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[行业知识]摄像头PDAF与传统反差式对焦是什么鬼?

 初见Alex 2017-12-05


  众所周知,iPhone6采用了相位对焦方式,大大提升了手机的对焦速度;而LG则采用了激光对焦方式,通过在手机镜头旁加装激光对焦辅助设备而做的提升手机AF速度和性能。相位对焦和传统反差对焦各有优劣,到底是何造成的呢?


OPPO R7 PDAF采用的三星ISOCELL的镜头


相位对焦为什么有更快的对焦速度?

相位检测对焦比反差对焦多出一些硬件部分。包括两个位置不同的分离透镜,将通过镜头的光一分为二,在传感器上形成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。那么得到两个波形,如果两个波形的距离是 L,说明合焦;如果距离大于 L,那么就在焦前,小于 L,就是焦后。这种方法可以直接计算出镜片需要移动的距离,和镜片需要朝哪个方向移动,所以相位检测对焦的对焦速度十分迅速。







  OPPO R7在对焦上采用了独家的“PDAF相位对焦”,这种全新的对焦方式在硬件采用了相位对焦加中置式马达的方式,将对焦时负责对焦前后移动的镜片放置于镜头中央位置,加上相位对焦的优势,进一步提升手机对焦的速度,同时也让手机获得稳定的成像质量。




相位对焦示意图


中置式马达则在原本就非常迅速的对焦过程上,又增加了辅助工程:即把对焦用的镜片和马达都放到了整个摄像头的中部,由于相比普通对焦,PDAF相位对焦不需要通过移动马达来检测焦点距离,所以将马达放置在中间之后,可以极大的减少马达移动的距离,相当于如果将马达放到底部,那么通过相位对焦检测到焦点的最远距离的话,那么马达推动镜片还是移动了全程,如果将马达放在中间的话,不论是相位对焦检测到焦点的最远距离还是最近距离,马达推动镜片移动的位置最多也仅有整个镜头模组的一半。


中置马达式对焦示意图


不过,在实际使用中,PDAF对焦还是有很大的优化和提升空间。在拿到OPPO R7时,系统优化并不是那么完美,在对焦上,没有快速反而常常出现对焦犹豫,甚至拍摄和对焦之间出现衔接情况,在此后的固件更新后,PDAF的对焦稳定性大幅提升,特别是对焦速度提升非常明显,但偶尔还是会出现对焦犹豫以及失焦的问题,这些问题还需要不断的通过手机系统更新逐步解决。




反差式对焦 Vs 相位对焦
市面上八九成的手机摄像头基本都是采用反差式对焦技术,原理则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。


传统的反差式对焦分为五个步骤:
1、为对焦状态,画面出于虚焦状态
2、开始对焦,镜头移动,画面清晰、亮度、对比度、解析度提升
3、对焦成功;对比度最高,镜头继续移动
4、进一步对焦
5、对焦成功,镜头回到原位

反差式对焦这五部基本不到1秒完成。
反观相位对焦,它的特点就是对焦速度奇快,抓拍或拍摄移动物体时不易失焦,缺点是在光线较暗的情况下容易对焦失败。


反差式对焦与相位对焦最大的区别就是在对焦的过程,反差对焦需要镜头完整的从后端往前端跑一遍,耗时长,而相位对焦只需要一、两帧图像就可以判断出镜头应该往前端还是往后端,时间较短。
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己经处于合焦状态。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。



相位对焦速度更快

随着镜头前后移动对焦,在反复移动中找到对比度达到最大的点时,相机才会认为对焦已完成。因此,合焦速度比较慢。

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。并且准确地告诉镜头驱动模块,应该将镜片向哪个方向移动,不需要再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。






反差对焦成功率更高

相位对焦虽然在对焦速度上较有优势,但是在对焦精度上却受限颇多。因为由镜头进入的光通过半反射镜,再经过折射到达对焦传感器。因此,传感器的位置要非常精确。此外,由于温度的升高或降低,机内材料会发生膨胀或伸缩,因此到AF传感器的光路长会发生变化,对焦成功率会受到影响。

反差对焦将对焦传感器、半反射镜取消了,由此引发的光路长度变化等顾虑也就没有了,因此也提高了对焦成功率。





反差对焦为什么更容易对焦成功

反差对焦会将目标像素截取出来,计算其中的色彩值。根据一定的算法计算焦点部分的画面的平均色彩值。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。






拍照效果对比
索尼和三星均于近期推出了搭载该项技术的CMOS图像传感器,被称做PDAF技术(phase detection auto focus),该技术将用于与高端摄像头上,在快速对焦上、在移动物体的拍摄上有明显的体验改善。而今天这款OPPO R7使用的就是一颗来自三星ISOCELL的镜头。
全局闪拍主要还是针对于快速移动的物进行快速的捕捉,我们来看下样张



快速水流



放大图




慢速水流




放大图




快速旋转的风扇



一般速度的风扇


从样张中我们可以看到无论是转动的风扇扇叶汽车还是水管流出的水流OPPO R7都可以顺利的捕捉,对焦系统在其中起到了非常关键的因素。

OPPO R7



简单来说OPPO R7的PDAF相位对焦在我们第一次对焦的时候,马达就已经把对焦的镜片移动到了焦点位置,就算移动手机,只要焦平面不变,PDAF相位对焦检测后直接选择焦点位置,刚好是马达和镜片所在的位置,所以马达并不需要移动,继而形成了真正的0秒对焦。


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