PDAF進化簡史

來自專欄 All in Camera

本文系微信公眾號《大話成像》，知乎專欄《all in camera》原創文章

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作者：Piglet / Maver

自動對焦是相機上的光電感測器接收到物體反射的光，根據相機內部的計算與處理，然後由電動對焦裝置對焦。對焦分為主動式和被動式。主動式需要發射光源，然後接受反射回波，進行測距，然後對焦。我們常說的激光對焦laser AF就屬於主動式。

被動式不需要額外的光源，光學系統接收被攝體自身的反光進行檢測和計算，得出鏡頭移動的位置，常見的contrast AF（反差對焦）和PDAF（Phase Detection Auto

為了更好的理解PDAF原理和優點，我們先說說contrast AF是如何工作的。

Contrast AF對焦（或 Contrast Detection Auto Focus，CDAF），主要是通過在圖像中對焦主體對比度信息的調整過程中，檢出最高對比度所在，即為判定合焦。

因為不知道最高點在哪裡，所以contrast AF不知道把鏡頭推向哪個方向，需要反覆的檢索找到最高為止。因此對焦速度比較慢。

PDAF是在感光元件上預留出PDAF像素點，專門用來進行相位檢測，通過相位差計算出對焦的偏移值從而實現準確對焦。相比反差對焦，相位對焦不需要鏡頭的反覆移動，對焦速度快。

原理如下圖所示：通過PDAF pixel對入射光相位的檢測，就能判定被拍攝物體與鏡頭的位置，從而移動鏡頭。

2010年富士第一次在CCD上引入了PDAF，這是一顆前照式的CCD，Toshiba製造。PD區域只覆蓋了中心的7%，PDAF是遮擋式。

總體的對焦策略上，富士使用了CDAF與PDAF混合的hybrid AF， 當中心區域比較亮，且存在高反差物體的時候，會使用PDAF的結果，通過對環境光強度與場景對比度的計算，決策使用PDAF 還是CDAF。 富士當時大大提高了相機的對焦性能，最快對焦時間達到了0.158秒。相比於單反上外置PDAF感測器的做法，富士只是在sensor中心放了PDAF像素，就獲取了非常好的用戶體驗，在當時是非常有創新性又非常實用的設計。

第一顆CMOS的PDAF出現在2011年的Nikon V1，是由Aptina製造的。這是一顆前照式的sensor。與富士一樣，採取了PDAF與CDAF混合對焦的方案，富士把產品定義為高端卡片機，售價900美元，結果市場不買單，一年以後就降價到300美元，被消費者罵慘。

2013年 Fujifilm X20第一次提出基於背照式的PDAF sensor，這樣PDAF的像素就可以獲得更充分的光，提升了PDAF系統的亮度適應性，獲得了更好的用戶體驗。

以上這幾顆PDAF sensor都採用了遮擋式設計，也就說為了實現對焦性能犧牲了一半的感光區域，從而導致PDAF暗光下的性能變差。

為了解決這個問題，佳能Canon宣布了Dual PD產品用在了EOS 70D上。PDAF pixel不再需要遮擋，從而改善了暗光PDAF的性能。

由於Eos 70D 在對焦上的改進，很多用戶為了更好的抓拍能力會放棄選擇全畫幅，選擇70D，所以說Dual Pixel PDAF 是70D獲得成功的一大要點。

第一次把PDAF用在手機上是三星的Galaxy S5，這是三星自家研發的, pixel size是1.12um，同時又ISOCELL技術。

真正讓PDAF在手機市場火起來可能要歸功於Iphone6。從此PDAF也變成了高端手機相機的必備feature。

Dual PD在手機相機上的使用把手機相機的對焦性能推上了新的高度，2016年，三星第一個在S7手機相機中使用dual PD技術，在這幾年的產品里，三星也一直堅持了這個路線。

2017 年， Google pixel2 用單camera 方案實現背景虛化在手機成像業內一石激起千層浪，pixel2 camera是利用Dual PD的image sensor來獲得深度信息,實現背景虛化，瞬間打臉雙camera方案。

Pixel2採用的sensor是Sony的IMX362， pixel size 1.4， 12M解析度。

2018 PDAF的發展很值得期待：如何進一步改善暗光性能，需不需要獲取其他方向的PD檢測，PD得到的深度信息怎麼利用，這些都是很有趣的課題，歡迎大家在大話成像交流群繼續討論。

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