相機自動對焦AF原理

AF性能是判斷相機好壞的重要指標，主要從準確度和速度兩個方面來進行考察，本文將介紹自動對焦的幾種方式。

一．凸透鏡成像原理

二．三種對焦方法

有公式在手，只要給相機安個測距儀就好了，測距儀的精度越高對焦就越準，成像就越清晰，在這種想法的驅動下，主動式對焦就應運而生了，在大部分不計代價的領域，主動式對焦是很受歡迎的方法。

但是在很多地方，尤其是民用市場，想要給相機按上一個高精度測距儀，代價無疑是很高的，有沒有其他辦法實現對焦？很明顯，就是剛才提到的物理實驗所采用的的探索法，讓改變鏡頭與CMOS之間的距離，總能找到成像的最佳位置。

在這種想法的作用下，被動式對焦就應運而生了，主要是以額外硬件為代價的相位法和基于軟件的對比度法。

自動對焦目前主流的大致上有CDAF，PDAF和Laser
assist AF這三種。前兩種屬于被動式，也就是說相機不需要其他額外輔助的探測手段，直接使用入射光線做判斷來對焦；而第三種屬于主動式，也就是說需要使用Laser來輔助探測，這在后面會詳細介紹。

1． CDAF (contrast detection auto focus)

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

從上圖可以看到，右上圖中的白色方框代表對焦點，此處反射出的紅色光線在經過鏡頭，到達傳感器前就匯聚在一點，隨后又散開，此時圖像的對比度是很低的。

將這個對焦點與相鄰像素的對比度作分析得出右下角的曲線，失焦狀態下對比度低，在聚焦過程中，曲線變得逐漸變得傾斜，但是不能判斷什么時候是最高點，只有經過了對焦點后曲線下降再往回移動，反復移動后可以得到一個局部梯度最大值，就認為是對焦成功。

詳細過程可以從這個鏈接可以看到。

優點：光學設計簡單。

缺點：

a. 速度較慢，在出現失焦圖像時，機器無法判斷該移動多少，甚至往哪個方向移動鏡頭才能聚焦，甚至到了峰值也不知道，必須移動過了以后再往回移動，來回幾次后才能找到對焦點；

b. 在物體對比度較低時會對焦失敗，比如雪景，無云的藍天以及各種純色的圖像。

2． PDAF (phase detect
auto focus)

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，光學通路也比較復雜。

在對焦過程中，白色入射光被一個斜45度角的反光鏡攔截，部分向上分光到調焦屏，供預覽和AE使用，此時預覽看到的圖像和拍照的是一致的；剩下的光被次級反射鏡向下分到AF模塊。

可以從下圖中看到AF模塊的工作原理。AF模塊中有兩個或者多個小圖像傳感器(CCD1/2)，并且都是一維的，也就是說是由一列像素構成，每個傳感器上有一個小的透鏡(Micro lens)，這些傳感器是成對出現，每一對就構成了一個自動對焦點，下圖中的對焦點是右下側圖片中央的白色方框。在失焦狀態下，紅光照射在光圈右側，綠光照射在光圈左側，在傳感器上的相位就無法匹配，圖像中央其實是一個硬幣，但為了方便將相位表示成只有一個峰值的曲線，也就是一個黑色背景的白點，真實圖像的曲線實際上比較復雜。當移動鏡頭Main lens的時候，光線的相位會慢慢靠近直至重合，當重合時就認為對焦成功。在圖像處理中識別相位重合的方式有很多種，Cross-correlation就是其中一種。由于根據相差可以精確計算出main
lens需要移動的方向以及距離，因此PDAF就比CDAF速度要快許多。

由于對焦速度快，在2014年左右被全面引入到手機上，然而手機上沒有足夠空間來實現如此復雜的光學通路，因此業界就拿sensor做文章，如下圖所示在原有的

(a)Bayer CFA sensor基礎上將部分G替換成

(b)PD 像素，變成了

? PDAF sensor。

測距原理就是發出一組超聲波，接收器根據超聲波的返回時間來計算距離；同樣在單反上的激光輔助對焦是發出一組紅外光，根據接收到的時間來計算距離。

優點：

激光輔助對焦完美地補充了PDAF在弱光條件下，以及CDAF在對比度底場景下的不足。

缺點：

a. 所謂激光其實是紅外線光，因此在物體本身有紅外射線(比如燭光，人臉)的情況下就會失效；

b. 如果有紅外射線無法穿透玻璃，因此有玻璃情況下也會失效。

這樣也就無需改變原有的光學通路，直接根據PDAF計算出相差來移動鏡頭。當然這些被PD像素所取代的像素點必須根據周圍像素點的值來做補償，具體補償方式就由各ISP廠商來決定。

優點：速度快。

缺點：

a. 需要專用PDAF sensor，并且有精度損失；

b. 在暗處效果較差，無法完全取代CDAF。

3． Laser Assit AF

激光輔助對焦在單反上的前生是潛艇的超聲波測距系統。

超聲波測距原理就是發出一組超聲波，接收器根據超聲波的返回時間來計算距離；同樣在單反上的激光輔助對焦是發出一組紅外光，根據接收到的時間來計算距離。

優點：

激光輔助對焦完美地補充了PDAF在弱光條件下，以及CDAF在對比度底場景下的不足。

缺點：

a. 所謂激光其實是紅外線光，因此在物體本身有紅外射線(比如燭光，人臉)的情況下就會失效；

b. 如果有紅外射線無法穿透玻璃，因此有玻璃情況下也會失效。

相位法

相位法是直接通過硬件計算出當前成像的位置是在真正相平面哪一側的方法，如圖所示：

三．對比度法

這種方法很多地方都叫做反差法，但是通過研究其原理，我認為還是叫對比度法比較準確。原理可以通過下面的動圖描述：

這下應該不用多解釋了，如果還是不明白，那我就簡單說明一下：

它實際上是選的一行像素，統計各像素亮度，并計算最亮和最暗的差值作為對比度保存；

嘗試往一個方向移動鏡片（或者CMOS），如果差值變小則說明方向錯誤，需要反向移動；

反之繼續移動，直到差值經過某個值之后開始變小，說明該值即對比度最大值；

鏡片（或者CMOS）反向移動到對比對最大的位置。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的相机自动对焦AF原理的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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