PDAF（相位檢測自動對焦）原理
了解PDAF，首先需要了解當今數碼相機的工作原理，這里以單反為例進行介紹：
數碼單反相機（DSLR）的工作原理
DSLR(digital single-lens reflex camera)，數碼單鏡頭反光相機，也就是我們常稱的單反相機。屬于數碼靜態(tài)相機（Digital Still Camera，DSC）與單反相機（SLR）的交集。
單反相機與其它數碼相機的主要區(qū)別是反射設計方案。在單反相機中，光線穿過鏡頭，然后傳到鏡子，該鏡交替將圖像發(fā)送到取景器或圖像傳感器。DSLR相機使用光學取景器，通過透過視覺反射器觀察被拍攝物體，用戶可以更好地預測最終照片的成像效果。這種取景方式比其他類型的相機使用的電子取景器或屏幕取景器更加準確和可靠，通過使用一個鏡頭，DSLR 的取景器顯示的圖像與相機傳感器捕獲的圖像沒有顯著差異。光學取景器的使用也意味著用戶可以通過鏡頭看到物體的真實大小和形狀，從而更容易地調整拍攝位置和角度。其內部結構如下圖所示：
攝影師可以在拍攝圖像前通過鏡子看到被攝體。 拍攝圖像時，反射鏡會向上擺動，光線會轉到感光元件。各部分分別為：
- 光線
- 主鏡/反光鏡
- 副鏡
- 焦平面快門和感光元件
- 用于調整主鏡的偏心銷（1.5mm 六角）
- 用于調整副鏡的偏心銷（1.5mm 六角）
- 相位檢測傳感器（自動對焦傳感器）
- 五棱鏡/五面鏡
- 取景器
傳統(tǒng)結構上，單反相機上有一小塊磨砂玻璃（現在一般使用光學塑料）5，叫對焦屏。它位于單反相機的反光鏡上方，顯示焦平面的圖像，是單反類型照相機的獨有零件。
對焦屏在光路中截斷了光線，因為反射和散射減少了亮度，但它存在的意義主要不是取景，而是對焦。在與光電傳感器近似等距離的位置，磨砂屏上的成像與傳感器上的成像基本一致。包括畫面構圖、焦點、景深等，如果沒有這個對焦屏，取景窗內仍然可以看到鏡頭傳送的畫面，而由于人眼的自動對焦，使畫面始終清晰，無法判斷照相機感光傳感器的清晰程度。
磨砂屏會起到這個效果，是因為浴簾效應。大眾經常聽到的“浴簾效應”是物理學上的，浴室里淋浴時，懸掛的浴簾總會向內卷起，甚至貼到人身上。在光學上還有另外一個“浴簾效應”。
學術上會有很復雜的研究，簡而言之，就是**磨砂幕越靠近物體，透光越明顯。**這才是磨砂屏本身的成像原理。
在對焦屏這個位置上對焦，對于沒有自動對焦的傳統(tǒng)單反具有重要的意義，因此廠商開發(fā)了磨砂屏、精細磨砂屏、微棱屏、裂像屏、雙裂像屏，還有磨砂、微棱、裂像復合屏等。更有復合了菲涅耳透鏡的對焦屏。成為單反相機獨有而不可或缺的組成部分。
另外，隨著時代發(fā)展，現在無反相機也逐漸占據了一席之地，可以更換鏡頭的無反相機就是我們常叫的微單相機。單反相機和無反相機的區(qū)別在于機身構造和大小，無反相機取消了反光鏡和光學取景器，采用電子取景器，機身更輕便緊湊，更適合愛好者和旅行攝影師。除此之外，在感光元件規(guī)格相近、鏡頭素質相當的情況下，無反相機和單反相機在畫質表現方面并沒有顯著差別。
反差檢測自動對焦（CDAF）
CDAF對焦原理
說到自動對焦，首先需要介紹的是經典的反差檢測自動對焦，也叫對比度檢測自動對焦，英文Contrast Detection Auto Focus。因為對比度對視覺效果非常關鍵，反差對焦被廣泛應用于傳統(tǒng)的攝像系統(tǒng)中。它通過對比鏡頭傳感器傳來的對比度反差來進行對焦。
我們知道，一般來說，對比度越大，圖像越清晰醒目，色彩也越鮮明艷麗。當鏡頭逐漸合焦時，傳感器得到的相鄰像素間的對比度會越來越高，圖像也就會越來越清晰。所以當我們找到整個圖片對比度最高的時候，鏡頭所處的位置也就找到了準確的對焦點。這一過程如下圖所示：
在對焦調節(jié)范圍內，每一個調焦位置都會對應一個銳度值，也就是聚焦值。這些聚焦值形成一曲線，通常稱為聚焦曲線。銳度值通過銳度評價函數計算獲得，銳度評價函數有時也稱為聚焦函數。一個良好的銳度評價函數對應的聚焦曲線應該是一個如圖所示的單峰曲線，并且曲線峰值對應的調焦位置即為準確聚焦的位置。
CDAF實現過程
CDAF的流程如下圖所示。當CDAF觸發(fā)后，系統(tǒng)對當前的實際圖像進行聚焦值計算，并結合前面的聚焦值數據綜合判別當前聚焦值是否是聚焦曲線峰值。如果判定是聚焦峰值，則聚焦結束；否則，結合相關信息確定下一步調焦的移動方向和大小，驅動調焦步進電動機作相應的移動，對新的圖像再次進行同樣的步驟以此形成一個反饋控制環(huán)路。由此可見，對比度檢測聚焦的關鍵因素有兩點:① 銳度評價函數:② 峰值判定和搜索策略
相位檢測自動對焦（PDAF）
PDAF對焦原理
相位檢測自動對焦，英文Phase Detection Auto Focus。該系統(tǒng)的工作原理與測距儀相機類似。從副鏡反射回來的光被2個或多個上面帶有微透鏡的小型圖像傳感器（取決于自動對焦系統(tǒng)有多少個焦點）接收。如上圖7所示，對于每個焦點，有兩個位于兩側的相位差傳感器，兩個單獨的光束經過反射到達兩個單獨的傳感器。
事實上，現代相位檢測設備上的傳感器數量遠不止兩個，而且這些傳感器彼此非?？拷?。**當光線到達這兩個傳感器時，如果物體處于對焦狀態(tài)，則來自鏡頭最兩側的光線會聚在每個傳感器的中心（就像它們在圖像傳感器上一樣）。 ** 兩個傳感器上都會有相同的圖像，表明該物體確實處于完美對焦狀態(tài)。如果物體沒有聚焦，光線將不再會聚，并且會照射到傳感器的不同側面，如下圖所示（圖片由維基百科提供）：
圖 1 至 4 表示鏡頭聚焦的情況分別為： (1) 太近，(2) 正確，(3) 太遠，(4) 太遠。從圖中可以看出，兩個曲線之間的相位差不僅可以用來確定在焦平面的哪個方向上，還可以用來確定改變焦點的程度，以實現最佳聚焦。但有一點需要注意，這只是檢測傳感器，實際上最終移動對焦的是鏡頭而不是傳感器。
下面圖片也顯示了相位差產生過程：(a)現實世界中的一個物體；(b)配置了適當遮罩的左側（上）和右側（下）的相位傳感器；?獲取到的左側（上）和右側（下）相位圖像。
PDAF實現過程
由于PDAF系統(tǒng)知道一個物體是前聚焦還是后聚焦，它可以向相機鏡頭發(fā)送準確的運動指令，說明以何種方式轉動焦點以及轉動多少。以下是當相機獲得對主體進行對焦（閉環(huán)自動對焦操作）的命令時會發(fā)生的情況：
因為這一切都在很短的時間內發(fā)生，所以這就是PDAF比CDAF快得多的原因（CDAF由于依賴來回改變焦點直到達到焦點，需要基于大量圖像數據進行分析）。
目前比較流行的是片上相差自動對焦（on chip phase detection autofocus），在生產sensor的時候，把某些用于相位檢測像素遮住左邊一半或者右邊一半，如下圖：
上圖只是示意圖，各個廠商的半掩模的工藝各有不同，在對IR filter或者microlens的處理上也不相同，但是基本的原理都是讓圖像形成左右兩幅類似人眼的不同光學通路的圖像。這樣左右側的相位檢測像素就會產生這樣的圖像：
目前主要工藝
目前PDAF的生產處理方式主要有三種，分別是：
- shield pixel
- 2*1 PD
- dual PD
-
shield pixel
屏蔽掉像素一般的感光區(qū)域（黑色部分），只獲得一半信號。需要另外的像素屏蔽掉另一半信號，得到完整的相位差信息。SP越多，對焦越快，但信號損失越嚴重，目前SP密度控制在1%~3%。
-
super PD
將相鄰的像素共用一個on chip microlens得到相位差信息，一般在Green上處理。同樣的，二合一的PD越多，對焦越快，但信號損失越嚴重，目前密度也控制在1%~3%
-
dual PD
將同一個像素底部的感光區(qū)域（即光電二極管）一分為二，在同一個像素內即可完成相位信 息捕獲。dual PD 也有叫 2PD、全像素雙核對焦，這種像素覆蓋率100%，所以對焦體驗最佳。但由于將光電二極管一分為二，井口變小，FWC急劇衰減，dynamic range衰減嚴重，拍照非常容易過曝。
下面以SP為例再實際解釋一下。（圖一）為Sony感光元件有放置對焦使用像素示意圖，CMOS感光元件的相位像素會接收到左右不同的光波信息，進而判斷出遠近距離產生相位差，Sony感光元件上的"對焦點區(qū)域"設計一排專用的對焦像素。像素是由L、R兩組像素交錯排列組成的。如果單看L和單看R，可以將這條對焦像素視為兩條獨立的感應器，L和R接收同來自一光源的光。
Sony的做法是在對焦用像素上設計兩層交錯的光罩遮光（圖二、三），讓所有L像素只能接收到來自左邊的光，R像素只能接收到右邊的光。這樣一來，L和R兩組對焦像素就能接收同一光源不同方向的光。
如（圖二）黃色光線所示，光罩遮住一半的入射光源，造成此相位像素僅能接收到左半邊的光源信息。（圖三）黃色光線因光罩遮住一半的入射光源，造成此相位像素僅能接收到右半邊的光源信息。
因此，CMOS將兩個感應器的信號進行比較，這兩個成像間的距離就是所謂的“相位差”。既然“相位差”與“光源和焦點的距離”有這層關系，便可參考當前的相位差來驅動對焦馬達，使得對焦可以快速完成。
其它對焦方式
激光對焦
相信大家一定聽說過，在工業(yè)建筑和測繪領域，工人們都會使用激光技術來確定高度或水平距離。LGG3首次將該技術應用在了手機對焦上，隨后2015年，魅族將這項技術應用在了自家MX5上，使之成為了國內第一款應用激光輔助對焦的機型。
魅族MX5的激光對焦原理是：通過背面的微型發(fā)射器可以發(fā)射出低強度脈沖激光，然后通過相機左側的紅外傳感器將反彈折射回來的信號進行回收，從而實現對焦的目的。
每個紅外脈沖光束經過電子測量器多次反復計算反射時間，從而建立一個精確的范圍。ISP 接收器可以計算出具體的物體或場景究竟有多遠，同時鎖定在最適合的焦點景深。而這一切看起來雖然復雜，但是實際上只發(fā)生在幾分之一秒內，幾乎感覺不到過程。根據魅族官方表示，MX5的對焦時間只有 0.2 秒左右。
紅外對焦
在最后說這項技術，是因為整個紅外對焦技術只被聯想的VIBE SHOT實際應用了，但是因為這項技術可實用型不高，并且故障頻出，所以幾乎沒有廠商愿意跟進，最后只能放棄?；旧?，Vibe Shot 的紅外自動對焦可以說是魅族MX5激光對焦的另外一個版本，但這項技術讓 Vibe Shot比普通的自動對焦技術快上2 倍。
總結
目前，PDAF主要應用于高端數碼相機和智能手機上。它通過將像素分為左、右兩組，接收不同方向的光線信息，并通過比較兩個成像之間的相位差來確定焦點位置。PDAF的優(yōu)點是快速對焦、適用于低光環(huán)境，但它需要特殊的硬件支持，且對鏡頭質量和設計有一定要求。
CDAF則主要應用于入門級數碼相機和相機模塊化智能手機上。它通過計算成像中相鄰像素之間的對比度來確定焦點位置。CDAF的優(yōu)點是適用于各種類型的鏡頭和成像情況，但它對光線和對比度的要求比較高，且在低光環(huán)境下對焦速度較慢。
事實上，除了前面的提到的一些對焦技術外，部分廠商將這些對焦技術混合在一起，取長補短。在這些廠商中，我覺得做的最好的應該是PRO6 Pus。這臺機子將PDAF對焦、激光輔助對焦和反差對焦混合在一起，大大提高了不同場景的對焦成功率，也同時增強了相機成片的觀感。
參考文獻
[1]: Digital single-lens reflex camera
[2]: 單反、無反、微單 相機的選擇？
[3]: 反光鏡和對焦屏(單反屏幕對焦)
[4]: How Phase Detection Autofocus Works
[5]: 片上相差式自動對焦原理
[6]: 攝像頭模組 PDAF對焦(Phase Detection Auto Focus)
[7]: 相位對焦（Phase Detection） 資料整理
[8]: 《計算攝影學基礎》
[9]: 《Sensor-Based Auto-Focusing System Using Multi-Scale Feature Extraction and Phase Correlation Matching》
[10]: PDAF 相位對焦文章來源：http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-440981.html
[11]: 手機拍照知識科普：PDAF對焦與激光對焦的區(qū)別文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-440981.html
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