抓住轉瞬即逝的機會淺談手機的對焦技術

如今，智能手機所搭載的SoC芯片（處理器）都集成了ISP模塊，并用上了eMMC5.0或UFS2.0標準的高速存儲方案，攝像頭傳感器也具備大光圈、OIS光學防抖，并融入濾光片的多片式鏡頭（圖1），再結合越加成熟的拍照APP軟件，一些中高端手機的最終成像效果足以越級挑戰入門級卡片機。然而，對喜歡“抓怕”記錄精彩瞬間的用戶而言，再高檔次的ISP、傳感器和鏡頭也會變成陪襯，此時手機對焦的速度將成為抓怕體驗的最關鍵核心。

對焦門中“三劍客”

所謂“對焦”，即當你打開拍照APP并點擊取景框內的任意一點后，拍攝界面從虛變實的過程，這個時間越短暫，意味著你能更快速地拍下清晰的畫面。就手機領域而言，目前常見的對焦技術主要以反差對焦、相位對焦和激光對焦這“三劍客”為主，而它們就是決定一款手機抓怕效率的核心技術。

就手機領域而言，反差對焦是一切對焦技術的基石。哪怕一款手機想武裝相位對焦或激光對焦技術，也要建立在已內置反差對焦模塊的基礎上（用于相位/激光對焦失敗時臨時補位）。因此，說該技術為“大眾情人”一點也不過分吧？

反差對焦算是一種半物理式的對焦技術，而反差對焦的過程也就是馬達推動鏡片的過程。反映在手機屏幕上的表現是，點擊對焦點后畫面會有個放大再縮小的變化，圖像也會由模糊到清晰再到模糊并最終清晰的“拉風箱”式的過程（圖2）。此時如果你仔細聆聽，還可聽見攝像頭內馬達工作的聲音。

再來看看攝像頭內的運作方式。傳統手機攝像頭會在底部配備一個用于推動鏡片的馬達，當我們啟動相機APP并點擊取景框對焦的時候，這個馬達會將鏡片從底部推動到頂部，完成一輪“最近焦距→最遠焦距”的對焦過程，同時記錄并對比這一過程中每一幀的成像結果，找到其中畫面最清晰、對比度最高的那個成像，而它就是我們所謂的焦點。然后，馬達會繼續推動鏡片，從頂部回落到焦點對應的位置，此刻才算是完成對焦，在屏幕取景框中也就能看到清晰的畫面了（圖3）。

問題來了，攝像頭只有“走完全程”（完成一輪對焦過程）后才知道焦點的位置，也就是必須經歷找到并錯過焦點，最后再回到焦點的過程。也許這個周期不足1.5秒，但也足夠我們錯過很多精彩的瞬間了。此外，反差對焦還需要拍照場景擁有足夠高的對比度，如果是拍攝純色或反差不明顯的畫面，則會經常出現對焦失敗的問題。

總之，反差對焦每次工作都需“跑完”全程再“折返”，由此浪費的時間必然造成對焦延遲。那么，有沒有辦法可以提前告訴攝像頭焦點的位置，讓馬達推動鏡頭一步到位完成拍照？

相位對焦和激光對焦技術的初衷就是實現上述目標，只是二者在技術原理上存在差異。其中，相位對焦技術的最大特色就是快，在三種對焦技術中屬于“短跑冠軍”。

首先需要說明的是，一款手機能否支持相位對焦，取決于其攝像頭所用的傳感器型號是否支持該項技術。比如三星Galaxy S6所配備的索尼IMX240（圖4）、榮耀7選用的索尼IMX230、OPPO R7武裝的三星ISOCELL等，這些傳感器在硬件端就已支持相位對焦。換句話說，手機能用上相位對焦功能，和手機廠商的研發能力沒有半分錢關系，完全取決于傳感器供應商。

而支持相位對焦的傳感器和傳統傳感器在結構上略有不同，它會犧牲感光區域中的部分像素點（又稱掩蔽像素，即“Masked Pixels”）。這些掩蔽像素都是成對出現，也就是包含兩個像素點。其中，左側的像素只負責拍攝左側的圖像，而右側像素則僅負責右側圖像，系統通過對比左右圖像就可直接判斷出焦點的位置，從而啟動馬達推動鏡片往前移動或往后移動。

和反差對焦相比，相位對焦不需要馬達推動鏡片跑一圈再折返，它能提前預知焦點的位置，減少鏡頭判斷的時間，并讓馬達直接推動鏡頭跑到焦點位置就停止，對焦行程短了很多（圖5）。可惜，相位對焦也并不完美，它對亮度的要求較高，在弱光環境拍照時相位對焦功能往往會失效，而攝像頭將自動轉為以反差對焦模式拍照。

相位對焦技術雖好，但它對傳感器型號有嚴格要求，那采用其他傳感器的手機就只能忍受反差對焦的“慢速”（相對）了嗎？有沒有什么輔助手段可以提高對焦速度呢？答案是肯定的，那就是“三劍客”中的激光對焦。

LG G3（索尼IMX234）、魅族MX5（索尼IMX220）、OPPO R7 Plus（索尼IMX278）等手機的傳感器都不具備相位對焦功能，但它們的對焦速度卻依舊快于普通手機，而秘密就源于后置攝像頭旁邊那神秘的黑色小孔。

以魅族MX5為例，在后置攝像頭下面有個豎條型的黑色小孔（圖6），而它并非裝飾之用，其目的只是為了隱藏內部的紅外激光傳感器模塊。簡單來說，當我們啟動相機APP后，小孔內的傳感器就會射出一道錐形激光，這道光束經過反射后被傳感器接收，最終計算出與對焦物體之間的準確距離，再啟動馬達將鏡頭推送到焦點所在的位置從而完成對焦，同樣無需鏡頭“跑完全程”。

由于紅外激光傳感器發射的是紅外波長的激光，所以我們用肉眼是無法看到的，但通過其他手機的攝像頭對其拍攝就可以捕捉到這道光束（圖7）。和相位對焦技術相比，激光對焦技術對拍攝微距，或在弱光環境下的表現更好，只是對焦速度略遜于相位對焦。

馬達鏡頭還有創新空間

除了在傳感器和激光輔助方面的創新以外，通過改變鏡頭結構同樣可以起到提高對焦速度的目的。Vivo X5Pro和樂Max等手機的攝像頭采用了中置式馬達結構，即將對焦用的鏡片和馬達都放到了整個攝像頭的中部。在判斷出焦點位置時，鏡頭從中間位置移動，哪怕焦點位于最遠位置，馬達推動鏡片移動的距離也僅有傳統結構的一半而已。此外，很多手機同時還支持相位對焦技術，兩大技術結合后幾乎可實現“0秒對焦”（圖8）。

目前，新一代的中高端Android手機都已配備了高品質的攝像頭傳感器，而拍照APP往往也會加入很多手動或高級拍照模式，在結合三腳架的情況下可拍攝出媲美單反的照片。然而，用手機拍照的真正樂趣往往體現在隨意性，即當你看到心儀的景物或瞬間想將其即刻捕捉并記錄下來，此時，對焦速度的快慢才是“決定生死”的關鍵（圖9）。隨著新一代傳感器的量產，也許未來我們還能看到相位對焦+激光對焦的手機呢。

火速鏈接

對焦技術可以提高智能手機的拍照效率，但對最終的成像效果影響不大。如果你想了解手機如何才能拍出更好的照片，請參考本刊12期《像素說明不了問題 手機攝像頭如何拍出好照片》這篇文章。