相机是如何自动对焦的？

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你是否曾好奇过你的相机是如何知道你正在拍摄的对象的呢？

松下（Panasonic）和美国松下电器公司（Matsushita Electric Corporation of America）。自动对焦（Autofocus）是如今大多数相机都具备的一种功能，它能极大地节省时间，并且在多数情况下有助于提高我们拍摄照片的质量。在这篇文章中，你将了解到两种最常见的自动对焦形式，学会如何确定你的相机使用的是哪种自动对焦类型，还能学到一些防止使用自动对焦相机时照片模糊的宝贵技巧。

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什么是自动对焦？

自动对焦（AF）其实也可以被称为动力对焦，因为它通常借助计算机来驱动一个微型马达，从而为你调整镜头对焦。对焦就是使镜头前后移动，直到被拍摄对象最清晰的影像投射到胶片（film）上。根据被摄物体与相机之间的距离，镜头与胶片之间必须保持一定的距离才能形成清晰的影像。在大多数现代相机中，自动对焦是一系列自动功能中的一项，这些功能协同工作以使拍摄照片尽可能容易。这些功能包括：自动进片、自动闪光、自动曝光。自动对焦系统有两种类型：主动式和被动式。根据相机的价格，有些相机可能会结合这两种类型。一般来说，价格较低的傻瓜相机使用主动式系统，而价格较高、带有可更换镜头的单镜头反光（SLR-single-lens reflex）相机则使用被动式系统。

主动式自动对焦

1986年，宝丽来公司（Polaroid Corporation）使用了一种类似于潜艇在水下使用的声呐（sound navigation ranging，SONAR）的形式，向被摄物体发射声波并接收反射波。宝丽来相机使用一个超高频声波发射器，然后接收回声（详见“雷达工作原理（How Radar Works）”了解详情）。宝丽来Spectra和后来的SX-70型号计算反射的超声波到达相机所需的时间，然后据此调整镜头位置。这种利用声波的方式有其局限性——例如，如果你试图在一辆车窗关闭的旅游大巴内拍照，声波会从车窗反射回来，而不是从被摄物体反射，这样就会导致镜头对焦错误。这种宝丽来系统是一种典型的主动式系统。之所以被称为“主动式”，是因为相机发射某种东西（在这种情况下是声波）来检测被摄物体与相机之间的距离。如今相机上的主动式自动对焦使用红外线信号而非声波，这种方式对于距离相机20英尺（6米）左右的被摄物体效果很好。红外线系统使用多种技术来判断距离，典型的系统可能会使用：三角测量法、被摄物体反射的红外光量、时间。例如，这项专利描述了一种系统，它将红外光脉冲从被摄物体反射回来，并通过观察反射光的强度来判断距离。红外线是主动式的，因为在对焦模式下，自动对焦系统总是以脉冲形式发射不可见的红外光能。不难想象这样一个系统：相机像宝丽来相机发射声波脉冲一样发射红外光脉冲。被摄物体将不可见的红外光反射回相机，相机的微处理器计算出发射红外光脉冲的时间和接收到反射红外光脉冲的时间之间的时间差。利用这个差值，微处理器电路告知对焦马达移动镜头的方向和距离。当相机用户按下快门按钮一半时，这个对焦过程会反复进行。这个系统与超声波系统之间的唯一区别在于脉冲的速度。超声波的速度为每小时数百英里，而红外线的速度为每秒数十万英里。红外线感应可能会存在问题，例如：明火（例如生日蛋糕蜡烛）发出的红外光源可能会干扰红外传感器；黑色的被摄物体表面可能会吸收发射的红外光束；红外光束可能会从被摄物体前面的物体上反射回来，而不是到达被摄物体。主动式自动对焦系统的一个优点是它在黑暗中也能工作，这使得闪光灯摄影变得更加容易。在任何使用红外线系统的相机上，你都能在相机正面看到红外线发射器和接收器，通常靠近取景器。为了有效地使用红外线对焦，要确保发射器和传感器与被摄物体之间有清晰的路径，并且不会被附近的栅栏或动物园笼子的栏杆阻挡。如果你的被摄物体不在正中间，光束可能会直接从被摄物体旁边穿过，然后从远处不需要的物体上反射回来，所以要确保被摄物体位于中心位置。非常明亮的被摄物体或强光可能会使相机难以“看到”反射的红外光束——尽可能避免拍摄这些物体。这项专利、这项专利和这项专利分别展示了不同形式的红外线感应。

被动式自动对焦

失焦场景。被动式自动对焦常见于单镜头反光（SLR）自动对焦相机，它通过计算机对图像本身进行分析来确定到被摄物体的距离。相机实际上是观察场景并驱动镜头前后移动来寻找最佳对焦位置。一个典型的自动对焦传感器是电荷耦合器件（CCD-charge-coupled device），它为计算实际图像元素对比度的算法提供输入。CCD通常是一个由100或200个像素组成的单条带。场景中的光线照射到这个条带上，微处理器查看每个像素的值。以下图像有助于你理解相机所看到的情况：失焦像素条、对焦场景、对焦像素条。相机中的微处理器查看像素条，并查看相邻像素之间的强度差异。如果场景失焦，相邻像素的强度非常相似。微处理器移动镜头，再次查看CCD的像素，看看相邻像素之间的强度差异是改善了还是变差了。然后微处理器寻找相邻像素之间强度差异最大的点——这就是最佳对焦点。看看上面两个红色方框中的像素差异：上面方框中相邻像素之间的强度差异非常小，而下面方框中的差异则大得多。这就是微处理器在驱动镜头前后移动时所寻找的。被动式自动对焦必须有光线和图像对比度才能正常工作。图像需要有一些提供对比度的细节。如果你试图拍摄一面空白的墙或者一个大面积纯色的物体，相机无法比较相邻像素，也就无法对焦。被动式自动对焦不像主动式自动对焦系统的红外光束那样存在对被摄物体距离的限制。被动式自动对焦通过窗户也能正常工作，因为该系统就像你一样“透过窗户看到”被摄物体。被动式自动对焦系统通常对垂直细节有反应。当你将相机水平持握时，被动式自动对焦系统对地平线上的一艘船对焦会比较困难，但对旗杆或任何其他垂直细节则没有问题。如果你以通常的水平模式持握相机，对焦在脸部的垂直边缘。如果你以垂直模式持握相机，对焦在水平细节上。较新的、更昂贵的相机设计结合了垂直和水平传感器来解决这个问题。但仍然需要相机使用者防止相机传感器在纯色物体上出现对焦混乱的情况。你可以通过将相机取景器对准空白墙上的小图片或电灯开关来查看你的相机自动对焦传感器覆盖的区域大小。左右移动相机，看看在哪个点上自动对焦系统会出现对焦混乱。

我如何知道我的相机采用的是哪种自动对焦系统？

看看你拥有的相机类型：如果它是一款价格低于50美元的傻瓜相机或者一次性相机，那它肯定是一款定焦相机，没有任何对焦系统。这种类型的镜头在出厂时就已经设定好焦点，通常在被摄物体距离约8英尺时效果最佳。定焦相机距离被摄物体最近能达到4英尺左右。当你通过定焦相机取景时，你通常看不到自动对焦相机中常见的方括号或圆圈。不过，你可能会看到“闪光灯就绪”指示灯。带有可更换镜头的单镜头反光（SLR）相机通常使用被动式自动对焦系统。不可更换镜头的相机通常使用主动式红外线对焦，你可以在相机正面看到发射器和传感器。这里有一个快速测试来判断你的相机使用的是哪种自动对焦系统（有些相机可能两种系统都有）：到户外，将取景器对准一片没有云彩、电线或树枝的天空区域，按下快门按钮一半。如果得到“对焦正常”的指示，那就是主动式自动对焦系统；如果得到“对焦不正常”的指示，那就是被动式自动对焦系统，因为CCD在蓝天中找不到任何对比度，所以无法对焦。

自动对焦总是准确且快速的吗？

实际上，被摄物体是否对焦是由使用相机的人来判断的，相机只是协助你做出这个决定。使用自动对焦相机拍摄模糊照片的两个主要原因是：错误地对焦在背景上、按下快门按钮时相机移动。你的眼睛有快速的自动对焦功能！试试这个简单的实验：将手举到脸附近并对焦在手上，然后迅速看向手后面远处的东西。远处的物体将变得清晰，而你的手则会变得不那么清晰。再看回你的手，它又会变得清晰，而此时眼角余光中的那个远处物体则不再清晰。你的相机远没有这么快速和精确，所以你经常需要给它一些辅助。

对焦锁定：拍出优质自动对焦照片的关键

相机使用者经常会误导自动对焦系统。例如，一张照片中两个人位于中心位置的姿势可能会不清晰，如果对焦区域（两个方括号之间的区域）在两人中间的话。为什么呢？相机的自动对焦系统实际上对焦在背景上，因为这是它在两人之间“看到”的东西。解决方法是将被摄物体移到偏离中心的位置，并使用相机的对焦锁定功能。通常，对焦锁定的工作方式是按下快门按钮一半并保持住，同时进行构图。步骤如下：构图时使被摄物体位于画面的左三分之一或右三分之一处（这样构图会使照片更美观），之后你还会回到这个位置；将相机向右或向左移动，使取景器中心的方括号对准实际的被摄物体；按下并保持快门按钮一半，使相机对焦在被摄物体上，手指保持在按钮上；慢慢地将相机移回你在第一步中构图的位置，然后完全按下（按下到底）快门按钮。要正确操作可能需要一些练习，但效果会很棒！你也可以在垂直方向上使用上述步骤，例如拍摄背景中有山脉或海岸的照片时。

我应该何时使用手动对焦？

大多数单镜头反光（SLR）相机仍然配备手动对焦环。当拍摄动物园笼子里的动物时，自动对焦相机可能会对焦在笼子的栏杆上，而不是动物上。在大多数消费级自动对焦相机上，当出现以下情况时使用手动对焦：在主动式自动对焦相机上使用变焦镜头，并且被摄物体距离超过25英尺；你有一个被动式自动对焦相机，并且被摄物体几乎没有细节，比如一件没有领带的白衬衫；你有一个被动式自动对焦相机，并且被摄物体光线不足或非常明亮且距离超过25英尺。

自动对焦摄像机

摄像机中的自动对焦是一种被动式系统，它也使用图像的中心部分。虽然对于快速拍摄非常方便，但自动对焦也存在一些问题：响应可能较慢；可能会来回搜索，徒劳地寻找要对焦的物体；在低光照水平下会出现问题；当预期的被摄物体不在图像中心时会对焦错误；当有物体在被摄物体和镜头之间穿过时会改变对焦。自动对焦摄像机在明亮光线下效果最佳，在低光照时切换到手动对焦。

如何用你的摄像机“看到”红外线

你有时可以通过一个简单的实验“看到”红外线，使用一个连接有电视监视器的摄像机。将摄像机对准电视遥控器，按下电视遥控器上的一些按钮，摄像机应该能“看到”遥控器发出的不可见红外线。摄像机通常使用CCD成像芯片，这些芯片对红外线敏感。这就是为什么你的相机在遥控器的红外线源位置会显示一个白点。一个“间谍”如果用明亮的红外线照亮场景，就可以在完全黑暗的环境中拍照。