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Camera-AF自动对焦

对焦和变焦

对焦

对焦(聚焦)就是把成的像准确的落在sensor(camera传感器)上,对焦有两种:自动对焦,手动对焦。

虚线是sensor的位置,当虚线落在像的位置上就是对焦完成。

变焦

  • 光学变焦:就是改变透镜的焦距。由于改变了焦距,视场角也就变了,就可以实现拉近拉远的功能
  • 数码变焦:数码变焦过的的图像会出现失真,因为放大的过程会对图像进程插值

反差对焦-CDAF(Contrast Detection Auto Focus)

光路结构比PDAF 简单很多。它不需要额外的光学棱镜,不需要微透镜,也不需要额外的电路构造。它用软件算法直接分析sensor 捕捉的主图像就可以判断图像是否聚焦良好。

原理

CDAF 对一个图像序列进行分析,找到对比度最大的一帧图,这个方法也叫做最大值法(maximum-seeking method)。

最大值法的优缺点都很明显。其优点是仅需要考虑聚焦点附近一个小区域的像素,因此计算压力比较小,对于手持应用可以节省功耗。其缺点是需要抓拍多帧图像。如果只给一帧图像,CDAF 算法无从知晓当前图像是否聚焦良好,也不知道距离理想的聚焦位置还有多远,甚至不知道正确的方向是focus near还是focus far(PDAF 则刚好可以解决这些问题)。

爬坡算法

该方法要求清晰度评价函数具有严格的单峰性。搜索过程中只能通过爬坡和下坡来判断出山峰的方向而不能看到山峰的全貌,只有当越过山峰时才能找到山峰。

为了提高聚焦是速度,在cdaf算法中将山坡划分为3个不同的区域,分别对应着平坦区域(flat),斜坡区域(slope),陡坡区域(steep),不同区域对应着不同的爬坡步长,在平坦区域采用大步走的方式,随着坡度越来越来,步长越来越小,以达到快速精确搜索山峰的目的

滤波器的应用
图像越清晰,说明图像的高频分量越多,用一款滤波器保留图像的高频分量,来对比到底哪张图片更加清晰。基于硬件设计的成本考虑,早期的自动对焦系统都是用一些固定系数高频提取算子比如sobel,laplace等作为评价函数。

因为镜头以及成像系统的光学特性差别很大,这种固定系数高频算子的ISP设计不能满足自动对焦系统的需要。比如在低对比度的情形下,图像缺少高频成份,如果滤波器就不能够提取到足够的图像边缘的高频成份,这样对焦算法就无法找到峰值从而实现对焦了。所以后来的自动对焦系统评价函数逐渐采用可以设定系数的FIR或者IIR滤波器。

相位对焦-PDAF(Phase Detection Auto Focus)

需要在sensor 上设计一些特别的光学、像素、电路等构造以提供关于聚焦状态的数据。这些特别的像素通常被称为聚焦点(AF points)。

AF 组件

一些相机(常见于单反)会设计一个专用的光路(AF组件)用于检测聚焦状态。典型的光路由一个分光棱镜(beam splitter)和两个微透镜(microlens)组成,每个微透镜后面会有一个专用的AF sensor(包含若干个像素)用于检测像点的精确位置。如果一个物点所对应的像点落在分光棱镜的合适位置上,则像点会出现在两个AF sensor的中间位置,表示聚焦良好;否则就是too near 或者 too far,如下图所示。

一些单反相机的AF功能采用了类似的原理,但实现方式略有不同。典型的光路如下图所示。

PD sensor

以上的AF 方案通常用于单反相机,以专用AF组件的方式出现。在很多其它应用中(如手机)很难有足够的空间容纳专用AF组件,所以经常会采用另外一种PD原理,即把一部分成像用的像素用不透光的挡住一半(分成左和右两种),设计成如下所示的AF相位检测像素,

这种特殊的像素以一定密度均匀地分布在像素矩阵中,为AF软件提供聚焦参考。而AF的工作原理与下节将要介绍的DP原理类似。

DPAF

Dual Pixel,每个像素分成两个子像素。对焦时,两种像素单独输出,得到A像和B像,通过A、B之间的距离判断失焦相位。正式拍摄时A、B像素合并成一体,输出一幅图像。

如下图所示,当对焦不良时,A像和B像整体相似,但空间上存在若干个像素的距离。而对焦良好时,A像和B像应完全重合。

PD sensor 方案使用少量像素帮助对焦,工艺更加简单,但是由于信息较少,对焦所需的时间会更久。DP sensor 方案每个像素都提供对焦信息因此速度更快,但是工艺也更加复杂,成本通常更高一些。

激光对焦-LDAF(Laser Detection Auto Focus)

激光对焦是通过摄像头旁边的红外激光传感器向被摄物体发射低功率激光,经过反射后被传感器接收,并计算出与被摄物体之间的距离。之后镜间马达便直接将镜片推到相应位置,完成对焦。 和相位对焦一样,同样是一次完成。

激光对焦技术对于微距、弱光环境以及反差不够明显的区域,效果显著,能够有效提高手机在这些情况下的对焦成功率,只是在对焦速度上,激光对焦比较一般。而在光线正常的条件下,激光对焦的速度和相位对焦一样非常之快。

参考文献

https://zhuanlan.zhihu.com/p/109000056
https://zhuanlan.zhihu.com/p/470265379
https://www.qinxing.xyz/posts/720ad51b/