抓住转瞬即逝的机会浅谈手机的对焦技术

如今，智能手机所搭载的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。

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。

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，还可听见摄像头内马达工作的声音。

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）。

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？

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7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。

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。

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。

LG G3（索尼IMX234）、魅族MX5（索尼IMX220）、OPPO R7 Plus（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），而它并非装饰之用，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”。

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，或在弱光环境下的表现更好，只是对焦速度略逊于相位对焦。

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。Vivo X5Pro和乐Max等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，很多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）。

目前，新一代的中高端Android手机都已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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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。