自動對焦了解一下

自動對焦了解一下

　　了解自動對焦，對你的攝影道路少走很多彎路

　　自動對焦的定義與相關(guān)知識

　　在回答這個問題之前，必須要先弄清楚什么是對焦。對焦指的是調(diào)整鏡頭獲得細(xì)節(jié)最豐富的高清圖像。能夠獲得最佳對焦的只有畫面中的一個對象。

　　相機(jī)良好的對焦系統(tǒng)可以為圖像帶來快速穩(wěn)定的成像。眼睛與相機(jī)往往會拿來作對比，但在自動對焦這方面，除了近視遠(yuǎn)視的人，其實(shí)我們很難感覺到人眼是怎么對焦的。基本一眼看去某個方向，就能立馬完成對焦得到清晰的圖像。人的視覺注意力通常只能集中在一個小區(qū)域范圍內(nèi)，而在相機(jī)對焦時也應(yīng)該遵守這個原則：選取一點(diǎn)進(jìn)行對焦。

　　自動對焦就是相機(jī)調(diào)整鏡頭令畫面的一個點(diǎn)達(dá)到最清晰的狀態(tài)。

　　從中畫幅到手機(jī)，大多數(shù)攝影器材都有自動對焦功能。數(shù)碼單反的自動對焦功能仿佛太過于死板，只能在固定點(diǎn)進(jìn)行對焦，而現(xiàn)代的智能手機(jī)能通過手指點(diǎn)擊確定對焦點(diǎn)位置，讓用戶可以自由直觀地在圖像的任意位置進(jìn)行對焦。

　　單反的對焦速度更快更精確，但對焦點(diǎn)數(shù)目少，會導(dǎo)致很多麻煩。并不是我們想要對焦的位置都在畫面中間或?qū)裹c(diǎn)覆蓋的其他地方。這樣的問題要如何解決?

　　入門單反的對焦屏有11個對焦點(diǎn)。

　　中端單反對焦點(diǎn)也多。

　　拍攝模式對對焦功能的影響

　　首先在對焦前要決定拍攝模式，大致分為自動的場景模式和手動模式兩種。若是自動場景模式，相機(jī)會預(yù)先決定對焦方式以適應(yīng)眼前的環(huán)境。若是使用手動P、A、S、M模式，相機(jī)就會允許用戶改變對焦設(shè)定，甚至改變對焦點(diǎn)的位置。要完全控制對焦功能，就要使用這些操作范圍廣的手動PASW模式。

　　單反的模式轉(zhuǎn)盤被劃分成高端模式與入門的自動場景模式

　　掌握有關(guān)自動對焦的拍攝技巧

　　重構(gòu)圖步驟教程

　　若相機(jī)提供多個對焦點(diǎn)，用上這些對焦點(diǎn)會令創(chuàng)作更加靈活。有些人喜歡只用中央對焦點(diǎn)，他們覺得中央對焦點(diǎn)對焦最準(zhǔn)確，也最常用。使用的重點(diǎn)在對好焦后的再次構(gòu)圖，具體步驟如下：

　　1.對焦點(diǎn)設(shè)置：將對焦設(shè)置為單次伺服對焦或單點(diǎn)對焦，對焦點(diǎn)選擇在中央點(diǎn)上。中央對焦點(diǎn)往往是技術(shù)含量最好的。

　　2.使用半按快門的技巧：在調(diào)整好相機(jī)設(shè)置之后，使用半按快門的技巧保持對焦距離不變。

　　3.再次構(gòu)圖：在半按快門的前提下移動拍攝角度，運(yùn)用三分法等經(jīng)典構(gòu)圖法則，重新對畫面重新構(gòu)圖。

　　使用中央對焦點(diǎn)+AF鎖也是正確的用法，這就是預(yù)對焦。若不希望一直占用著快門鍵，AF鎖就能幫上大忙

　　使用非中央對焦點(diǎn)，嘗試不同的對焦模式

　　即使有了51點(diǎn)對焦系統(tǒng)，我們也常遇到主體跑出對焦區(qū)域的情況。其實(shí)我們掌握了中央單點(diǎn)對焦重構(gòu)圖的技巧，這些多余的對焦點(diǎn)有什么用呢?

　　第一個原因：重構(gòu)圖會導(dǎo)致對焦距離產(chǎn)生變化。當(dāng)拍攝主體較遠(yuǎn)時，移動拍攝角度產(chǎn)生的距離差可以被忽略，但若是近距離拍攝，這距離差就大了，就像微距拍攝時移動鏡頭造成的后果一樣。

　　第二個原因：事前精心準(zhǔn)備的構(gòu)圖會被破壞。若在拍攝前就決定好取景構(gòu)圖，實(shí)在不適宜因?qū)沟膯栴}就改變固定好的機(jī)位，此時使用對應(yīng)位置的對焦點(diǎn)才是最好選擇，若再不行，寧愿手焦也不愿改變機(jī)位。

　　第三個原因：多點(diǎn)對焦有利于跟焦拍攝移動物體。奔跑的小孩、飛馳的賽車，若是使用單點(diǎn)對焦拍攝這些移動物體，難以對準(zhǔn)，容易脫焦，也沒時間重構(gòu)圖;而相機(jī)若有多點(diǎn)對焦系統(tǒng)，可以用伺服對焦令拍攝成功率增加。

　　高階相機(jī)會提供強(qiáng)大實(shí)用的對焦模式，親自試試看是否對自己有幫助

　　若機(jī)身上有快捷鍵，可以快速更改對焦模式

　　改善自動對焦的效果

　　在有圖像反差的地方對焦

　　相機(jī)通過圖像的反差來認(rèn)識世界，如果是面對白色的物體，沒有任何細(xì)節(jié)反差，相機(jī)無論怎么對焦都只能看到一大塊白色，根本不知道自己對準(zhǔn)沒，對焦就會失敗。若在反差明顯的地方對焦，成功率可是相當(dāng)高，對焦速度也超快!

　　左圖中央點(diǎn)對焦因?yàn)槲矬w上的反差很快成功，而右圖因?yàn)橹醒雽裹c(diǎn)內(nèi)一片漆黑而對不上焦。

　　使用對焦輔助燈應(yīng)付全黑環(huán)境

　　卡片機(jī)或微單常用紅光輔助對焦，單反大多都可以使用閃燈作為對焦輔助燈，在全黑的環(huán)境下，相機(jī)會遇到前文提到的情況：相機(jī)怎么對焦都只能得到一片黑色，根本不知道對沒對準(zhǔn)。這時使用對焦輔助燈就能讓相機(jī)看到周圍的環(huán)境了!

　　在某些旅游景點(diǎn)或私人區(qū)域，閃光燈是不允許的，所以平時最好將這個功能關(guān)掉，需要用時再打開。

　　便攜相機(jī)常有的紅光，用于輔助對焦

　　購買大光圈鏡頭

　　聽起來像是“用錢可以解決所有問題”，但對比光圈較小的狗頭，較大口徑的鏡頭真的會令自動對焦更加快捷準(zhǔn)確(對焦馬達(dá)和對焦外部條件一致時)。不是說能大幅度地提高對焦速度，而是降低鏡頭拉風(fēng)箱的幾率。如果使用的鏡頭最大光圈太小，一些老的入門單反甚至只能用中央對焦點(diǎn)對焦，而其他對焦點(diǎn)會失效。

　　自動對焦的發(fā)展簡史

　　1960年，萊茨(現(xiàn)在的萊卡)開始申請自動對焦技術(shù)專利。1976年，萊卡在世界影像博覽會(Photokina)展示了一個自動對焦的相機(jī)(Correfot原型機(jī))。1977年，柯尼卡發(fā)布了第一臺大規(guī)模生產(chǎn)的自動對焦相機(jī)C35。1981年，賓得發(fā)布了第一臺TTL自動對焦的35mm單反相機(jī)ME-F，1983年，尼康也發(fā)布了類似的自動對焦相機(jī)F3。

　　自動對焦模塊在下面突出。

　　這些早期能自動對焦的單反都帶有鏡頭馬達(dá)，尤其是你會看到小巧的標(biāo)準(zhǔn)鏡頭旁邊有一大塊馬達(dá)機(jī)構(gòu)在旁。這一直持續(xù)到1985年，美能達(dá)MAXXUM7000隨著傳感器驅(qū)動電機(jī)在機(jī)身上。

　　這是第一臺成功打開自動對焦單反市場的相機(jī)。在此機(jī)以前的自動對焦相機(jī)對焦慢而且老出錯，制作成本也比手動機(jī)器高很多。

　　尼康緊跟美能達(dá)之后也有所發(fā)展，但在92年也重新用回機(jī)身馬達(dá)。佳能在1987年推出EOS系統(tǒng)，在擴(kuò)大卡口的同時直接將對焦系統(tǒng)完全電子化，此舉等同于放棄原有的FD卡口。

　　歷史大概是如此了，讓我們看看里面具體的技術(shù)吧~。

　　FD和EF已經(jīng)是完全不同的兩個卡口。

　　物理理論

　　相位檢測

　　大部分自動對焦的單反都用此原理進(jìn)行對焦。光線通過副反光鏡射入下方的對焦用傳感器進(jìn)行對焦。在相位檢測測距組件上的感光元件是排成一個陣列(一般是排成一行)在光線照射下，會產(chǎn)生一定的電信號。因此相位檢測只能檢測一個固定方向的對焦情況，而不能檢測圖像的整體形狀。高端單反相機(jī)往往用兩組相位檢測儀組成精確的十字對焦系統(tǒng)，或用四組檢測儀組成雙十字對焦系統(tǒng)。要注意的是，不同廠家對于雙十字對焦定義也不一樣，如中央8向雙十字對焦和井形雙十字對焦等。

　　可以看到內(nèi)部有防反光的幾何設(shè)計(jì)，灰塵不少。

　　反差檢測

　　反差檢測原理的對焦系統(tǒng)，一般會整合到感光元件里面，在使用數(shù)碼單反的實(shí)時取景功能時你會用上它。小型相機(jī)和無反相機(jī)往往只能用反差檢測式的對焦系統(tǒng)。其實(shí)雖然說是系統(tǒng)，反差檢測只是用軟件就可以實(shí)現(xiàn)，不需要特別的物理原件。最重要就是感光元件和圖像處理器。

　　混合型檢測

　　如名所示是上文兩種系統(tǒng)的結(jié)合。將相位傳感器集成到主感光元件上，以實(shí)現(xiàn)兩種檢測同時運(yùn)行的效果。混合性檢測有助于提高對焦速度。

　　工作原理

　　我們了解了對焦的物理理論。接下來將試試將其變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

　　焦點(diǎn)和距離

　　相機(jī)的鏡頭是一套復(fù)雜的系統(tǒng)，但我們可以將其看做只有一塊鏡片。要對焦，只要移動這塊鏡片就好。拍攝對象的距離決定了移動鏡片的程度。理想化的條件下，鏡片聚焦情況遵守以下公式：

　　這公式要求鏡片本身沒有厚度……這是不可能的事。不過我們現(xiàn)在只是借助這條公式作為參考。

　　非常簡單的鏡頭，就像一個放大鏡。

　　非?？鋸埖卦O(shè)定鏡頭焦距為1000mm，即使1m。所以1/f=1。當(dāng)S1、S2均為2m時，公式成立，燈泡成功對焦。 　　若燈泡從2m處移動到8m處，要想成功對焦根據(jù)上文公式，可解得S2=1.14m，感光元件應(yīng)該在1.14m處。可惜上圖并沒有如此，因此對焦失敗，感光元件上只有一個模糊的光斑，成為了畫面的焦外。

　　神馬!?1000m的鏡頭，物體從2m移動到8m，相機(jī)內(nèi)對焦，鏡片要移動0.86m?這相機(jī)體型要多大……

　　若在第一片鏡片后加入第二組鏡片，就可以有效控制后焦距距離，就可以對上焦了。如下圖例子：

　　鏡片的復(fù)合系統(tǒng)，這差不多成為真正的攝影鏡頭了。就算被攝物體大幅度移動，鏡頭內(nèi)鏡片也可以只移動一點(diǎn)點(diǎn)。 　　理想化的數(shù)學(xué)模型未必是完美的，但是的確能幫助我們?nèi)ピO(shè)計(jì)鏡頭。了解鏡頭結(jié)構(gòu)之后，接下來是相位檢測和反差檢測在相機(jī)內(nèi)運(yùn)用的情況。

　　相位檢測

　　相機(jī)機(jī)身內(nèi)，副反光鏡下，其實(shí)還有一些小型的鏡片組用以分離對焦用的光線。這些小鏡片組可以將主鏡頭光線重新分離成不同視覺方向的光線，再進(jìn)行相位檢測。這樣就相當(dāng)于旁軸相機(jī)的黃斑相位對焦。

　　假設(shè)我們有一張使用大光圈鏡頭拍攝的焦外虛化的圖片。其實(shí)這張圖片是由無線個無虛化圖片集合而成。而在現(xiàn)在的鏡頭技術(shù)水平條件下，這些無虛化圖片的一個共同點(diǎn)是在某一個固定平面它們記錄的信息相同。所以它們的集合，在這個平面上的信息是清晰的。

　　這就是大光圈虛化的真相，你所看見的光斑，其實(shí)每一點(diǎn)都是原來的點(diǎn)光源，只不過是亮度低，點(diǎn)數(shù)多，又剛好排成圓形，看起來才是光斑的樣子。

　　因此一般我們看到的照片，只要是由光圈結(jié)構(gòu)鏡頭拍出來的，都已經(jīng)包含多個角度的圖像。小鏡片組的作用是分離出其中的兩個角度，交給對焦傳感器將其進(jìn)行對比，確定那個平面的位置。

　　反光板下的鏡片組就像光圈F22的小鏡頭，在不同的角度提取出模糊畫面之中的細(xì)節(jié)。

　　原理簡圖。其中沒有鏡頭和附加的鏡片。

　　光線來自鏡頭的兩個方向，被兩組不同的相位檢測儀捕捉檢測，并進(jìn)行對比。被捕捉的圖像其實(shí)在畫面中是相同的位置，是對焦點(diǎn)所在的位置。

　　原理簡圖。省略了鏡頭的存在。

　　相位檢測儀將輸出兩組數(shù)據(jù)到AF運(yùn)算芯片中進(jìn)行比較。雖然不同的廠家有不同算法，但這個過程一般會用到自相關(guān)和匹配函數(shù)。我們的最終目的是計(jì)算兩組圖像之間相距的距離，然后進(jìn)行調(diào)整。最終結(jié)果越近越好。

　　對比圖像信息就可以完成對焦了。

　　前文有提到過相位檢測對焦有一字對焦、十字對焦等分別。其實(shí)一字對焦就是一對相位檢測儀組成的系統(tǒng)，十字對焦就是兩對，一橫一豎，或是斜向交叉排列。下圖是多組不同方向相位檢測的檢測情況。

　　十字對焦總是更有優(yōu)勢。

　　反差檢測

　　反差檢測會讀取對焦點(diǎn)位置附近的圖像，記錄圖像像素的亮度并求出它們的最大對比值。圖像獲得最大對比值，就是對焦成功時。

　　圖中的函數(shù)梯度反映了圖像的對比度。就可從數(shù)學(xué)方式判斷較銳利的圖像。

　　接下來鏡頭將前后移動對焦，相機(jī)補(bǔ)鑊圖像分級計(jì)算，令圖像往對比度高里變化。如果對比度降低，說明鏡頭走錯了方向，調(diào)整方向繼續(xù)對焦，直到對比度獲得最大值為止，就對好了焦。

　　上圖模擬了相機(jī)的對焦步驟：對焦，走錯回頭，經(jīng)過最優(yōu)點(diǎn)，最后微調(diào)。

　　反差檢測自動對焦的結(jié)果可以非常精確，因?yàn)樗苯右匝a(bǔ)鑊圖像為基礎(chǔ)進(jìn)行運(yùn)算，沒有其他可能出差錯的硬件系統(tǒng)，跑焦可能性就小了。但是這種結(jié)構(gòu)也決定了相機(jī)必須要來來回回移動鏡頭才能完成對焦，所以從理論上分析，反差檢測對焦要比相位檢測對焦慢?；蛟S現(xiàn)在一些新相機(jī)上，反差對焦表現(xiàn)也不錯，但是其中還有鏡頭小型化等原因，像單反鏡頭這樣的大體積鏡頭，使用反差檢測對焦會很吃虧。

　　可以預(yù)見的是這兩種對焦方式都有其自身的局限。有沒有什么辦法能兩全其美?

　　不同的主題、不同的光線效果，都對照片的對比度有影響。

　　混合式檢測

　　想要兩全其美，獲得相位對焦的速度，又有反差對焦的準(zhǔn)確，要怎么辦呢?使用混合式檢測就可以達(dá)到這樣的效果!

　　無反相機(jī)或使用實(shí)時取景的單反相機(jī)對焦時，所有的光線將直接照射在感光元件上，所以混合式檢測對焦的辦法就是將相位檢測儀集成在感光元件中，不再另外設(shè)置硬件檢測對焦。

　　那么如何將相位檢測儀集成其中?考慮到現(xiàn)代感光元件的結(jié)構(gòu)，最簡便的方法是選擇感光元件內(nèi)的像素點(diǎn)，將其中的微透鏡覆蓋擋住一半。

　　原理

　　相位檢測要求先從虛化的大光圈鏡頭成像內(nèi)抽取沒有虛化的小光圈鏡頭成像。

　　擋住一半微透鏡的意義是，讓這個像素只接收一個方向的光線。擋住左邊只接收右邊，擋住右邊只接收左邊。于是相機(jī)就可以分別獲得從左右兩邊而來的圖像，就可以進(jìn)行相位檢測了~!

　　選擇綠色是因?yàn)榫G色像素點(diǎn)比較多。

　　這項(xiàng)技術(shù)和舊時代的膠卷相機(jī)裂像對焦屏一樣原理，分離左右兩方向的光線成像，當(dāng)它們重合時即可完成對焦。富士的X100s以此實(shí)現(xiàn)了電子裂像對焦屏，索尼、佳能、尼康也在它們的相機(jī)上實(shí)現(xiàn)了混合對焦系統(tǒng)。

　　融合在感光元件上的相位檢測儀低光檢測能力不是很強(qiáng)，檢測位置也往往被限制在畫面中心區(qū)域。這項(xiàng)技術(shù)現(xiàn)在在起步階段，未來的發(fā)展方向可能是進(jìn)一步排擠像素點(diǎn)的位置，插入更多對焦專用傳感器，再植入高端的相位檢測技術(shù)，如“米”字和“井”字排練對焦。