全像素双核CMOS AF系统详解

发布日期：2013-07-05

随着EOS 70D的发布，佳能的一项新技术也跃入了摄影爱好者的视野。EOS 70D最大的卖点无疑是新型的全像素双核CMOS AF系统（Dual Pixel CMOS AF）。不少人用类似里程碑、革命这样的词语来形容这项新技术。是不是革命，是不是里程碑，是不是能够代表未来，这一切我们目前还无从得知。但是，要了解全像素双核CMOS AF为何会引起广泛的讨论和关注，我们还要从对焦的基本原理说起。

单反相机相位侦测自动对焦的基本原理

自动对焦是现代相机的重要性能之一。无论单反相机、单电相机还是便携数码相机，主流产品基本都必须配备自动对焦系统。目前相机所使用的自动对焦系统主要有两种，一种被称作相位侦测自动对焦（phase detection autofocus），而另一种被称为反差检测自动对焦（contrast detection autofocus）。

传统单反相机都使用相位侦测自动对焦。我们知道单反相机机身内有一块主反光板，它的作用是将从镜头入射的光线反射到光学取景器中。这块主反光板位于主光路上，挡住了射向感光元件的光线。当按动快门时，反光板弹起，光线投射到感光元件完成曝光。这是单反相机成像的基本原理，也是“单镜反光相机”这一名称的由来。

事实上，在单反相机中还存在一块副反光板。副反光板位于主反光板后方，其作用是将透过主反光板的少量光线反射到位于相机底部的自动对焦元件中。下图为你演示了在取景时（也就是主反光板落下时）单反相机的主要光路。绝大多数光线被主反光板反射到光学取景器中，少部分光线透过主反光板反射到对焦系统以完成对焦。

那么，相机的对焦系统又是如何完成对焦的呢？

相机对焦系统主体其实是一个小型的感光元件，对焦模块被分成一个个不同的对焦单元。你在取景器中看到的每一个对焦点都对应一个相应的对焦单元。光线通过副反光板被反射到对焦系统，在被感光元件感光之前，会经过一个微棱镜进行分光。经过微棱镜分光的两束光线分别投射到两个图像感应器上，对焦系统采集这两幅图像进行比对分析。

下图是一个相位侦测对焦原理的模拟图。相机检测同一个对焦单元中的两幅图像，通过相位来判断是否合焦，这也就是“相位侦测”的名词来源。在这个例子中，图2代表正确合焦，两幅图像相位相同，完全重叠；图1代表合焦在感光元件之前，而图3则代表合焦在感光元件之后。正是通过这样的方法，单反相机依靠一个独立的相位侦测对焦模块实现自动对焦。

如果你能想象一下相机在零点几秒的时间里所完成的所有这些精密操作，你会多很多尊重，多很多谦逊。对科学和技术多一点了解，你就会出离佳能好还是尼康好的怪圈——在口无遮拦的网络留言中是看不到人类智慧的。也许只会责问自己，为什么我们今天无法买到中国人自己设计生产的数码单反相机？这恐怕不是哪个公司的问题，而是植根于整个社会土壤之中的。

全像素双核CMOS AF产生的背景

与单反相机不同，单电相机和便携数码相机都没有反光板，无法通过改变光路将光线投射到一个独立的相位侦测对焦模块上。因此，这些相机都直接采用相机的感光元件进行对焦。单反相机在实时取景模式下反光板升起，不能使用相位侦测对焦模块，故此也需要一种通过感光元件的自动对焦设计来完成自动对焦。

早先，相机制造厂商都采用一种被称为反差检测的方法进行自动对焦。一般来说，合焦的图像最清晰，反差也最高。相机通过直接检测感光元件图像的反差来判断对焦。由于反差检测自动对焦所检测的对象是感光元件上的图像，因此理论上反差检测应该可以获得更准确的对焦。问题在于，反差检测自动对焦的速度很慢，而且无法判断距离，所以在追焦性能上远远无法达到相位侦测自动对焦的水平。

对于实时取景以及单电相机来说，提高感光元件对焦能力成为了一个相当重要的课题。这个问题有两种解决思路。第一种是提高反差检测自动对焦的速度。然而这些年来的实践都无法改变反差检测在对焦速度、尤其在追焦性能上大幅落后于相位侦测对焦的现实。比如奥林巴斯OM-D E-M5的单次伺服对焦性能已经非常不错，然而在连续对焦方面依然与单反相机有很大差距。于是，另一种思路应运而生，即在这个通过感光元件对焦的过程中引入相位侦测对焦模块。

由于单反相机原本就有相位侦测自动对焦系统，因此厂商想出了借用已有相位侦测系统的方法。使用液晶屏取景，当释放快门时，反光板迅速落下，这时候相机就可以使用相位侦测自动对焦系统完成对焦，然后反光板再次弹起完成拍摄。显然，因为多了一步落下反光板的过程，这种方法不可能达到使用光学取景器拍摄相同的速度，而且大大减弱了强大的相位侦测自动对焦系统的灵活性，这只能是一种权宜之计。

此后，相机制造厂商开始为感光元件配备相位侦测自动对焦系统。通过将部分像素点的一半遮盖起来使得这些像素点只能接受来自镜头一侧的光线。这样，在感光元件上有部分像素点只接受来自镜头左侧的光线，而另一部分则只接受来自镜头右侧的光线，检测两者的相位，相机就能判断是否合焦以及合焦的远近，其原理与单反相机所使用的相位侦测对焦系统基本一致。

这种为感光元件植入相位侦测对焦系统的思路在一些富士的数码相机、尼康1系列单电相机和佳能的650D、700D等单反相机上都被采用过，其中尼康1系列的对焦性能是最好的。这种方法主要的问题在于被遮盖的像素只留下了一半感光面积，势必降低信噪比。相机需要后期处理来解决这些问题，甚至通过插值算法来排除这些像素。这使得在感光元件中大面积植入相位侦测系统成为不可能，直接导致感光元件相位侦测对焦系统的感光能力和对焦范围都受到制约。而佳能的全像素双核CMOS AF系统正是在这样的条件下应运而生。

全像素双核CMOS AF解决了什么问题

与传统的相位侦测系统植入思路不同，佳能在EOS 70D上率先采用的全像素双核CMOS AF系统没有屏蔽一半像素，而是将每一个像素都分裂成了左右两半。这样，每一个像素都有感受左半部分光线与右半部分光线的两个独立光电二极管，通过检测左右两侧的相位，相机就能对对焦进行判断。也就是说，事实上整个感光元件都变成了一个巨大的相位侦测自动对焦模块。

佳能的全像素双核CMOS AF系统为单电相机和实时拍摄、视频拍摄的相位侦测对焦提供了新的解决思路。从某种程度来说，全像素双核CMOS AF可以被看作是这几年感光元件相位侦测对焦努力的集大成者。从理论上来看，佳能通过全像素双核CMOS AF解决感光元件了相位侦测对焦的两个主要问题。首先，由于没有遮盖任何像素，避免了因安装相位侦测对焦系统而造成感光性能下降、影响画质的弊端。其次，因为不会影响画质，对焦侦测系统可以分布到每一个像素，布满整个图像显示区域，这就解决了既往相位侦测系统范围有限的问题。

如果你是一个经过科学训练的人，或者你是一个做实验研究的人，你一定会很喜欢全像素双核CMOS AF这个新系统。因为它是那种具有极强针对性的解决实际问题的产品。这个设计在各方面都严格符合逻辑推理，无论实际效果如何，这个idea本身就足以让人向佳能献上掌声。

全像素双核CMOS AF究竟给我们带来什么

全像素双核CMOS AF系统的实用性究竟如何恐怕要留待实践的检验。EOS 70D正式上市后不用多久我们就会知道答案。无论它是否像佳能宣称的那么具有“革命性”，这一定是未来相机发展的思路。而且，不用怀疑，新的基于图像感应器的相位侦测自动对焦系统会在这个基础上不断完善，并且越来越好。在像素升级逐渐成为鸡肋的今天，这或许才是数码相机未来一段时间里可能的卖点与升级主线。

佳能的全像素双核CMOS AF很可能为数码相机市场带来一场全球性的气候改变，因为它蕴含着一些潜在的力量。我们在这篇文章的最开头已经了解了单反相机的相位侦测自动对焦原理。你可以看到这是一个非常精细的过程，其中对焦模块的装配位置至关重要。必须保证光线投射到对焦模块上的距离与投射到感光元件上的距离相当，才能确保对焦模块的正常工作——因为对焦其实是在对焦模块上完成，而不是在感光元件上完成的。

这带来一个问题：如果对焦模块的装配精度不够就会造成对焦不准。记得曾经闹得沸沸扬扬的D800左侧对焦问题？为什么很多人怀疑是对焦模块的装配不精确——尽管尼康从来没有正面回应过——原因正在于此。一旦将相位侦测对焦模块完全转移到感光元件上，这个问题就不存在了。理论上，对焦模块装配再精密，其与感光元件之间总归或多或少存在一些误差。然而，将对焦模块直接移植到CMOS上则完全消除了这个误差。因此，至少从理论上来说，CMOS上的相位侦测对焦系统能够获提高对焦的精密程度。

除此以外，作为图像传感器的CMOS面积要远大于对焦模块的感光元件，且感受的光线量也将大幅增加。将相位侦测自动对焦系统植入整个CMOS将大大提高对焦模块的感光性能，理论上不但能够让对焦点覆盖到几乎整个画面范围，而且能够增强相机在昏暗环境的对焦能力。虽然70D的全像素双核CMOS AF系统只给出了最低1EV的对焦侦测范围，然而我相信CMOS相位侦测对焦系统在这方面迟早会超过目前单反相机所使用的传统相位侦测自动对焦系统。

简单来说，像佳能的全像素双核CMOS AF系统一般将相位侦测自动对焦系统完全移植到感光元件CMOS上，理论上对焦精度、对焦范围和暗部对焦敏感性等核心参数都应该强于传统的相位侦测自动对焦系统，而相位侦测自动对焦现有的优势都将得以保存。

当然，在带来好处的同时全像素双核CMOS AF也可能带来潜在的问题。最直接的担心来源于画质。本质上，你可以把70D配备的感光元件看成一块4040万像素的CMOS。通过70D获得的图像有些类似于将一张4040万像素的照片压缩到2020万像素的情况。由于每一个光电二极管的实际感光范围其实被减半，这样获得的照片在成像质量上是否能够达到“原生”2020万像素相机的水平还需要实践的检验。

无论如何，全像素双核CMOS AF是佳能对这个有些混乱的数码相机市场的一次清算。这个技术理念所带来的结果可能会超出我们的想象。一直以来困扰单电相机的核心问题也许就此走上真正解决的道路。我想，用不了多久，数码相机市场会出现另一次翻天覆地的变化。就这个问题，下周我会继续和你谈谈我所看到的单反相机和单电相机的未来。