gerne vom Gegenteil überzeugen

Viele Grüße
Bernhard
#15: Comment posted by jens on October 12th, 2010 - 08:45:10 AM:
Sehr gute Erklaerung!
Vielleicht eine Ergaenzung zur Relevanz des problems, gerade auch im Profi sektor.
Hasselbad had das problem geloesst indem die kamera Bewegungen registriert, und den Fokus anpasst. Dies wird als wesentliches Feature beworben. Schade das ich mir so eine Kamera nicht leisten kann ;)
http://www.hasselblad.de/promotions/apl.aspx
#16: Comment posted by Keith Hanlan on March 2nd, 2012 - 06:38:14 PM:
You raise a valid point but your example is a bit extreme for many compositions. If I'm shooting portraits, then the typical recomposition will be from the center to one of the 1/3 points. That is 1/6 of the horizontal angle of view.

With a 70mm lens on an APS-C camera, the angle of view is 19degrees so the shift is about 3 degrees. 1-cos3 = 0.00137.

If I am shooting f4 at 5m, my depth of field extends 444mm (0.02mm circle of confusion) past my focal point. The change in focal length due to the recomposition is only 6.85mm.

Thanks for taking the time to explain this issue but I think the title is somewhat misleading.

Regards,
Keith
Ottawa, Canada
Michael Hohner answers:
Of course, shooting portraits with 70 mm from 5 m will not get you into the danger zone. But that's what I would call “a bit extreme”. The field of view is almost big enough for a full body photo. I hope you realize that there are different shooting styles which are indeed affected by this effect, and as indicated above, even Hasselblad integrated a correction feature for it. They wouldn't do that for nothing.
#17: Comment posted by Stefan on November 22nd, 2012 - 11:49:18 AM:
Danke für diese Ausführungen. Das erklärt, warum meine letzten Portraits alle etwas unscharf waren. Ich hatte etwas neues ausprobiert, wo die Person ca. 1,5 m entfernt ist und ich mit einem 55mm Objektiv bei f1.4 das vordere Auge scharf stellen möchte. Der Bildausschnitt ist der Kopf mit Schultern, der auf der rechten Seite des Bildes platziert sein soll, daher hatte ich erst fokussiert und dann geschwenkt.

Die Kombination aus der geringen Schärfentiefe von ca. 2cm (für eine interessante Bildwikung) und dem relativ hohem Schwenk-Winkel wegen der geringen Distanz haben den Fokus ziemlich deplatziert.

Für diese Arbeit bleibt mir nur, manuell scharf zu stellen weil auch die seitlichen Autofokus-Punkte selten da sind wo ich es scharf brauche (auf dem Auge des Models).
#18: Comment posted by Boris on January 7th, 2013 - 03:27:53 PM:
Danke. Spätestens mit diesem Artikel ist mir endgültig klar geworden, dass diese (auch meine) lieb gewonnene 'faule' Fokussiertechnik aus alten analogen/manuellen Zeiten heute tunlichst nicht mehr einzusetzen ist.
#19: Comment posted by Antonio Correia on April 12th, 2013 - 01:32:09 AM:
Clear explanation of this issue. Good work.
Thank you.
:)
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