AF自动对焦基本概念解读

 

要想高速精准地对焦、定格画面，离不开相机中的自动对焦系统。自动对焦技术是相机中大家最为熟悉的功能，同时也是最核心的、科技含量最高的技术之一。

自动对焦技术是近四十年才出现的科技前沿产物，也是衡量一款相机性能的核心要素之一。主要从准确度和速度两个方面来考察，本质是选择。通过移动镜头里的一片、一组、几组或所有的镜片，去改变物距。以下将介绍目前主流的三种自动对焦方式：CDAF、PDAF与DPAF。

AF自动对焦基本概念

焦点（Focus）

焦点是从无穷远处物体出发的光线经过光学系统后会聚的点。但这只是概念中的一个理想点，在现实世界中，焦点会存在一定的空间分布，称为弥散圆。这种非理想的焦点通常源于光学系统的像差（aberration）。

焦距 （Focus length）

焦距用来衡量一个光学系统会聚或发散光线的能力，常用符号f表示。

最小对焦距离 （Minimum Focus Distance）

所有镜头都可以对无穷远处的物体成清晰像，但对于非常靠近镜头的物体则存在一定的限制，超过限制后成像开始模糊。这个距离称为最小对焦距离（minimum focus range / distance）。

当镜头对焦良好时，来自拍摄对象（subject）的光线刚好会聚到sensor感光面，此状态称"in focus"，如下图所示：

当聚焦良好时，图像会比较清晰（"sharp"），存在大量锐利的纹理细节。

当镜头对焦不良时称为失焦（out of focus），以拍摄人像为例，如果聚焦最清晰的区域在人的前方，则称为“front focus”。反之，如果人身后的区域聚焦最清晰，则称为"back focus"。

在正常情况下，相机的视野（Field of View, FOV）里总会有一些物体是清晰的。拍摄时要把镜头对焦到拍摄的主体上来。

当物体逐渐向镜头靠近时，物距逐渐变小，像距逐渐变大，两者的关系始终满足成像方程。总的原则是，物距越大则像距越小，反之亦然。

在相机和摄像机中，通常sensor的位置是固定不动的，而镜片可以沿光轴前后移动，从而改变像距。因此如果subject在更远处（front focus），则需要增大物距减小像距，即令镜片更加靠近sensor；反之如果subject 在更近处(back focus），则需要减小物距增大像距，即令镜片更加远离sensor。

自动聚焦（AF）

很多单反相机、摄影机都支持自动聚焦功能。一般而言，自动聚焦的精度往往不如手动精细调焦的准确度高，但毕竟自动聚焦使用更加方便，所以有一点误差也不是特别大的问题。

自动聚焦存在三种对焦方式，即

| CDAF（Contrast Detection）, 通过比较图像对比度寻找最合适的聚焦位置。

| PDAF（Phase Detection），通过检查光线的相位关系寻找最合适的聚焦位置。

| DPAF（Dual Pixel），基于PD原理的一种技术，通过使用两种特别的像素提取聚焦位置信息。

1

CDAF—反差对焦

反差对焦是假设对焦成功后相邻像素点的对比度最大，这种方式的光学设计是最简单的。

光路特点

基于CD 原理实现的AF 技术具有一个显著的有点，就是光路结构比PDAF 简单很多。它不需要额外的光学棱镜，不需要微透镜，也不需要额外的电路构造。它用软件算法直接分析sensor 捕捉的主图像就可以判断图像是否聚焦良好。而PDAF 技术则往往需要在sensor 上设计一些特别的光学、像素、电路等构造以提供关于聚焦状态的数据。这些特别的像素通常被称为聚焦点（AF points）。CDAF 的算法也可以借用聚焦点的概念，只不过CD 算法的聚焦点是算法任意指定的，并不对应sensor 上的一些特别物理构造，因此也没有数量上的限制。

对焦原理

CDAF 对一个图像序列进行分析，找到对比度最大的一帧图，这个方法也叫做最大值法（maximum-seeking method）。

算法特点

最大值法的优缺点都很明显。其优点是仅需要考虑聚焦点附近一个小区域的像素，因此计算压力比较小，对于手持应用可以节省功耗。其缺点是需要抓拍多帧图像。如果只给一帧图像，CD 算法无从知晓当前图像是否聚焦良好，也不知道距离理想的聚焦位置还有多远，甚至不知道正确的方向是focus near还是focus far（PDAF 则刚好可以解决这些问题）。

2

PDAF—相位对焦

相位对焦最早是在单反上使用的，也是最常用的被动式对焦方法，光学通路也比较复杂。

AF 组件

一些相机（常见于单反）会设计一个专用的光路（AF组件）用于检测聚焦状态。典型的光路由一个分光棱镜（beam splitter）和两个微透镜（microlens）组成，每个微透镜后面会有一个专用的AF sensor（包含若干个像素）用于检测像点的精确位置。如果一个物点所对应的像点落在分光棱镜的合适位置上，则像点会出现在两个AF sensor的中间位置，表示聚焦良好；否则就是too near 或者 too far。

PD sensor

上文讨论的AF 方案通常用于单反相机，以专用AF组件的方式出现。在很多其它应用中（如手机）很难有足够的空间容纳专用AF组件，所以经常会采用另外一种PD原理，即把一部分成像用的像素用不透光的挡住一半（分成左和右两种），设计成如下所示的AF相位检测像素。

这种特殊的像素以一定密度均匀地分布在像素矩阵中，为AF软件提供聚焦参考。而AF的工作原理与下文将要介绍的DP原理类似。

3

DPAF—双像素自动对焦

Dual Pixel，每个像素分成两个子像素。对焦时，两种像素单独输出，得到A像和B像，通过A、B之间的距离判断失焦相位。正式拍摄时A、B像素合并成一体，输出一幅图像。

PD 与DP对比

PD sensor 方案使用少量像素帮助对焦，工艺更加简单，但是由于信息较少，对焦所需的时间会更久。DP sensor 方案每个像素都提供对焦信息因此速度更快，但是工艺也更加复杂，成本通常更高一些。

在电子技术高速发展的今天，技术的研发一直在为如何提供完美的高清视觉体验而努力。对焦系统只是相机拍照的其中一环，照片质量好坏还与相机的其他硬件参数、软件调校水平有很大的关系。而先进的对焦系统对于用户体验的改善可谓功不可没。

审核编辑：刘清