要想高速精準(zhǔn)地對(duì)焦、定格畫(huà)面，離不開(kāi)相機(jī)中的自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)。自動(dòng)對(duì)焦技術(shù)是相機(jī)中大家最為熟悉的功能，同時(shí)也是最核心的、科技含量最高的技術(shù)之一。

自動(dòng)對(duì)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(jī)性能的核心要素之一。主要從準(zhǔn)確度和速度兩個(gè)方面來(lái)考察，本質(zhì)是選擇。通過(guò)移動(dòng)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(dòng)對(duì)焦方式：CDAF、PDAF與DPAF。

AF自動(dòng)對(duì)焦基本概念

焦點(diǎn)（Focus）

焦點(diǎn)是從無(wú)窮遠(yuǎn)處物體出發(fā)的光線經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)后會(huì)聚的點(diǎn)。但這只是概念中的一個(gè)理想點(diǎn)，在現(xiàn)實(shí)世界中，焦點(diǎn)會(huì)存在一定的空間分布，稱(chēng)為彌散圓。這種非理想的焦點(diǎn)通常源于光學(xué)系統(tǒng)的像差（aberration）。

焦距 （Focuslength）

焦距用來(lái)衡量一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)會(huì)聚或發(fā)散光線的能力，常用符號(hào)f表示。

最小對(duì)焦距離 （Minimum Focus Distance）

所有鏡頭都可以對(duì)無(wú)窮遠(yuǎn)處的物體成清晰像，但對(duì)于非?？拷R頭的物體則存在一定的限制，超過(guò)限制后成像開(kāi)始模糊。這個(gè)距離稱(chēng)為最小對(duì)焦距離（minimum focus range / distance）。

當(dāng)鏡頭對(duì)焦良好時(shí)，來(lái)自拍攝對(duì)象（subject）的光線剛好會(huì)聚到sensor感光面，此狀態(tài)稱(chēng)"in focus"，如下圖所示：

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

當(dāng)鏡頭對(duì)焦不良時(shí)稱(chēng)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(chēng)為“front focus”。反之，如果人身后的區(qū)域聚焦最清晰，則稱(chēng)為"back focus"。

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

當(dāng)物體逐漸向鏡頭靠近時(shí)，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?？偟脑瓌t是，物距越大則像距越小，反之亦然。

在相機(jī)和攝像機(jī)中，通常sensor的位置是固定不動(dòng)的，而鏡片可以沿光軸前后移動(dòng)，從而改變像距。因此如果subject在更遠(yuǎn)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(yuǎn)離sensor。

自動(dòng)聚焦（AF）

很多單反相機(jī)、攝影機(jī)都支持自動(dòng)聚焦功能。一般而言，自動(dòng)聚焦的精度往往不如手動(dòng)精細(xì)調(diào)焦的準(zhǔn)確度高，但畢竟自動(dòng)聚焦使用更加方便，所以有一點(diǎn)誤差也不是特別大的問(wèn)題。

自動(dòng)聚焦存在三種對(duì)焦方式，即

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

| PDAF（Phase Detection），通過(guò)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(guò)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(duì)焦

反差對(duì)焦是假設(shè)對(duì)焦成功后相鄰像素點(diǎn)的對(duì)比度最大，這種方式的光學(xué)設(shè)計(jì)是最簡(jiǎn)單的。

光路特點(diǎn)

基于CD 原理實(shí)現(xiàn)的AF 技術(shù)具有一個(gè)顯著的有點(diǎn)，就是光路結(jié)構(gòu)比PDAF 簡(jiǎn)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(jì)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(chēng)為聚焦點(diǎn)（AF points）。CDAF 的算法也可以借用聚焦點(diǎn)的概念，只不過(guò)CD 算法的聚焦點(diǎn)是算法任意指定的，并不對(duì)應(yīng)sensor 上的一些特別物理構(gòu)造，因此也沒(méi)有數(shù)量上的限制。

對(duì)焦原理

CDAF 對(duì)一個(gè)圖像序列進(jìn)行分析，找到對(duì)比度最大的一幀圖，這個(gè)方法也叫做最大值法（maximum-seeking method）。

算法特點(diǎn)

最大值法的優(yōu)缺點(diǎn)都很明顯。其優(yōu)點(diǎn)是僅需要考慮聚焦點(diǎn)附近一個(gè)小區(qū)域的像素，因此計(jì)算壓力比較小，對(duì)于手持應(yīng)用可以節(jié)省功耗。其缺點(diǎn)是需要抓拍多幀圖像。如果只給一幀圖像，CD 算法無(wú)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(yuǎn)，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(wèn)題）。

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PDAF—相位對(duì)焦

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

AF 組件

一些相機(jī)（常見(jiàn)于單反）會(huì)設(shè)計(jì)一個(gè)專(zhuān)用的光路（AF組件）用于檢測(cè)聚焦?fàn)顟B(tài)。典型的光路由一個(gè)分光棱鏡（beam splitter）和兩個(gè)微透鏡（microlens）組成，每個(gè)微透鏡后面會(huì)有一個(gè)專(zhuān)用的AF sensor（包含若干個(gè)像素）用于檢測(cè)像點(diǎn)的精確位置。如果一個(gè)物點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的像點(diǎn)落在分光棱鏡的合適位置上，則像點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)在兩個(gè)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(jī)，以專(zhuān)用AF組件的方式出現(xiàn)。在很多其它應(yīng)用中（如手機(jī)）很難有足夠的空間容納專(zhuān)用AF組件，所以經(jīng)常會(huì)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(jì)成如下所示的AF相位檢測(cè)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(lèi)似。

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DPAF—雙像素自動(dòng)對(duì)焦

Dual Pixel，每個(gè)像素分成兩個(gè)子像素。對(duì)焦時(shí)，兩種像素單獨(dú)輸出，得到A像和B像，通過(guò)A、B之間的距離判斷失焦相位。正式拍攝時(shí)A、B像素合并成一體，輸出一幅圖像。

PD 與DP對(duì)比

PD sensor 方案使用少量像素幫助對(duì)焦，工藝更加簡(jiǎn)單，但是由于信息較少，對(duì)焦所需的時(shí)間會(huì)更久。DP sensor 方案每個(gè)像素都提供對(duì)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(jué)體驗(yàn)而努力。對(duì)焦系統(tǒng)只是相機(jī)拍照的其中一環(huán)，照片質(zhì)量好壞還與相機(jī)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(jìn)的對(duì)焦系統(tǒng)對(duì)于用戶(hù)體驗(yàn)的改善可謂功不可沒(méi)。

審核編輯：劉清