在之前的文章中，我們講了激光對焦系統(tǒng)的原理。

其中，我們提到了除了激光對焦系統(tǒng)之外，常見的對焦系統(tǒng)還有反差對焦系統(tǒng)和相位對焦系統(tǒng)。

今天我們先從比較基礎(chǔ)的說起，來講講反差對焦系統(tǒng)。

01 何為反差對焦系統(tǒng)

反差對焦系統(tǒng)（CDAF，Contrast Detection Auto Focus），簡單來說，就是基于反差——更詳細(xì)點(diǎn)說是圖像對比度的變化——來尋找焦點(diǎn)。

a 對比度與反差

首先，我們來講講對比度與反差。

我們之前講過，合焦的情況下，像面聚焦在傳感器上；而非合焦的部分則無法聚焦在傳感器上，在傳感器上出現(xiàn)虛化效果。

反差對焦，實際上是通過取畫面的一小部分作為判斷根據(jù)，通過判斷圖像的對比度（銳利度）來判斷是否聚焦。

我們來看下面這張照片。

照片中最中心的花屬于合焦?fàn)顟B(tài)，我們能看到花朵的邊緣清晰，對比度強(qiáng)烈。

而畫面周圍的內(nèi)容則是屬于非合焦?fàn)顟B(tài)，就會比較模糊、不清晰。

如下圖所示，我們可以用邊緣檢測算法來分析這張圖。

左右圖對比可以看到，圖片中對焦正確的地方邊緣清晰（對比度高），更容易進(jìn)行邊緣識別。

當(dāng)然，實際上計算對比度是使用別的方式，不過由于效果不大明顯，這里使用邊緣識別的方法來講解一下。

因此，相機(jī)想要判斷我們關(guān)注的內(nèi)容是否合焦，只需要判斷對焦區(qū)域?qū)Ρ榷龋ǚ床睿┦欠褡顝?qiáng)烈就可以。

b 反差對焦系統(tǒng)的工作過程

在之前的分析中我們知道，在合焦時，反差值取得最大值；而偏離焦點(diǎn)后，反差值則會逐漸降低。

這個問題就轉(zhuǎn)換成了數(shù)學(xué)問題，反差值關(guān)于距離s的函數(shù)f(s)，求取值范圍內(nèi)f(s)最大值時的s。

而如果了解編程的朋友應(yīng)該知道，可以從s取最小值開始，通過步進(jìn)和二分法的方式逐漸逼近最佳s值。不過這里我們會盡量以更通俗的方式來進(jìn)行講解。

網(wǎng)上找了個動圖的截圖，我們先從這張截圖進(jìn)行講解，可以結(jié)合這個圖和下面的解釋圖進(jìn)行理解。

在對焦開始時，一般透鏡會從最近（或最遠(yuǎn)）處開始進(jìn)行對焦。

這時候，對焦點(diǎn)沒有合焦，反差比較小。

接著，對焦系統(tǒng)開始移動透鏡，隨著距離逐漸逼近合焦距離，對比度逐漸增大，如下圖：

在某個瞬間，距離達(dá)到合焦距離，對比度達(dá)到最大值。

但是這時候相機(jī)并不知道已經(jīng)達(dá)到了合適距離，仍然進(jìn)一步移動透鏡，對比度又開始縮?。?/p>

這時候，相機(jī)知道已經(jīng)移動過了最大值，就反方向移動透鏡，回到最大值的位置，完成對焦：

在實際進(jìn)行對焦時，可能還會進(jìn)行更精確地多次反差對焦，來盡可能精確地逼近最佳距離。

但是，多次反差對焦則會延長對焦時間，在設(shè)計對焦系統(tǒng)時，會合理對兩者進(jìn)行取舍。

類似下面的流程圖。

示意圖的動圖版如下。

文字是看不懂的外文，不過可以結(jié)合上面的介紹了解一下。

02 反差對焦的優(yōu)缺點(diǎn)

接下來，我們按照慣例來講講反差對焦的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

a 優(yōu)勢

從上面介紹的原理中我們可知，反差對焦直接利用感光元件和圖像處理器完成對焦，無需額外傳感器或分光裝置，能極大的節(jié)省空間和成本。

同時，由于反差對焦能夠在對焦時選擇任意區(qū)域進(jìn)行對焦，在手機(jī)、觸摸屏相機(jī)等設(shè)備上可以靈活選擇對焦點(diǎn)。

b 局限性

接下來說說缺點(diǎn)。

首先，反差對焦的對焦速度相對較慢。

在上文中我們講過，反差對焦在對焦時，需要逐幀計算對比度并多次調(diào)整鏡片位置（在相機(jī)對焦時，我們也可以看到取景框中的景色先從模糊到清晰，然后又變模糊再變清晰，多次重復(fù)后停在清晰畫面的過程），才能逐漸逼近合焦距離。

這就導(dǎo)致了對焦延遲明顯，尤其在動態(tài)場景中表現(xiàn)不佳。

其次，反差對焦系統(tǒng)對對焦環(huán)境也存在著一定的依賴性。

例如，在低反差場景（純色背景或缺乏紋理的物體），由于無法判斷對比度，可能會導(dǎo)致對焦失敗。

同時，雖然反差對焦的弱光適應(yīng)性優(yōu)于相位對焦，但極端暗光下仍需輔助光源。

c 優(yōu)化和改進(jìn)

既然都說到這里了，我們就來說說反差對焦可能的優(yōu)化點(diǎn)吧。

從上文中我們可以知道，在對焦的過程中，需要多次進(jìn)行成像——對比度計算——移動鏡片的操作。

因此，要優(yōu)化對焦的性能，除了上文中說的精度和速度的取舍之外，還可以從上面這三個步驟來優(yōu)化。

例如：

提高傳感器成像速度（提高感光元件和鏡頭的采樣幀率）

提高對比度計算的算法性能（減少試探性移動次數(shù)等）

提高鏡片移動速度和協(xié)調(diào)性

03 反差對焦的應(yīng)用場景

一般來說，反差對焦常用在需高精度對焦的靜態(tài)拍攝（人像、微距攝影等場景）上。

弱光場景下，還可以搭配大光圈鏡頭提升進(jìn)光量，彌補(bǔ)速度劣勢。

不過更多的時候，反差對焦系統(tǒng)會和其他對焦系統(tǒng)結(jié)合，各取所長。

例如，反差對焦系統(tǒng)和相位對焦系統(tǒng)合作，對焦時，相位對焦快速定位大致焦點(diǎn)，反差對焦微調(diào)對焦精度。

在不同場景下也可以使用不同的對焦方式，例如明亮環(huán)境啟用相位對焦快速合焦，弱光下切換至反差對焦。

04 總結(jié)

簡單總結(jié)一下吧。

反差對焦靠反差，計算對比取最大。

先從最近來試探，每走一步算一算。

經(jīng)過距離最佳值，對比度大變小時。

鏡頭回到上一步，得到最大清晰度。

優(yōu)點(diǎn)靈活成本低，環(huán)境依賴速度慢。

現(xiàn)代對焦系統(tǒng)中，常常合作來使用。