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抓住转瞬即逝的机会浅谈手机的对焦技术

发布时间:2021-01-21 06:40:54 阅读: 来源:高压泵厂家

很多人都习惯用手机捕捉转瞬即逝的瞬间,而最令人痛心疾首的情节就是抓怕时对焦失败导致照片发虚,或因快门延迟而错过了这一瞬间。于是,各种对焦技术纷纷与手机结盟,一时间各种“极速闪拍”的卖点充斥手机战场。那么,新对焦技术都有哪些,它们谁更靠谱?

对焦----决定抓怕体验的关键词

如今,智能手机所搭载SoC芯片(处理器)都集成了ISP模块,并用上了eMMC5.0或UFS2.0标准的高速存储方案,摄像头传感器也具备大光圈、OIS光学防抖,并融入滤光片的多片式镜头(图1),再结合越加成熟的拍照APP软件,一些中高端手机的最终成像效果足以越级挑战入门级卡片机。然而,对喜欢“抓怕”记录精彩瞬间的用户而言,再高档次的ISP、传感器和镜头也会变成陪衬,此时手机对焦的速度将成为抓怕体验的最关键核心。

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对焦门中“三剑客”

所谓“对焦”,即当你打开拍照APP并点击取景框内的任意一点后,拍摄界面从虚变实的过程,这个时间越短暂,意味着你能更快速地拍下清晰的画面。就手机领域而言,目前常见的对焦技术主要以反差对焦、相位对焦和激光对焦这“三剑客”为主,而它们就是决定一款手机抓怕效率的核心技术。

大众情人----反差对焦(CDAF)

就手机领域而言,反差对焦是一切对焦技术的基石。哪怕一款手机想武装相位对焦或激光对焦技术,也要建立在已内置反差对焦模块的基础上(用于相位/激光对焦失败时临时补位)。因此,说该技术为“大众情人”一点也不过分吧?

反差对焦算是一种半物理式的对焦技术,而反差对焦的过程也就是马达推动镜片的过程。反映在手机屏幕上的表现是,点击对焦点后画面会有个放大再缩小的变化,图像也会由模糊到清晰再到模糊并最终清晰的“拉风箱”式的过程(图2)。此时如果你仔细聆听,还可听见摄像头内的马达工作声音。

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再来看看摄像头内的运作方式。传统手机摄像头会在底部配备一个用于推动镜片的马达,当我们启动相机APP并点击取景框对焦的时候,这个马达会将镜片从底部推动到顶部,完成一轮“最近焦距→最远焦距”的对焦过程,同时记录并对比这一过程中每一帧的成像结果,找到其中画面最清晰、对比度最高的那个成像,而它就是我们所谓的焦点。然后,马达会继续推动镜片,从顶部回落到焦点对应的位置,此刻才算是完成对焦,在屏幕取景框中也就能看到清晰的画面了(图3)。

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问题来了,摄像头只有“走完全程”(完成一轮对焦过程)后才知道焦点的位置,也就是必须经历找到并错过焦点,最后再回到焦点的过程。也许这个周期不足1.5秒,但也足够我们错过很多精彩的瞬间了。此外,反差对焦还需要拍照场景拥有足够高的对比度,如果是拍摄纯色或反差不明显的画面,则会经常出现对焦失败的问题。

总之,反差对焦每次工作都需“跑完”全程再“折返”,由此浪费的时间必然造成对焦延迟。那么,有没有办法可以提前告诉摄像头焦点的位置,让马达推动镜头一步到位完成拍照?

极速闪拍----相位对焦(PDAF)

相位对焦和激光对焦技术的初衷就是实现上述目标,只是二者在技术原理上存在差异。其中,相位对焦技术的最大特色就是快,在三种对焦技术中属于“短跑冠军”。

首先需要说明的是,一款手机能否支持相位对焦,取决于其摄像头所用的传感器型号是否支持该项技术。比如三星Galaxy S6所配备的索尼IMX240(图4)、荣耀选用的索尼IMX230、OPPO R7武装的三星ISOCELL等,这些传感器在硬件端就已支持相位对焦。换句话说,手机能用上相位对焦功能,和手机厂商的研发能力没有半分钱关系,完全取决于传感器供应商。

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而支持相位对焦的传感器和传统传感器在结构上略有不同,它会牺牲感光区域中的部分像素点(又称掩蔽像素,即“Masked Pixels”)。这些掩蔽像素都是成对出现,也就是包含两个像素点。其中,左侧的像素只负责拍摄左侧的图像,而右侧像素则仅负责右侧图像,系统通过对比左右图像就可直接判断出焦点的位置,从而启动马达推动镜片往前移动或往后移动。

和反差对焦相比,相位对焦不需要马达推动镜片跑一圈再折返,它能提前预知焦点的位置,减少镜头判断的时间,并让马达直接推动镜头跑到焦点位置就停止,对焦行程短了很多(图5)。可惜,相位对焦也并不完美,它对亮度的要求较高,在弱光环境拍照时相位对焦功能往往会失效,而摄像头将自动转为以反差对焦模式拍照。

05图注:当支持相位对焦的手机完成对焦时,普通手机可能还在对焦中

相位对焦技术虽好,但它对传感器型号有严格要求,那采用其他传感器的手机就只能忍受反差对焦的“慢速”(相对)了吗?有没有什么辅助手段可以提高对焦速度呢?答案是肯定的,那就是“三剑客”中的激光对焦。

暗夜精灵----激光对焦(LDAF)

LG G3(索尼IMX234)、魅族MX5(索尼IMX220)、OPPO R7Plus(索尼IMX278)等手机的传感器都不具备相位对焦功能,但它们的对焦速度却依旧快于普通手机,而秘密就源于后置摄像头旁边那神秘的黑色小孔。

以魅族MX5为例,在后置摄像头下面有个竖条型的黑色小孔(图6),而它并非装饰只用,其目的只是为了隐藏内部的红外激光传感器模块。简单来说,当我们启动相机APP后,小孔内的传感器就会射出一道锥形激光,这道光束经过反射后被传感器接收,最终计算出与对焦物体之间的准确距离,再启动马达将镜头推送到焦点所在的位置从而完成对焦,同样无需镜头“跑完全程”。

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由于红外激光传感器发射的是红外波长的激光,所以我们用肉眼是无法看到的,但通过其他手机的摄像头对其拍摄就可以捕捉到这道光束(图7)。和相位对焦技术相比,激光对焦技术对拍摄微距,或是在弱光环境下的表现更好,只是对焦速度略逊于相位对焦。

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小提示

联想旗下的VIBEShot手机主打红外辅助对焦功能,它其实也可被归类到激光对焦阵营中。

马达镜头还有创新空间

除了在传感器和激光辅助方面的创新以外,通过改变镜头结构同样可以起到提高对焦速度的目的。以vivo X5Pro为例,这款手机的摄像头采用了中置式马达结构,即将对焦用的镜片和马达都放到了整个摄像头的中部。在判断出焦点位置时,镜头从中间位置移动,哪怕焦点位于最远位置,马达推动镜片移动的距离也仅有传统结构的一半而已。此外,这款手机同时还支持相位对焦技术,两大技术结合后几乎可实现“0秒对焦”(图8)。

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小结

目前,新一代的中高端Android手机都以配备了高品质的摄像头传感器,而拍照APP往往也会加入很多手动或高级拍照模式,在结合三脚架的情况下可拍摄出媲美单反的照片。然而,用手机拍照的真正乐趣往往体现在随意性,即当你看到心仪的景物或瞬间想将其即刻捕捉并记录下来。此时,对焦速度的快慢才是“决定生死”的关键(图9)。随着新一代传感器的量产,也许未来我们还能看到相位对焦+激光对焦的手机呢。

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火速链接

对焦技术可以提高智能手机的拍照效率,但对最终的成像效果影响不大。如果你想了解手机如何才能拍出更好的照片,请参考本刊12期《像素说明不了问题 手机摄像头如何拍出好照片》这篇文章。

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