要想高速精準地對焦、定格畫面，離不開相機中的自動對焦系統(tǒng)。自動對焦技術(shù)是相機中大家最為熟悉的功能，同時也是最核心的、科技含量最高的技術(shù)之一。

自動對焦技術(shù)是近四十年才出現(xiàn)的科技前沿產(chǎn)物，也是衡量一款相機性能的核心要素之一。主要從準確度和速度兩個方面來考察，本質(zhì)是選擇。通過移動鏡頭里的一片、一組、幾組或所有的鏡片，去改變物距。以下將介紹目前主流的三種自動對焦方式：CDAF、PDAF與DPAF。

AF自動對焦基本概念

焦點（Focus）

焦點是從無窮遠處物體出發(fā)的光線經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)后會聚的點。但這只是概念中的一個理想點，在現(xiàn)實世界中，焦點會存在一定的空間分布，稱為彌散圓。這種非理想的焦點通常源于光學(xué)系統(tǒng)的像差（aberration）。

焦距 （Focuslength）

焦距用來衡量一個光學(xué)系統(tǒng)會聚或發(fā)散光線的能力，常用符號f表示。

最小對焦距離 （Minimum Focus Distance）

所有鏡頭都可以對無窮遠處的物體成清晰像，但對于非常靠近鏡頭的物體則存在一定的限制，超過限制后成像開始模糊。這個距離稱為最小對焦距離（minimum focus range / distance）。

當(dāng)鏡頭對焦良好時，來自拍攝對象（subject）的光線剛好會聚到sensor感光面，此狀態(tài)稱"in focus"，如下圖所示：

當(dāng)聚焦良好時，圖像會比較清晰（"sharp"），存在大量銳利的紋理細節(jié)。

當(dāng)鏡頭對焦不良時稱為失焦（out of focus），以拍攝人像為例，如果聚焦最清晰的區(qū)域在人的前方，則稱為“front focus”。反之，如果人身后的區(qū)域聚焦最清晰，則稱為"back focus"。

在正常情況下，相機的視野（Field of View, FOV）里總會有一些物體是清晰的。拍攝時要把鏡頭對焦到拍攝的主體上來。

當(dāng)物體逐漸向鏡頭靠近時，物距逐漸變小，像距逐漸變大，兩者的關(guān)系始終滿足成像方程。總的原則是，物距越大則像距越小，反之亦然。

在相機和攝像機中，通常sensor的位置是固定不動的，而鏡片可以沿光軸前后移動，從而改變像距。因此如果subject在更遠處（front focus），則需要增大物距減小像距，即令鏡片更加靠近sensor；反之如果subject 在更近處(back focus），則需要減小物距增大像距，即令鏡片更加遠離sensor。

自動聚焦（AF）

很多單反相機、攝影機都支持自動聚焦功能。一般而言，自動聚焦的精度往往不如手動精細調(diào)焦的準確度高，但畢竟自動聚焦使用更加方便，所以有一點誤差也不是特別大的問題。

自動聚焦存在三種對焦方式，即

| CDAF（Contrast Detection）, 通過比較圖像對比度尋找最合適的聚焦位置。

| PDAF（Phase Detection），通過檢查光線的相位關(guān)系尋找最合適的聚焦位置。

| DPAF（Dual Pixel），基于PD原理的一種技術(shù)，通過使用兩種特別的像素提取聚焦位置信息。

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CDAF—反差對焦

反差對焦是假設(shè)對焦成功后相鄰像素點的對比度最大，這種方式的光學(xué)設(shè)計是最簡單的。

光路特點

基于CD 原理實現(xiàn)的AF 技術(shù)具有一個顯著的有點，就是光路結(jié)構(gòu)比PDAF 簡單很多。它不需要額外的光學(xué)棱鏡，不需要微透鏡，也不需要額外的電路構(gòu)造。它用軟件算法直接分析sensor 捕捉的主圖像就可以判斷圖像是否聚焦良好。而PDAF 技術(shù)則往往需要在sensor 上設(shè)計一些特別的光學(xué)、像素、電路等構(gòu)造以提供關(guān)于聚焦?fàn)顟B(tài)的數(shù)據(jù)。這些特別的像素通常被稱為聚焦點（AF points）。CDAF 的算法也可以借用聚焦點的概念，只不過CD 算法的聚焦點是算法任意指定的，并不對應(yīng)sensor 上的一些特別物理構(gòu)造，因此也沒有數(shù)量上的限制。

對焦原理

CDAF 對一個圖像序列進行分析，找到對比度最大的一幀圖，這個方法也叫做最大值法（maximum-seeking method）。

算法特點

最大值法的優(yōu)缺點都很明顯。其優(yōu)點是僅需要考慮聚焦點附近一個小區(qū)域的像素，因此計算壓力比較小，對于手持應(yīng)用可以節(jié)省功耗。其缺點是需要抓拍多幀圖像。如果只給一幀圖像，CD 算法無從知曉當(dāng)前圖像是否聚焦良好，也不知道距離理想的聚焦位置還有多遠，甚至不知道正確的方向是focus near還是focus far（PDAF 則剛好可以解決這些問題）。

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PDAF—相位對焦

相位對焦最早是在單反上使用的，也是最常用的被動式對焦方法，光學(xué)通路也比較復(fù)雜。

AF 組件

一些相機（常見于單反）會設(shè)計一個專用的光路（AF組件）用于檢測聚焦?fàn)顟B(tài)。典型的光路由一個分光棱鏡（beam splitter）和兩個微透鏡（microlens）組成，每個微透鏡后面會有一個專用的AF sensor（包含若干個像素）用于檢測像點的精確位置。如果一個物點所對應(yīng)的像點落在分光棱鏡的合適位置上，則像點會出現(xiàn)在兩個AF sensor的中間位置，表示聚焦良好；否則就是too near 或者 too far。

PD sensor

上文討論的AF 方案通常用于單反相機，以專用AF組件的方式出現(xiàn)。在很多其它應(yīng)用中（如手機）很難有足夠的空間容納專用AF組件，所以經(jīng)常會采用另外一種PD原理，即把一部分成像用的像素用不透光的擋住一半（分成左和右兩種），設(shè)計成如下所示的AF相位檢測像素。

這種特殊的像素以一定密度均勻地分布在像素矩陣中，為AF軟件提供聚焦參考。而AF的工作原理與下文將要介紹的DP原理類似。

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DPAF—雙像素自動對焦

Dual Pixel，每個像素分成兩個子像素。對焦時，兩種像素單獨輸出，得到A像和B像，通過A、B之間的距離判斷失焦相位。正式拍攝時A、B像素合并成一體，輸出一幅圖像。

PD 與DP對比

PD sensor 方案使用少量像素幫助對焦，工藝更加簡單，但是由于信息較少，對焦所需的時間會更久。DP sensor 方案每個像素都提供對焦信息因此速度更快，但是工藝也更加復(fù)雜，成本通常更高一些。

在電子技術(shù)高速發(fā)展的今天，技術(shù)的研發(fā)一直在為如何提供完美的高清視覺體驗而努力。對焦系統(tǒng)只是相機拍照的其中一環(huán)，照片質(zhì)量好壞還與相機的其他硬件參數(shù)、軟件調(diào)校水平有很大的關(guān)系。而先進的對焦系統(tǒng)對于用戶體驗的改善可謂功不可沒。

審核編輯：劉清