概述

拍摄图像时，遇到图像模糊的情况，一般情况下是对焦异常导致的，就是“失焦”，一般手机或单反都具备“自动对焦”的功能，以保证图片有清晰的质量。
自动对焦（Auto Focus，简称AF）是一个复杂的光电一体化过程，具体介绍看维基百科，主要可以实现三个功能：一是自动判断所拍摄的主体，二是测量被摄主体与相机感光元器件之间的距离，三是驱动马达将镜头的对焦装置推到与之相应的距离刻度。
自动对焦按照是否主动测量合焦距离分为以下两种：
（1）主动式：激光对焦、TOF对焦等

  • 优势：低反差、弱光线、细线条、运动物体
  • 劣势：当被摄物体能吸收光波时、光波被玻璃反射等场景不能对焦到正确物体上。

（2）被动式：相位对焦、反差对焦等

  • 优势：自身无发射系统，耗能少，小型化、逆光场景等
  • 劣势：细线条、弱光下、偏光物体、运动物体

原理

1. 反差对焦（CDAF）

  • 概念：反差对焦（Contrast Detection Auto Focus，简称CDAF），又称对比度对焦，是目前普及率最高、使用最广泛、成本相对较低的自动对焦技术。
  • 原理和过程：反差对焦是一个反复迭代逐渐收敛的过程，即一个简单的求最大值的过程，反差对焦类似手动调焦的过程：模糊-清晰-模糊，然后逐渐平衡到一个最清晰的位置(计算反差度—>移动镜头、比较反差度—>直到反差度最大)。
    对焦步骤
    （1）未合焦状态：此时图像处于虚焦状态
    （2）对焦开始状态：镜头开始移动，画面逐渐清晰，对比度开始上升
    （3）合焦状态：对比度最高，画面最清晰，继续移动镜头
    （4）继续移动镜头发现对比度开始下降，错过焦点
    （5）镜头回退至对比度最高的位置，完成对焦
  • 优点：
    （1）物理成本低
    （2）无单独的子系统，不占用独立的空间
    （3）对焦精度高
  • 缺点：
    对焦耗时会比较长，在纯色或者反差不明显的场景，对焦时间过长或精度低
  • 难点：反差对焦处理方式很简单，而且对处理器性能要求也不高，那为什么不同相机的反差对焦的效果差异那么大呢？
    反差对焦要不断的筛选，需要以下两个条件：一是降低序列图像的规模，减小对比次数；另一个是更加快速密集的数据源，让数据提供变得更快。
    影响性能的因素如下：
    （1）感光器的采样帧率：采样帧率，也称为实时刷新率，这是反差对焦性能不佳的关键原因。
    （2）镜头的采样帧率：镜头也有采样帧率的概念，一般也用FPS表示。步进马达和镜头的协调工作更好地提高反差对焦性能。
    （3）算法优劣的影响：有了密集的高频数据源，不等于对焦速度会有绝对提升，还需要良好的算法支持。

2. 相位对焦（PDAF）

  • 概念：相位对焦（Phase Detection Auto Focus，简称PDAF），全称是“相位检测自动对焦”
  • 原理和过程：在整体相位检测焦点位置之后，镜头驱动模块会将镜片组进行移动合焦，因此耗时更少。
    PDAF sensor的一种实现如下，在CMOS上面一半的位置加了金属遮盖，从像素传感器上找出成对像素点，通过相位差检测，找出准确的对焦点，马达一次将镜片推动到相应位置完成对焦。
  • 优点：一半计算一次即可完成对焦，马达移动距离更短。
  • 缺点：专用PDAF sensor，暗环境效果差。

3. 激光对焦（LDAF）

  • 概念：激光对焦（Laser Detection Auto Focus，简称LDAF），也称为测距式对焦。
  • 原理和过程：激光对焦是通过单独的红外激光传感器向被摄物体发射低功率红外激光，经过反射后被传感器接收，在计算出被摄物体之间的距离之后，对焦马达便会将镜片组驱动到相应位置完成对焦。
  • 优点：暗环境、文理不明显的纯色区域
  • 缺点：对焦距离有限，距离远的主体对焦效果差

TOF对焦是一种激光对焦方法，TOF是飞行时间（Time of Flight）技术的缩写，即传感器发射红外光，经被摄物体反射后，传感器通过计算光线发射和反射时间差或相位差，来换算被拍摄景物的距离。
TOF对焦通过TOF传感器的自动对焦系统，检测物体与相机之间的距离来进行对焦

优点：计算一次即可完成对焦，降低处理器计算负担，降低了背景光的干扰。
缺点：物理器件性能要求很高，时间测量精度要求高