3. AF对焦原理与海思AF算法框架
自动对焦（Auto Focus, AF）是摄像头模组获取清晰图像的核心环节。在安防、车载、机器视觉等嵌入式场景中，海思平台通常集成多种对焦技术，并根据场景动态切换或融合。本章深入剖析对比度对焦（CDAF）、相位对焦（PDAF）、激光/TOF辅助对焦的原理，并拆解海思AF算法框架的层级与数据流。
3.1 对比度对焦（CDAF）
CDAF基于图像本身的清晰度评价函数，通过搜索透镜位置使评价函数值最大。其核心是“爬山算法”：在透镜移动过程中，实时计算当前帧的对比度值，若值上升则继续同向移动，若下降则反向搜索，直至找到峰值。
关键评价函数（Focus Value, FV）：常用Tenengrad（Sobel梯度）、Laplacian、Brenner、方差（Variance）等。海思ISP内部通常使用经过优化的多尺度梯度累加器，兼顾灵敏度与抗噪性。
工程避坑：CDAF在低对比度场景（如白墙、夜空）容易陷入局部极值或来回振荡。海思ISP通常配置“死区阈值”和“滞回比较器”，避免透镜在平坦区域无效微动。
3.2 相位对焦（PDAF）
PDAF通过在sensor像素阵列中嵌入专用相位检测像素（左/右半遮光像素），直接计算入射光的角度差，从而一次性判断对焦方向与距离，无需反复搜索。海思平台支持On-Sensor PDAF和基于ISP的PDAF后处理两种模式。
| 特性 | CDAF | PDAF |
|---|---|---|
| 对焦速度 | 慢（需多次搜索） | 快（一次计算方向） |
| 精度 | 高（依赖图像内容） | 中高（受像素遮挡影响） |
| 低照度性能 | 差（噪声干扰FV） | 较好（相位信号独立） |
| 硬件成本 | 低（纯算法） | 高（需专用sensor） |
| 海思支持 | 全系列ISP | Hi3519A/Hi3559A等高端型号 |
3.3 激光/TOF辅助对焦
激光测距（TOF）通过发射红外脉冲并测量飞行时间，直接获取物距。海思平台通过I²C/SPI接口读取TOF模块的距离值，将其作为AF搜索的初始位置参考或置信度权重，大幅缩短搜索范围。
- 激光辅助：适用于近距离（0.1~2m），精度±1cm，在微距场景下优势明显。
- TOF辅助：适用于中远距离（0.3~5m），可输出深度图，辅助多目标对焦决策。
- 融合策略：海思AF框架支持“TOF粗定位 + CDAF精调”或“PDAF主对焦 + TOF防误判”两种典型模式。
联调注意：激光/TOF模块的帧同步必须与sensor VSYNC对齐，否则距离数据与图像帧错位会导致对焦抖动。海思VI模块支持外部触发同步，需在sensor驱动中配置GPIO中断。
3.4 海思AF算法框架
海思AF算法运行在ISP的AE/AWB/AF 3A统计引擎之上，采用分层模块化设计。整体框架分为：驱动层（VCM/I²C控制）、算法层（FV计算、PDAF解析、融合决策）、策略层（场景识别、搜索策略、防抖逻辑）。
3.4.1 关键数据结构
海思AF算法通过结构体 ISP_AF_ATTR_S 传递配置参数，以下为典型成员：
typedef struct {
HI_BOOL bEnable; // AF使能
HI_U32 u32SearchStep; // 搜索步长（单位：VCM code）
HI_U32 u32StableThr; // 合焦稳定阈值
HI_U32 u32ZoomPos; // 当前变焦位置（影响无穷远对应code）
HI_U32 u32InitPos; // 初始位置（TOF辅助时使用）
HI_U32 u32MaxPos; // VCM最大限位
HI_U32 u32MinPos; // VCM最小限位
ISP_AF_MODE_E enAfMode; // CDAF / PDAF / HYBRID
} ISP_AF_ATTR_S;3.4.2 典型联调流程
- sensor初始化：配置sensor输出分辨率、帧率、PDAF像素使能（若支持）。
- VCM校准：通过I²C扫描VCM的全程位置，记录近端/远端code与物理距离映射表。
- AF参数配置：设置搜索步长、稳定阈值、场景模式（风景/微距/运动）。
- 实时统计：ISP每帧输出FV值和PDAF相位差，AF算法线程以帧同步为节拍运行。
- 决策输出：算法层计算目标位置，驱动层通过I²C写入VCM寄存器。
- 闭环验证：读取VCM回读位置，与目标位置比较，误差超过阈值时触发补偿。
海思调试工具：使用海思提供的
AF_TuningTool 可以实时观察FV曲线、PDAF置信度、VCM位置波形，是联调阶段最核心的辅助手段。