[转自360 图书馆]详细讲解反差式自动对焦与相位检测对焦原理

http://sheying.sioe.cn/qicai/7853_1.html  这个也不错

http://news.imobile.com.cn/articles/2015/0529/154800_3.shtml

http://www.leiphone.com/news/201607/rEHoRnzgCBAydrrs.html  --- 双摄像头的原理  雷锋网

近日富士推出一款F305EXR采用了独特的相位检测自动对焦系统。与单反相机不同，该机将CCD中内置相位侦测像素。这种传感器上的成对相位检测传感器的工作方式与DSLR的传感器相似。

富士对焦专用像素

　　对比检测自动对焦在检测到最大对比度之前不断调整，因而速度较慢，相位检测自动对焦与其不同，它将入射光线分成成对的图像，执行一次相位差计算以确定对焦调整的精确方向和调整量，富士测试自动对焦检测速度最高达约0.158秒。 　　从富士的介绍上我们对两种自动对焦的特点有了初步了解，那么我们看看他们的区别： 　　对比检测自动对焦(反差式对焦) 　　对比检测自动对焦系统的原理是根据焦点处画面的对比度变化，寻找对比度最大时的镜头位置，也就是准确对焦的位置。

对比自动对焦原理(图片源自新摄影)

　　对焦过程：随着对焦镜片开始移动，画面逐渐清晰，对比度开始上升；当画面最清晰，对比度最高时，其实已经处于合焦状态，但相机并不知道，所以会继续移动镜头，当发现对比度开始下降。进一步移动镜片，发现对比度进一步下降，相机知道已经错过焦点；镜片回退至对比度最高的位置，完成对焦。 　　这个过程的重复“确认”就是富士所说的“测到最大对比度之前不断调整” 　　相位检测自动对焦： 　　相位检测对焦比反差对焦多出一些硬件部分。包括一个分离镜头(和线性传感器图像通过分离镜头分离出2个图像，然后通过线性传感器检测出两个图像之间的距离。

相位自动对焦原理(图片源自新摄影)

　　现代相位检测对焦系统中的传感器部分比上面的要复杂很多，一般是组合多个不同方向的线性传感器，形成多方向的反差检测。这些多出硬件部分无疑增加成本，结构也更复杂。

镜头进来的光线，大部份向上反射到五菱镜，再送到观景窗，一部份穿过反光镜，再向下反射送给对焦模块

可以看到反光镜后，向下分光反射给对焦模块的镜片

　　由于对焦过程是在拍摄之前，而且会将原光束进行分离。所以最终到达线性传感器上的光线会变得很弱。所以这种对焦方式对原始光线的要求会比较高。光线不足会很大程度的减弱对焦的成功率和速度。这也是对焦系统有光圈要求以及一些单反相机具备对焦辅助灯的原因。 　　相比反差式的需要来回多次“错过”准确焦点的位置来对焦的方式，相位式对焦在一开始的时候就可以通过相位检测的信号来判断当前的焦点位置是靠前还是靠后。并且准确的告诉镜头驱动模块，应该将镜片向哪个方向移动。而且在准确焦点位置的时候，相位检测系统可以准确的知道当前已经处于合焦状态。不需要再重复来回移动对焦镜片组。所以在速度上会比反差式对焦快很多。 　　简单来说相位侦测对焦更快但是对光线要求较高，对比侦测对焦结构简单、硬件少、光线要求低但会“犹豫”对焦慢。两者各有其优势。 　　由于富士Super CCD EXR采用内置相位检测像素，这就是相当于将单反中独立的线性传感器(专用对焦)集成到用来成像的主传感器上，传感器同时具备对比检测和相位检测自动对焦功能。

富士对焦像素工作原理

　　这两种对焦方式之间智能选择。在大多数场景，尤其是昏暗的场景下，传统的对比检测自动对焦能够拍摄出漂亮的效果，但在拍摄高对比度对象或使用长变焦时较难对焦。该系统可以瞬间切换到相位检测自动对焦，快速精确地拍摄这些场景。富士抓住两种对焦方式对光线要求的差异，择优使用，同时由于集成的原因，结构简单、硬件也减少，可谓各展所长。 　　然而富士这一突破是具有深远意义的，就小编所知，这种在图像传感器上集成专用对焦像素的做法并非富士一家。 　　(一)索尼专利 　　据国外媒体爆料，索尼有一专利与富士思路相同，也是在主图像传感器上做相位侦测对焦。

索尼专利反光镜抬起图像传感器直接对焦

索尼对焦像素排布

　　索尼为了克服没有分光器， 将感光组件上的"对焦点区域"设计一排专用的对焦像素，这排像素是由A，B两组像素组成，交错排列， 如果我们单看A 与单看B， 可以将这条对焦像素视为两条独立的线性传感器， 与单反中的AF线形传感器一样， A与B接收同来自一光源的光。 　　要让A，B两组传感器分别接收到来自镜头不同方向的光，索尼在对焦用像素上设计两层交错的光栅遮光，让所有A像素和B像素只能接受一个方向的光，这样就起到单反相位对焦系统中分离镜头的作用。 　　(二)尼康专利 　　无独有偶，国外媒体09年8月曝光尼康一个专利，与索尼相似，也是要在图像传感器上做文章，增加用于对焦的像素。

尼康第一种对焦像素排布

　　专利中对焦像素是在传感器里面相关位置(对焦区域)插入一些专门用来对焦的像素。虽然这样会导致一些马赛克像素数据合成错误，但专利说这些错误不会容易被人眼容易观察。

　　这是第一种对焦像素的结构，表面没有马赛克彩色滤镜，形状为上下半圆形，这样可以产生对焦误差信号。实际上与单反相机的相位差传感器结构类似，优点是对焦速度大大提高。

　　另外一种结构，两个水平条，以及对焦像素结构。 　　(三)佳能专利 　　索尼、尼康都有专利在手，佳能自然也不甘落后，今年7月国外媒体爆出佳能也有类似专利技术。 　　佳能专利相机信息(USPTO App. No.12/664，529 )中可能将会在主要图像传感器的单个像素感光点上，加入更快的相位差侦测式自动对焦系统。对焦侦测识别感光像素用于图像传感器上后，针对视频拍摄能力将有所提高。

佳能专利

　　将用于AF传感器塞进图像传感器里的思路，几家公司想到一处绝非偶然，这种更高集成化的想法，符合未来趋势，尼康和索尼把水平感应点和垂直感应点排列成线状，而佳能是把水平和垂直感应点各一个为一组，平均分散在感光组件上，虽然办法稍有差异，但殊途同归。 　　前文为何说富士改突破时具有深远意义的呢？四家公司中，仅有富士将专利变成实物产品，而其他三家还处于纸面上。但这说明相机厂商尤其几位巨头已经看到这种设计的发展前景。 　　尼康和佳能目前都有研发单电相机(EVIL)的风声，而AF系统恰恰是单电一大软肋，目前的单电相机都是对比检测自动对焦系统，前文已经介绍过这种对焦的问题，那么要想让单电在对焦上突破，还不必效仿单反复杂结构，办法只能在图像传感器上做做文章，二合一的做法也就成了必然。 　　这种创新不仅仅对主要使用对比检测自动对焦系统的便携DC、单电相机有好处，而且现在不少单反相机具备了实时取景和视频拍摄能力，在拍摄视频(或实时取景)时，单反同样使用对比侦测对焦，对焦慢，成为目前单反实时取景、视频拍摄一大诟病。 　　索尼曾设计用另一块传感器来替代主图像传感器完成实时取景，该传感器设计到五面镜当中，这样就不在用主图像传感器反光镜会碍事的问题，这样通过反光镜反射，有这块专用传感器实时取景，对焦上仍然使用单反原有的相位对焦系统，这也就是为何索尼这种设计的相机实时取景情况下对焦速度快的原因。

　　不过，这种方式并不是真正最终成像的传感器来实时取景。所见并非百分百所得，两者不能完全划等号。由于这种设计依仗五面镜中活动镜片改变光路，也就是说只能使用空腔五面镜，而不能使用实心的五棱镜。五棱镜的反射率高，光路中光线损失少，取景视野更为明亮清晰等好处就要舍弃，也就是说为了实时取景快速AF，只能忍受光学取景器素质下降。 　　所以富士该做法是治根的，单反的图像传感器可以相位侦测对焦，那么实时取景对焦拍摄、视频短片AF都迎刃而解。因为是图像传感器的一次变革，对整个数码相机家族都是有大大的好处，尤其对正在兴起的单电相机，无疑是一剂强心剂。 　　对于这种集成设计还存在一些问题。成像时这些“插班生”并不参与成像，马赛克合成会出现问题， 这种画质上的补偿如何来做？这些对焦像素如何安排位置保证精度同时将画质影像降到最小？对焦像素增加另一个角度来看就是在将少参与成像的像素数量，如何来保障画质也是一个问题，包括前文提到富士新品有待实际测试来验证。当然最理想的是这些像素个个都是全能的，既能够成像也能够对焦，不过这有待未来技术的突破

 

反差式对焦浅析:

反差式对焦在最近几年获得了重大的技术性突破，它已经实现了又快又准的对焦性能，而这种对焦方式是建立在相对低廉的物理成本之上，因此，它对相机行业的促进意义是非同一般的，我们有必要更加深入的了解一下。

反差式对焦的优点

• 物理成本低 利用感光器配合图像处理器完成，不是单独的子系统，不占用独立的空间 对焦精度高

对焦原理和过程

 

国外有个关于反差式对焦的GIF演示动画，我们借用来并稍微整理了一下，通过这张图，可以了解到反差式对焦的基础原理。

 

为了说明对焦点位置和影像清晰度的关系，我们又补充了一张图。使用F1-F8来表示8个不同的焦点位置与被摄物体影像清晰度的关系。

有了这两张图，我们就可以将反差式对焦大致过程简单描述：

• 驱动镜头，沿着指向被摄物的轴线改变对焦点，并在每个对焦点上获取影像，类似于逐点扫描 先将每一个焦点上获得的影像数字化，数字化后的影像实际是一个整数矩阵，这个概念我们在《数字图像入门》中提过多次了 求出图像的反差值，其实就是简单的数值比较运算，求最大值和最小值的值差。 将每一个焦点上得到的反差值进行比较，得到最大值 驱动镜头，将焦点放置于反差值最大的焦点上，即得到正确的焦点，即对焦完成

这其实就是一个非常简单的求最大值过程，没有什么秘密可言，用程序实现也是非常简单的事情，而且对处理器性能要求也不是很高，但为什么各家不同的反差式对焦性能差异那么大呢？

采样帧率

比较数据非常简单，但获得密集的数据源却不是那么简单。这需要感光器的直接支持。在众多相机厂商炫耀参数时，有一个参数很却总是遮遮掩掩不愿公开，那就是感光器的实时采样帧率。目前愿意公开该数据的只有松下，松下宣称，其感光器可以实现120FPS的采样帧率。这个120FPS不是指的它可以完成每秒120帧静态图像的拍摄，也不是指的其可以实现120FPS的视频拍摄，而是感光器将实时采样传给图像处理器的帧率，这些采样数据可以用于对焦、白平衡、测光等。

 

松下称GX1对焦速度为0.09秒，很简单的推算，即约11帧可以完成一次对焦，如果算法完全相同的情况下，而采样帧率只有60FPS，则对焦速度将降低为0.18秒，30FPS的话，对焦速度更慢至0.36秒，这就是采样帧率对对焦效率的影响。

镜头也对对焦产生重要影响，松下也提及了镜头的帧率，同样也是用FPS这个帧率单位表达，最新的镜头，可以实现120FPS的对焦性能，这是什么意思呢？其实是指的镜头的驱动频率，其完整的表达意思为，该镜头可以每秒钟被驱动120次，即焦点可以更改120次。只有镜头帧率大于等于感光器帧率时，感光器每一帧才能算得上是新的采样。

算法的影响

有了密集的高频率数据源，不等于对焦速度会有绝对的提升，还需要良好的算法支持，前些时候，索尼发布了NEX-5N的对焦性能升级固件，升级完成后，硬件还是那些硬件，但对焦速度在某些场景中确实变快了一点。这又是如何实现的呢？根源在算法。

反差式对焦的过程会对焦点进行一次甚至多次前后扫描，如果扫描点是沿着轴线均匀分布，那么对焦效率是最低的。还是用前面的图作为演示，该例中，使用了8帧得到了焦点。如果在F1时，发现反差值较低，直接跳过F2到F3，会侦测到反差值得到了迅速提高，此时再缩小“跳跃距离”进入到F4、F5，这样一来就节省了一帧，速度自然就加快了。当进入到F6、F7时，会发现反差值在下降，此时可以判断为已经越过正确的焦点，从而停止进入F8的动作，这样整个过程节省了2帧，速度可以提升25%。这就是算法对速度的影响。

当然，这只是纸上谈兵，实际应用中，情况会更复杂，但基本宗旨是，以最少的采样次数来完成对焦。本文只是举例强调算法对效率的影响。

步进马达的镜头

反差式对焦的过程中，会驱动镜头搜寻焦点，这种工作模式，使得基于步进马达的镜头大有用武之地。步进马达是利用脉冲信号来完成指令控制，其控制精度很理想。两者结合能产生一个比较令人满意的配合，目前大部分微单镜头是采用的步进马达驱动。

现状

反差式对焦的优点，很多厂商都看到了，尤其对成本的节省是有目共睹的，但真正实现高性能的对焦的厂商却屈指可数。实现高性能，背后的开发工作非常巨大，是个系统工程，需要对感光器、图像处理器进行全面更新，需要新的镜头设计，更需要优秀的算法的支持，优秀算法的形成也需要长期的积累，反差式对焦也就是在不久前才解决暗部对焦的速度问题。目前来说，大部分反差式对焦的相机机型还是存在对焦速度慢或暗部对焦性能下降的缺点。真正全面普及高性能的反差式对焦还需时日，一旦普及，行业生态或许就此改变。

 

下面是一篇比较高端文章: http://ask.zealer.com/post/149

 

什么是相位对焦和反差对焦，他们之间有何不同？  

看网上资料说S5相机的COMS支持相位对焦，请详解一下相位对焦和反差对焦的原理，以及他们之间有何不同或优缺点？

 

 

对焦的过程就是通过移动镜片来使对焦区域的图像达到最清晰的过程

       首先要明白一个概念，图像的清晰度最好的时候是对比度最大的时候同时也是像差最小的时候，反差对焦就是通过找对焦区域对比度最大的点作为对焦准确的点，而相位对焦则是找对焦区域相差最小的点作为对焦准确的点（关于像差可以看看“镜组对成像解析力有什么影响？”这个问题，我有稍作解释）

      另外一点，反差对焦和相位对焦都只是对焦系统的一部分，只是用来找镜片在对焦过程中的最佳位置，而镜片是怎么移动的不在本问题的范畴之内

       反差对焦，是通过找对焦区域对比度最大的点作为对焦准确的点，但是不同对焦区域的对比度的大小并不是固定的，系统也不知道对比度什么时候最大，所以需要来回去移动镜片来寻找（下图是引用的GIF动画，请单独点开看）：

 

       而相位对焦，是通过寻找像差最小的点；物体的某一个点会从各个方向发出光线通过镜片成像到snesor上面去，只有当不同方向的光线成像落到sensor的同一个位置的时候才是像差最小的时候：

       上图中，紫色是物体的一个点，黄色是sensor即成像面，1号蓝色镜片离sensor太远，上下两条光线所成的像没有重合；2号蓝色镜片和snesor的距离合适，上下两条光线所成的像重合了没有相差，所以对焦成功；3、4号蓝色镜片离sensor的距离太近了，上下两条光线所成的像没有重合，但是和1号不同的是相差的方向是不一样的

       相位对焦通过额外的装置或者特殊的像素点判断成像相差的情况（上图用红色和绿色表示），从而可以知道镜片该怎么移动，该往哪个方向移动该移动多远都可以知道，所以对焦的时候就不需要盲目的来回去移动镜片了

 

     
 通过以上的了解，我们知道了两种对焦方式的区别了，简单来说相位对焦快、反差对焦慢，但是相位对焦实现复杂需要额外的相位检测装置或者对sensor的pixel进行重新设计，并且对光线的要求比较高，而反差对焦则实现较简单，只需要通过算法去判断对比度就行了，并且对光线的要求不是那么高

       目前来说，只要使用了相位对焦都会保留反差对焦进行补充，所以叫做混合对焦

       最近，iPhone6的camera就采用了混合对焦的方式，实现方式是采用了sony重新设计的sensor，在sensor的pixel中加入了一些特殊的用来检测相位的focus pixel，极大的加快了对焦的速度；相信在apple的推动下，相位对焦技术会很快在各大家的旗舰智能机当中普及

       在之前，相位对焦只应用在高端数码相机以及单反当中，现在被apple和samsung带入手机的camera，是手机camera的又一极大的技术提升，让手机在摄影当中扮演越来越重要的角色了

我们知道，相机的对焦方式一般有两种：

 

　　一种是反差对焦，就是利用焦内焦外的对比度反差实现对焦，所以我们用一般的智能手机拍照的时候，最好是点击物体的边界，或则颜色交汇处，总之就是有画面反差的地方，如果是黑色，你没有反差，基本上是很难对焦的。它的优点是对光线不挑剔，缺点是对焦速度没有相位对焦那么快。

 

　　而相位对焦，是通过计算对焦点的相位，来完成对焦。它的优点是对焦速度极快，但是缺点是对光线和目标比较挑剔。

 

目前手机对焦分反差式对焦、相位对焦以及激光对焦三种。反差式对焦又叫对比度对焦，是利用感光元器件不断采集画面，不断尝试，以获取最佳的画质。比如，景物在1.5米外，手机的摄像头则从1米到更远的范围内移动，判断出哪一帧的图像最清晰，以确定对焦的位置。

相位对焦，手机在对焦时大概知道物体离手机的大概位置、距离，此时手机的摄像头不再做移动尝试，而是基本上能够定在对焦的位置上，然后再利用反差式对焦来进行更精确的调节，从而很快地找到最佳的对焦点。

激光对焦，手机发射红外线碰及拍摄物体后反射，像LG G4迅速确定距离，以缩短对焦的时间.事实上，目前大部分手机都还只支持反差式对焦，在此基础上才逐渐使用相位对焦和激光对焦。“你可以理解为，反差式对焦是基础，相位对焦和激光对焦只是它的辅助功能，
在不同的拍照场景下提供更佳的画质。”
成像的好坏除了对焦外，还有传感器尺寸、镜头、光圈以及软件算法等因素综合决定，更重要的是构图和对光与影的搭配。 手机要拍出专业摄影师的效果，要起早贪黑，因为此时光线柔和，光与影表现最佳。
事实上，如果拍照环境明亮，物体轮廓明显，色彩对比清晰，即便手动对焦，不管哪种对焦方式对焦都很快，拍出的照片也都不错。但如果在拍摄过程中，需要远景和近景不断切换镜头变换焦点，则需要加入了相位对焦。在拍摄时画面可以一直保持较稳定的水平，而单纯只支持反差式对焦的手机，
画面就会变得模糊——因为手机要反复寻找焦点

有玩家表示，相位对焦对拍照时光线的要求就比较高，如果是在弱光下，手机可能自动切换普通的反差式对焦模式。换言之，手机进光量不足，手机的相位对焦就可能不起作用，转换为反差式对焦。如果是在黑暗的夜景色，或者光线不足的房间，无论是反差式对焦还是相位对焦，都不给力。
此时，需要激光对焦上场了，因为激光对焦对环境光要求较低，暗光下表现更给力。“反差式对焦在拍照场景好的情形下表现不错，如果遇到前后景切换频繁的时候，相位对焦就体现优势，在暗光下拍静物，激光对焦擅长。”相位对焦和激光对焦，可以帮助反差式对焦更好地拍出优秀的画质来。
正常物距下，LG G4所采用的激光对焦速度不如S6相位对焦快，虽然说差距只能以毫秒记，但G4明显会感觉到停顿后对焦点才出现，与动作迅速且完全不动声色的S6有所差距。到了微距对焦时，激光对焦的优势就表现出来了。相反S6应该是启用了反差对焦模式，可以看到画面有伸缩的动作。
而在极端的暗光条件下，S6面对近处的物体完全无法对焦，中等物距下激活的反差对焦也有很大的“犹豫”，速度一落千丈。反观LG G4，虽然速度也被严重拖慢，但最终完成对焦却没有问题。狗屁不懂，激光对焦只是提供一个辅助光源而已，根本就不是独立的对焦方式。

相位对焦，英文为：“Phase Detection Auto Focus”，简称：PDAF。字面意思就是“相位检测自动对焦”。需要指出的是，相位对焦技术在数码相机领域应用已经十分成熟，在智能手机领域则仍处于起步阶段。
反差对焦的原理是根据焦点处画面的对比度变化，寻找对比度最大时的镜头位置，也就是准确对焦的位置。

相位对焦相比反差对焦，行程缩短速度加快
再来说说相位对焦，它的原理是在感光元件上预留出一些遮蔽像素点，专门用来进行相位检测，通过像素之间的距离及其变化等来决定对焦的偏移值从而实现准确对焦。
相比反差对焦，相位对焦不需要镜头的反复移动，对焦行程短了很多，对焦过程干净不犹豫。但另一方面，由于需要利用CMOS上的遮蔽像素点进行相位检测，故此相位对焦对光线强度的要求比较高。

相位式优点：
只需要计算一次就完成对焦，对焦速度极快，并且降低处理器计算负担。
相位式缺点：
在弱光环境下容易对不上焦

说到相位对焦技术其实早在2014年初发布的三星S5上就已经得到应用，只不过当时三星似乎并没有把它当成一个概念加以炒作，而只是简单地称其“大幅提高了对焦速度”。下半年发布的苹果iPhone 6将其称为Focus Pixels，基本上也是同一个意思。