3. AF 自动对焦：对比度对焦与相位对焦的原理、对焦窗口选择策略

自动对焦（AF）是 ISP 流水线里最“显眼”的模块之一。用户按下快门前，系统得在几十毫秒内把镜头推到合焦位置。我这些年调过不少 sensor，说实话，AF 调好了，照片的“锐利感”就稳了一半。

AF 的核心就一句话：找到镜头移动过程中，图像最清晰的那个位置。但怎么定义“清晰”，怎么快速找到它，这里头门道不少。

3.1 对比度对焦（CDAF）

对比度对焦，也叫反差对焦。它的原理很直观：图像越清晰，相邻像素之间的亮度差异（对比度）就越大。

你想想看，一张完全模糊的照片，所有像素都糊在一起，灰度值差不多。一旦对上焦，边缘就出来了，亮暗分明。CDAF 就是利用这个特性。

3.1.1 工作原理

CDAF 的工作流程是一个“搜索-评价-驱动”的闭环：

1. 移动镜头：马达驱动镜头，从近端向远端（或反向）步进移动。
2. 抓取图像：在每个步进位置，抓取一帧图像（或 ROI 区域）。
3. 计算评价值：用评价函数计算当前图像的清晰度，得到一个数值（Focus Value, FV）。
4. 寻找峰值：继续移动，直到 FV 开始下降，说明已经越过了峰值。
5. 回退合焦：将镜头退回到 FV 最大的位置。

3.1.2 优缺点

特性	说明
优点	算法简单，硬件实现容易；精度高，理论上可以做到像素级合焦；对 sensor 无特殊要求。
缺点	速度慢，需要“爬山”搜索，容易陷入局部极值；对低对比度场景（如白墙）失效；不适合拍摄运动物体。

3.2 相位对焦（PDAF）

相位对焦，说白了就是“测距”。它不靠图像内容，而是通过检测光线通过镜头不同区域后的相位差，直接计算出镜头应该移动的方向和距离。

3.2.1 工作原理

PDAF 需要在 sensor 上集成特殊的相位检测像素（PD Pixel）。这些像素被遮挡了一半的光路（左半或右半），形成一对“左视”和“右视”像素。

• 合焦时：左右像素接收到的光强一致，信号波形重合。
• 前焦（镜头靠前）：左右像素信号出现偏移，相位差为正。
• 后焦（镜头靠后）：相位差为负。

通过计算这个相位差的大小和方向，系统可以一步到位地告诉马达：“往回调 X 微米”。

3.2.2 优缺点

特性	说明
优点	速度快，一次计算即可得到方向与距离；对低对比度场景鲁棒；适合追焦和连拍。
缺点	需要专用 PD 像素，增加 sensor 成本；PD 像素会牺牲部分成像质量（坏点校正）；精度受限于像素间距，不如 CDAF 精细。

3.3 对焦窗口选择策略

不管用哪种对焦方式，你都得告诉 ISP：“你只算这个区域里的清晰度”。这个区域就是对焦窗口（Focus Window / ROI）。

窗口选得好，对焦又快又准。选得不好，背景比前景清晰，系统就对焦到背景上去了。

3.3.1 常见策略

• 中心权重：默认把窗口放在画面中央。最简单，但构图偏移时容易失焦。
• 人脸/人眼优先：检测到人脸后，窗口自动锁定到人脸区域。这是目前手机的主流策略。
• 多窗口融合：在画面中设置多个子窗口（如 3x3 网格），分别计算 FV，取最大值或加权平均。
• 触控对焦：用户点击屏幕，窗口直接移动到点击位置。

3.3.2 窗口大小与形状

参数	建议	原因
窗口大小	画面总面积的 10% ~ 25%	太小容易受噪声影响，太大容易包含不同景深物体。
窗口形状	矩形或椭圆形	矩形便于硬件加速；椭圆形更贴合人眼/人脸区域。
边缘权重	中心高、边缘低	减少窗口边缘物体切换带来的 FV 抖动。

3.4 CDAF 与 PDAF 的协同

现在的 ISP 很少只用一种对焦方式。主流方案是混合对焦（Hybrid AF）：

1. 启动阶段：PDAF 快速计算相位差，驱动镜头到大致合焦位置。
2. 精调阶段：切换到 CDAF，在小范围内做精细搜索，找到峰值。
3. 跟踪阶段：如果检测到物体移动，PDAF 持续输出相位差，CDAF 做校验。

3.5 本章知识体系

下面这张图总结了 CDAF 与 PDAF 的核心差异，以及它们在对焦窗口策略下的协同关系。