手機攝像頭自動對焦技術

徐仁東

拍照的原理就是基本的凸透鏡成像的原理，物體確定后，根據光的直線傳播，被拍攝的物體通過相機的鏡片組，成一個倒像在傳感器上，傳感器感應電信號形成圖像呈現在屏幕上。手機拍照技術剛剛起步時，只能在一個特定的距離才能拍的清晰，太近或者太遠拍出的圖片都是模糊的。現在的手機可以與相機一樣，在各種不同的距離都能拍出清晰的照片，這個就是手機攝像頭的自動對焦技術。在大多數情況下，它有助于提高我們拍攝的照片的質量。在手機上主流的自動對焦技術大致上有反差對焦CDAF和相位對焦PDAF這兩種。自動對焦技術，強調自動，節約時間，屬于被動式對焦，相機不需要其他額外輔助的探測手段，可以不需要手動拖動屏幕，直接利用入射光線做判斷來對焦。手機相機模組中一般使用的是音圈馬達（VCM）移動鏡頭來對焦，其主要原理是VCM在一個永久磁場內，通過改變馬達線圈內的直流電流大小，來控制鏡頭上下運動，實現對焦。

1 反差對焦CDAF (contrast detection auto focus)

反差對焦是利用圖片像素點的對比度差異，假設對焦成功后相鄰的像素點間對比度最大。這種對焦方式的原理及光學設計是比較簡單的，容易理解。

圖1 反差對焦示意圖

從圖1示意圖，可以看到右上圖，黑色圖片中部的白色方框代表對焦點。紅色線路，代表物體表面經過光線照射后，折射出的光線路徑。物體反射出的紅色光線在經過凸透鏡鏡頭組，到達傳感器前就已經匯聚在某一點，隨后又散開，散開的光線分布在sensor的較大區域，較大區域周圍成像的像素點，對比度較低。此時整個圖像的對比度是很低。

將這個對焦點的位置與相鄰像素的對比度作分析得出右下角的曲線，鏡頭lens的位置改變可以改變對焦點的位置。失焦狀態下對比度較低，在lens移動聚焦過程中，曲線對比度變得傾斜，但是算法不能判斷什么時候是最高點，只能記錄過程中的數值，只有經過了對焦點后，曲線下降再往回移動，反復移動后可以得到一個較大的局部梯度值，AF算法就認為是對焦成功。換一種表述方式：隨著對焦鏡片的開始移動，手機畫面逐漸清晰，畫面對比度開始上升；當畫面物像最清晰，圖像對比度最高時，其實已經處于對焦對準狀態，但相機本身并不知道，所以會繼續移動鏡頭組，然后會發現對比度開始下降。進一步移動鏡片組，發現對比度進一步下降，相機知道已經錯過焦點；鏡片組回退至對比度最高的位置，完成對焦。

優點：光學設計原理簡單。

缺點：一是速度較慢，在出現失焦圖像時，算法無法直接判斷該移動多少距離，同時也不知道往哪個方向移動鏡頭組才能使畫面聚焦，甚至到了對比度最大的峰值，也不知道，只有移動過了，才發現已經達到峰值，然后以后再往回移，來回幾次后才可能找到對比度最大的對焦點位置；二是在物體對比度本身較低時會對焦失敗，比如純白的雪景，萬里無云的晴天以及各種相對較純的純色圖像。

2 相位對焦PDAF (phase detect auto focus)

相位對焦最早是在單反相機上使用的，也是目前主流手機模組中最常用的被動式對焦方法，當然光學通路也相對比較復雜。

圖2 相位對焦示意圖

可以從圖2中看到AF模塊的工作原理。AF模塊中起碼有兩個或者多個小型的圖像傳感器(CCD1/2)，并且都是由一列像素構成一維CCD，每個傳感器上有一個小的透鏡(Micro lens)，這些傳感器是成對出現，每兩個就組成了一個小型的自動對焦點，假設右下側黑色圖片中央的白色方框是對焦點。在沒有對焦狀態下，紅光物體反射光線照射經過lens組右側，綠光照射在光圈左側，在傳感器上的感應到的相位就無法匹配，但為了將相位表示成只有一個峰值的曲線，也就是一個黑色背景的白點，實際上真實圖像的曲線比較復雜。當移動鏡頭組lens的時候，光線的相位會靠近一直到重合，當重合時就認為對焦已經成功。在圖像處理專業領域的算法中，相位識別重合的方法較多，每家sensor廠商的算法肯定也不完全相同。根據相位差算法可以精確計算出鏡頭組lens需要移動的方向以及距離，因此PDAF對焦方式就比CDAF速度快。

由于PDAF對焦速度快，在2014年就已經被全面引入到手機模組，但是手機對體積空間要求較高，手機里沒有空間來實現復雜的光學通路。因此業界就拿感光sensor做文章。

圖3 Bayer pattern示意圖

如圖3所示在原有的Bayer sensor基礎上將部分pixel替換成PD pixel，變成了PDAF sensor。PDAF sensor pattern的設計需要使用到shield pixel的概念，包括left-half-shield與right-half-shield兩種，也稱Left PD pixel和Right PD pixel，能夠起到模仿左右眼的類似功能。shield pixels主要分布在sensor感光芯片居中的90%范圍之內，其中的x方向32與y方向32個pixel array被稱做1個block，shield pixel在這一個block中的占比為1/64，即每個block中有16個shield pixel，right-half-shield與lefthalf-shield各8個，上圖是1/4個block，有4個shield pixel。不同sensor廠商之間設計方式會有區別，主要原因是為了規避專利。這樣設計的sensor無需更多空間或者透鏡改變原有光學通路，直接根據PDAF sensor計算出相位差來移動鏡頭，就能快速對焦。當然如這些被PD像素所取代的部分G pixel進行了半遮光結構設計，光能信號比正常的G pixel要弱一些，直接成像必然有異常，PD位置點必須根據其周圍像素點的pixel的采樣值，來做算法補償，各種sensor的補償方式就由ISP廠商決定。所以使用PDAF功能是需要進行模組校正，包括SPC(shield pixel calibration)與DCC(defocus conversion coefficient)。這里SPC功能就是上述算法補償的校正動作，為了達到正常G pixel的能效水平，需要對此類型的G pixel增加額外的系數增益。而DCC功能并不是校正而是生成DAC與對焦Focus的系數對應關系，用來快速定位需要移動的位置，實現PDAF快速校準的功能。

優點：速度快。缺點：一是需要專用PDAF sensor，有精度損失；二是在暗處進光量不足時效果較差，無法完全取代CDAF。

3 結語

手機相機模組對焦技術，已經經過多年技術沉淀。CDAF和PDAF對焦技術已經同時應用于手機攝像頭模組中，在不同場景中，發揮各自的優勢，互取長短，不同的技術擁有不同的目的，共同加速手機在各種場景中的自動對焦速度，提升手機攝像頭成像的速度和更好的質量，為消費者帶來更好的用戶體驗。