1，反差對(duì)焦

作為最早的自動(dòng)對(duì)焦技術(shù)，其技術(shù)原理是最簡(jiǎn)單的，同時(shí)也是最自然的，因?yàn)槿搜蹖?duì)焦所基于的原理也是反差式——通過(guò)大腦對(duì)畫(huà)面的反差信息之判斷從而調(diào)節(jié)晶狀體的對(duì)焦。

“反差”的具體判斷原理為：當(dāng)物體不在焦內(nèi)時(shí)，畫(huà)面虛化成一個(gè)個(gè)彌散圓疊加在一起，此時(shí)彌散圓的半徑遠(yuǎn)大于點(diǎn)，因此亮度和對(duì)比度都低；而當(dāng)對(duì)焦準(zhǔn)確時(shí)，焦內(nèi)是一個(gè)個(gè)的點(diǎn)，畫(huà)面銳利因此對(duì)比度高。

也就是說(shuō)，對(duì)焦不準(zhǔn)確之時(shí)整個(gè)畫(huà)面都是模糊的，沒(méi)有明顯的反差信息；而當(dāng)對(duì)焦準(zhǔn)確之時(shí)，焦點(diǎn)范圍圖像是最清晰的狀態(tài)，而焦點(diǎn)之外的區(qū)域則表現(xiàn)為模糊狀態(tài)，反差非常明顯。

判斷原理說(shuō)完，那么具體的工作原理就很好理解了。當(dāng)鏡頭對(duì)準(zhǔn)被拍攝物體時(shí)，對(duì)焦模組的馬達(dá)便會(huì)驅(qū)動(dòng)鏡片從底部向頂部移動(dòng)，在這個(gè)過(guò)程中傳感器會(huì)進(jìn)行全面檢測(cè)。

同時(shí)傳感器還會(huì)持續(xù)記錄所檢測(cè)到的對(duì)比度等反差數(shù)值，當(dāng)找到反差最大的位置后，運(yùn)動(dòng)到頂部的鏡片便會(huì)回到這個(gè)位置從而完成最終的對(duì)焦。

在這個(gè)過(guò)程中，會(huì)看到取景框內(nèi)容有一系列的模糊清晰之反復(fù)變化過(guò)程，與此對(duì)應(yīng)的術(shù)語(yǔ)便是“拉風(fēng)箱”。其優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)簡(jiǎn)單且成本低，但缺點(diǎn)也很明顯——耗時(shí)太長(zhǎng)了！

2，相位對(duì)焦 / 激光對(duì)焦 / TOF 對(duì)焦

有趣的是，相位對(duì)焦（Phase Detection Auto Focus，簡(jiǎn)稱為PDAF）技術(shù)其實(shí)也與人眼有關(guān)，只不過(guò)其相關(guān)的是“人眼測(cè)距”原理——雙眼由于位置不同故接收光線會(huì)形成視差從而得知物體遠(yuǎn)近。

根據(jù)這個(gè)人眼仿生原理，手機(jī)CIS會(huì)設(shè)置一些“掩蔽式相位對(duì)焦像素”，即有些像素上面的彩色濾光片會(huì)被屏蔽左一半或右一半，而這些左、右掩蔽式相位對(duì)焦像素便配成了一對(duì)從而得以模擬人眼檢測(cè)光信號(hào)的距離信息。

然后檢測(cè)到的信息會(huì)交給 ISP 計(jì)算相位差，最終計(jì)算結(jié)果出來(lái)之后就可以直接指引鏡片移動(dòng)到合適的位置以完成合焦。由于這個(gè)過(guò)程是一步到位的，所以實(shí)際對(duì)焦速度明顯比反差式對(duì)焦更快。

那么具體的計(jì)算判斷過(guò)程如何呢？原來(lái)在合焦?fàn)顟B(tài)下，投影在感光區(qū)的光線距離是有既定數(shù)值且會(huì)對(duì)應(yīng)一部分配對(duì)的相位對(duì)焦像素點(diǎn)——此為事先設(shè)計(jì)好的焦點(diǎn)檢測(cè)基準(zhǔn)。

在此基礎(chǔ)之下，代表被攝物體距離偏近的前焦?fàn)顟B(tài)，其所投射之較小間距便會(huì)顯示波峰向中心偏移，而這個(gè)波峰的偏移量便是相位差。

根據(jù)波峰的偏移方向以及相位差信息，鏡片就會(huì)知道移動(dòng)的方向以及移動(dòng)的距離。同理，代表被攝物體距離偏遠(yuǎn)的后焦?fàn)顟B(tài)之工作方式照此反推即可

雖然這種對(duì)焦方式不需要來(lái)回試探，只需一次鏡片移動(dòng)即可完成對(duì)焦，但為了提高對(duì)焦精度還是需要與反差對(duì)焦組合使用——先用相位對(duì)焦快速移動(dòng)鏡片再以反差式對(duì)焦微調(diào)。

理論上來(lái)說(shuō)，用于相位對(duì)焦的像素越多則對(duì)焦速度越快，但由于掩蔽式相位對(duì)焦像素不參與成像，所以增加過(guò)多的相位差檢測(cè)像素便會(huì)造成后期插補(bǔ)圖像信息困難，使得圖像畫(huà)質(zhì)下降。

此外，這些相位差檢測(cè)像素的數(shù)量瓶頸又限制了暗光環(huán)境對(duì)焦性能。為了解決暗光對(duì)焦問(wèn)題，首先引入的是激光對(duì)焦傳感器——其能發(fā)射紅外光線進(jìn)行物理測(cè)距從而輔助對(duì)焦。

但是，這種采用意法半導(dǎo)體方案的激光對(duì)焦有距離限制（一般2米以內(nèi)），于是后面索尼就出場(chǎng)了。

索尼方案具體可分兩種，一種是原理與激光對(duì)焦一樣的 dTOF 方案。

索尼的 dTOF 功率更大適合遠(yuǎn)距離對(duì)焦，故很快便替代了意法半導(dǎo)體方案，成為各大旗艦首選。

另一種則是成本更高的 iTOF 鏡頭方案，其通過(guò)投射面光源，再積存反射光并檢測(cè)與光源的相位差，從而間接測(cè)定深度信息。

iTOF 方案雖然只適合中近距離對(duì)焦，但其卻有精度更高的優(yōu)點(diǎn)。

那些用在前置 3D TOF 人臉識(shí)別模組上的便是這種方案，另外一些老款頂級(jí)旗艦還會(huì)將其用在后置影像模組中參與混合對(duì)焦。

3，全像素雙核對(duì)焦 / “2×1 OCL”雙核對(duì)焦

雖然 TOF 方案可以輔助暗光對(duì)焦，但掩蔽式相位對(duì)焦在畫(huà)質(zhì)損失方面的缺點(diǎn)卻無(wú)法解決；為此基于雙PD共享 OCL（片上微透鏡）像素結(jié)構(gòu)的全像素雙核對(duì)焦技術(shù)，便登上了歷史舞臺(tái)。

其具體原理，就是讓這兩個(gè) PD（光電二極管）組成全新形式的一對(duì)“眼睛”，再通過(guò)雙PD的“一開(kāi)一合”獲得相位差檢測(cè)能力。且由于兩個(gè)PD的信息可以相加，因此得以消除相位差影響并最終獲得無(wú)損畫(huà)質(zhì)。

這樣結(jié)果就很明顯了，以往的掩蔽式相位對(duì)焦僅有少量的像素參與對(duì)焦，而這個(gè)雙核對(duì)焦直接就是全像素皆可對(duì)焦！關(guān)鍵其還能獲得全部的進(jìn)光量，使得暗光對(duì)焦性能也不會(huì)被削減！

也就是說(shuō)全像素雙核對(duì)焦一問(wèn)世，便直接解決了以往掩蔽式相位對(duì)焦所存在的對(duì)焦像素量少、畫(huà)質(zhì)易受損、暗光對(duì)焦性能弱等三大頑疾！一躍成為了當(dāng)年旗艦傳感器的首選對(duì)焦技術(shù)。

但全像素雙核對(duì)焦啥都好，就是有個(gè)很明顯的缺點(diǎn)——由于要放置兩個(gè)PD因此其像素尺寸不能太小，于是“2×1 OCL”雙核對(duì)焦就冒出來(lái)了。

也就是說(shuō)有兩個(gè)像素共用了一個(gè)大的微透鏡，并以此組成一對(duì)“眼睛”進(jìn)行相位對(duì)焦。這樣不管像素尺寸有多小，只要有個(gè)大的微透鏡能罩住它倆，就能組成一種全新形式的“雙核對(duì)焦”。

“2×1 OCL”雙核對(duì)焦由于沒(méi)有掩蔽損耗，故其進(jìn)光量相較于掩蔽式相位對(duì)焦直接就翻倍了！

不過(guò)這些“2×1 OCL”像素并不參與成像，所以其只能和掩蔽式像素一樣部分存在于CIS上。雖然其各方面性能都比不上全像素雙核對(duì)焦，但這并不妨礙手機(jī)廠商故意將其簡(jiǎn)稱為“雙核對(duì)焦”以蹭全像素雙核對(duì)焦的光。

那么在手機(jī)宣傳中該怎么分辨這兩種技術(shù)呢？其實(shí)很簡(jiǎn)單，就看有沒(méi)有“全像素”這個(gè)前綴即可。

知識(shí)插補(bǔ)：Quad Bayer 排列

為了講清楚以下的對(duì)焦技術(shù)，這個(gè)知識(shí)點(diǎn)還是得補(bǔ)充一下的。如上圖所示，Quad Bayer 排列的每個(gè)顏色之濾片皆覆蓋了四個(gè)像素，感覺(jué)好像是 Bayer 排列的“放大版”。

實(shí)際確實(shí)如此，那為何要多此一舉呢？剛開(kāi)始的時(shí)候，是因?yàn)橄袼爻叽缣V色片工藝跟不上，只能采用這種“曲線救國(guó)”的方式，順帶還能在營(yíng)銷環(huán)節(jié)大肆吹噓一波。

后面隨著“卷大底”潮流盛行，大像素開(kāi)始受到重視，這種情況就不復(fù)存在了，但其依然沒(méi)被淘汰——可見(jiàn)是有“真本事”的。下面就詳細(xì)講一下，其轉(zhuǎn)為高像素模式的工作原理。

首先，Quad Bayer 排列要進(jìn)行PD補(bǔ)償和壞點(diǎn)補(bǔ)償。然后由于所覆蓋的子像素位置不同，導(dǎo)致感光能力有一定差別，所以就需要引入 Crosstalk。

具體來(lái)說(shuō)就是將全圖分成多個(gè) ROI 方塊，然后計(jì)算各像素通道的能量并確定其補(bǔ)償數(shù)據(jù)，最終使用這些校準(zhǔn)數(shù)據(jù)從而讓原本不均勻狀態(tài)的能量分布變得更為平衡。

落到實(shí)處的效果就是，Crosstalk 校準(zhǔn)補(bǔ)償可以去除由于信號(hào)差別造成的格子、鋸齒狀等色塊干擾——這種干擾現(xiàn)象在拍攝單一色塊時(shí)尤為明顯。

經(jīng)過(guò)這些補(bǔ)償操作后，就正式開(kāi)始進(jìn)入 Remosaic 環(huán)節(jié)了，這個(gè)過(guò)程也分為三步。

第一步：利用插值算法，將 Quad Bayer Raw 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為三組RGB數(shù)據(jù)。

第二步：再用將 RGB Image 轉(zhuǎn)Bayer的算法，將其分解為三組 Bayer Raw Image。

第三步：將三組數(shù)據(jù)合為正常的 Bayer 排列，并送到ISP進(jìn)行“去馬賽克”處理。

熟悉“去馬賽克”算法的朋友，看到這個(gè) Remosaic 環(huán)節(jié)估計(jì)會(huì)很熟悉，畢竟有些步驟是一樣的。當(dāng)然，這只是最基礎(chǔ)的一套 Remosaic 算法。

后面隨著 Quad Bayer 技術(shù)的發(fā)展，索尼還研究出了其它更先進(jìn)的轉(zhuǎn)換排列算法。于是，低光照情況下像素合成以擴(kuò)展進(jìn)光量，高光照情況下轉(zhuǎn) Bayer 排列以獲得高解析力，就成為了這個(gè)技術(shù)的宣傳點(diǎn)。

但是，凡事有利必有弊，這個(gè)技術(shù)先天就有個(gè)明顯缺點(diǎn)——即采樣空間精度下降這個(gè)難題，畢竟 Bayer 陣列本來(lái)就是靠猜色插值來(lái)輸出圖像的！

4，全像素全向?qū)?/p>

隨著 Quad Bayer 技術(shù)的發(fā)展，索尼還拓展出了一種全新的對(duì)焦技術(shù)——直接用 Quad Bayer 排列的四個(gè)像素去對(duì)焦。

前面說(shuō)到，“2×1 OCL”雙核對(duì)焦雖然可以應(yīng)對(duì)像素尺寸很小的傳感器，但在綜合性能方面卻明顯弱于全像素雙核對(duì)焦，那么有沒(méi)有兩全其美的方案呢？

這時(shí)候如果每一片微透鏡都能覆蓋四個(gè)像素，那么在 Quad Bayer 排列的加持下，那不就相當(dāng)于“全像素四核對(duì)焦”了嗎？

而且全像素雙核對(duì)焦還有個(gè)缺點(diǎn)，那就是在面對(duì)缺少圖案變化的拍攝物體時(shí)不太敏感，也就是說(shuō)其橫向紋理對(duì)焦能力偏弱。

這就好像傳統(tǒng)單反上的“一字對(duì)焦點(diǎn)”，只能檢測(cè)豎向紋理，那要加強(qiáng)對(duì)焦性能該怎么辦呢？首先就是增加橫向紋理的對(duì)焦能力，從而組成“十字”對(duì)焦點(diǎn)陣列。

這時(shí)候如果一個(gè)微透鏡能夠覆蓋四個(gè)像素，那不就可以分割成左右、上下、斜向來(lái)檢測(cè)相位差嗎？而這就是所謂的“米字”對(duì)焦。

同時(shí)在暗光環(huán)境下，還可以利用“像素四合一”模式和全像素對(duì)焦特點(diǎn)最大程度地拓展進(jìn)光量，故其暗光對(duì)焦性能非常強(qiáng)。

不過(guò)，這個(gè)對(duì)焦技術(shù)有個(gè)很大缺點(diǎn)，那就是在微透鏡數(shù)量巨幅減少的情況下，切換到高像素模式時(shí)其解析力和默認(rèn)的像素合成狀態(tài)沒(méi)啥明顯區(qū)別。

這就是為什么采用局部“2×2 OCL”結(jié)構(gòu)的豪威OV64B（下圖左邊所示），能在長(zhǎng)焦望遠(yuǎn)方面發(fā)揮大作用的根本原因。

那為什么全像素“2×2 OCL”結(jié)構(gòu)會(huì)讓高像素模式接近形同虛設(shè)呢？簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)可以回想全像素雙核對(duì)焦，有沒(méi)有因?yàn)閱蜗袼囟鄠€(gè)PD提高了解析力？

具體來(lái)說(shuō)，則是又回到了 Quad Bayer 排列所面臨的采樣空間精度下降問(wèn)題：本來(lái)濾色片這么玩就影響到解析力了，結(jié)果微透鏡還跟著這么玩！

總的來(lái)說(shuō)還是歸因于算法不能憑空增加細(xì)節(jié)這個(gè)本質(zhì)，雖然如今在 AI 加持下高像素算法已經(jīng)很牛了，那么在像素結(jié)構(gòu)層面能不能有更好的方案呢？

5，全像素八核對(duì)焦

沒(méi)錯(cuò)，最終的答案就是結(jié)合了 Quad Bayer 排列和單像素雙PD結(jié)構(gòu)的全像素八核對(duì)焦，如今索尼的頂級(jí)旗艦傳感器皆采用了這個(gè)技術(shù)。

按照索尼官方的說(shuō)法，這個(gè)對(duì)焦技術(shù)最大的特點(diǎn)就是在進(jìn)行HDR拍攝時(shí)，長(zhǎng)曝光、中曝光和短曝光的所有像素皆能獲取相位差。

這就是 QBC3-HDR 技術(shù)所展現(xiàn)的奇效，在對(duì)焦時(shí)可以不受目標(biāo)物亮度的影響，這在面對(duì)大光比場(chǎng)景時(shí)其對(duì)焦性能便能得到酣暢淋漓的發(fā)揮。

同時(shí)全像素八核對(duì)焦，還向下兼容全像素雙核對(duì)焦的所有優(yōu)點(diǎn)！此外在高像素模式解析力表現(xiàn)方面，相較于全像素全向?qū)挂灿忻黠@的先天優(yōu)勢(shì)。

但是，在全向?qū)剐阅芊矫嫫湟廊徊蝗缛袼亍?×2 OCL”結(jié)構(gòu)，雖然其綜合表現(xiàn)已經(jīng)非常極致了。

于是為了最牛的視頻錄制對(duì)焦性能，蘋果便向索尼定制了手機(jī)界獨(dú)一無(wú)二的，全像素八核對(duì)焦結(jié)合掩蔽式相位對(duì)焦之超級(jí)復(fù)合對(duì)焦技術(shù)。

但果子此舉就沒(méi)有副作用嗎？答案顯然是否定的。因?yàn)槠溲诒问较辔粚?duì)焦像素的密度很高，這對(duì)于拍照的解析力表現(xiàn)而言非常不利。

當(dāng)然，大家都知道果子真正關(guān)心的還是視頻錄制性能，所以這個(gè)對(duì)焦方案對(duì)于拍照解析力的影響對(duì)其而言并無(wú)大礙，本來(lái)這世上就沒(méi)有真正完美的技術(shù)方案。

和果子一樣在視頻錄制對(duì)焦性能方面出奇招的，還有那款曇花一現(xiàn)的華為定制傳感器IMX608，其負(fù)責(zé)對(duì)焦的像素結(jié)構(gòu)如下圖所示非常特別。

具體來(lái)說(shuō)就是在像素十六合一模式下，斜向相連的那八個(gè)掩蔽式像素每?jī)蓪?duì)合成一組相位對(duì)焦結(jié)構(gòu)，這像不像普通的掩蔽式相位對(duì)焦像素對(duì)？

要知道IMX608的原生像素尺寸為1.12微米，那么十六合一后就是巨大的4.48微米了！這種級(jí)別的掩蔽式相位對(duì)焦，無(wú)論是暗光對(duì)焦性能還是錄像對(duì)焦性能皆會(huì)有出色表現(xiàn)。

其實(shí)三星傳感器也有全像素八核對(duì)焦，只不過(guò)其又發(fā)展出了另一種特色技術(shù)方案——即綠色子像素通過(guò)斜切的光電二極管獲得全向?qū)鼓芰Α?/p>

總結(jié)：

 ①，反差對(duì)焦（CDAF）——功能機(jī)時(shí)代就存在的古老技術(shù)，可以精準(zhǔn)找到對(duì)比度最高的對(duì)焦點(diǎn)并自動(dòng)對(duì)焦，技術(shù)簡(jiǎn)單成本低但是耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)。

②，掩蔽式相位對(duì)焦（PDAF）——由iPhone6系列首發(fā)，能夠根據(jù)相位差信息計(jì)算出對(duì)焦點(diǎn)從而快速對(duì)焦，缺點(diǎn)是對(duì)焦性能受限于對(duì)焦像素?cái)?shù)量、暗光對(duì)焦性能弱和掩蔽式結(jié)構(gòu)有損畫(huà)質(zhì)。

③，全像素雙核對(duì)焦（Dual PD）——由三星S7系列首發(fā)，通過(guò)全像素雙PD結(jié)構(gòu)一舉解決了 PDAF 的全部缺點(diǎn)，但橫向紋理檢測(cè)能力弱。

④，“2×1 OCL”雙核對(duì)焦（Dual PDAF）——由OPPO R9s系列首發(fā)，通過(guò)部分不參與成像之共享微透鏡的雙像素獲得相位對(duì)焦能力，暗光對(duì)焦性能雖然比 PDAF 強(qiáng)但其它缺點(diǎn)兩者皆一樣。

⑤，全像素全向?qū)梗?×2 OCL）——由OPPO Find X2 Pro首發(fā)，通過(guò) Quad Bayer 排列四像素共享大微透鏡的結(jié)構(gòu)，獲得極致暗光對(duì)焦性能和全向?qū)鼓芰?，缺點(diǎn)是高像素模式接近形同虛設(shè)。

⑥，全像素八核對(duì)焦（Octa PD）——由華為P40系列首發(fā)，通過(guò) Quad Bayer 排列和 Dual PD 的結(jié)合，在高像素模式解析力無(wú)憂情況下還額外擁有超牛HDR對(duì)焦能力，但橫向紋理檢測(cè)能力弱。