PDAF

今天来讲一讲PDAF（相位对焦）的基本原理。

 

在自动对焦的时候总是有一个困惑，知道图像是不清楚的，但是lens应该向前还是向后移动呢？总是要前后移动lens一下才知道，普通的反差法对焦就是这么做的，爬山嘛。PDAF的出现就是为了解决这个lens移动的问题，可以根据图像，预判lens运动的方向。

PDAF最早运用在单反上，已经是非常成熟的技术了，原理如下图。

左图为CCD在焦后的情况，右图为焦前。当CCD在焦后时，在线阵CCD1和CCD2上会发现聚焦点CCD1的在左，反之，则聚焦点CCD2的在左（图中红色标记的光线）。

这种方法需要加额外的一个半透半反镜，还需要加两个透镜，两个线阵CCD，结构复杂，不适用于手机等便携式设备中。所以pdaf sensor应运而生。

 

PDAF sensor的原理和单反中的略有不同。

以轴上点为例，紫色光线代表经过上半部分透镜的光线，而蓝色代表经过下半部分透镜的光线，可以看到，当CCD在焦前的时候，上半部分的CCD接收到的是上半部分的光线，而下半部分的CCD则接收到的是下半部分的光线，反之，在焦后的时候恰好相反。那么如果我们可以区分光线是来自透镜的上半部分还是下半部分，我们就可以知道是焦前还是焦后了。不难发现，CCD越接近理想成像面，两色光线在CCD上所成像越接近，当恰好成像清晰时，两色光线是重合成一点的。

 PDAF sensor的一种实现如下图所示，在CMOS上面一半的位置加了金属遮盖，这样，被遮住左边一半的像素点就只能接受左边来的光，同理，pair的被遮住右边一般的像素点就只能接受右边来的光。一般在CMOS中，遮住左边和遮住右边的像素点是在相邻位置会成对出现。

按照这种原理，我们就可以知道，上图的轴上点发出的光在位于焦前的CCD上所成像应如下图所示。横坐标为pixel的x轴坐标，以光轴中心为0，纵坐标是像素接收到的光强。可以看到，左边遮挡的像素（L）和右边遮挡的像素（R）所得到的图像是关于光轴对称的。所以，我们可以通过求自相关得到两个图像的shift，进而求得sensor需要移动的距离（当然要通过tunning获得这样的对应关系）。

讲到这里，应该是没毛病的，对于轴上一点，pdaf是可以有效的得到相位信息的。

那么对于轴外一点呢？如下图所示，当然也是可以的。

细心的可能会发现这里有个问题，轴上点和轴外点在CCD上面的成像会彼此交叠，这样，应该会对pdaf的效果产生影响的。好在我们平常的场景中，一般都有一些中低频物体，那么对这些物体的话应该是影响很小的。

 PDAF的最终效果还和什么有关系呢？

1. 相机的F数，F数越小，PDAF的效果越精确。F数越小，景深越小，那么在物体离焦时，得到的弥散斑越大，L和R的shift越大

2. 相机的曝光时间理论上不影响PDAF的效果，但是如果曝光时间过短，图像噪点过大，是会造成pdaf的L和R shift不准确的

3. 物体距离相机越近，pdaf的效果越精确。物体距离相机越近，物体移动相同距离的shift比在物距远时要大，这个跟景深是吻合的

4. 物体的pattern，当物体的pattern呈某种特定形状，会使得pdaf的像素检测不到shift，比如纯色或重复的pattern

5. 轴外点的精度低于轴上点。同样的离焦情况下，轴上点的shift比轴外点要大。

6.物体本身的颜色。当pdaf的像素都是G时，如果物体本身的颜色为R或者B，则会导致pdaf接收到的光能过小，从而影响pdaf的准确性