佳能 EOS 系統的核心特徵之一是，其快速、強大的自動對焦 (AF) 系統。在此無反光鏡相機的時代，保持可靠、高效能的自動對焦任務落在了雙像素 CMOS AF 系統上。其採用佳能獨有的圖像平面相位偵測技術。其運作方式為何？是什麼讓它如此與眾不同？請繼續往下閱讀，以瞭解雙像素 CMOS AF 是如何在靜態攝影和影片拍攝之中實現高度精確的自動對焦和出色的圖像品質。
1.何謂雙像素 CMOS AF？
雙像素 CMOS 自動對焦是佳能 EOS 無反光鏡相機和較新的 EOS 數位單反相機在即時取景拍攝時使用的自動對焦 (AF) 系統。其採用佳能獨有的一種圖像平面相位偵測技術。在此技術下，感光元件上的所有像素都可以同時進行相位偵測和成像。這帶來了以下好處：
- 圖像品質出色，不影響自動對焦效能
- 廣泛的自動對焦覆蓋範圍：高達 100% 的圖像區域（點擊此處，深入閱讀）
- 改善快速（大光圈）鏡頭的光照資訊極大化（點擊此處，深入閱讀）
- 在靜態和影片拍攝中快速、無縫地進行對焦和追蹤
為深入瞭解雙像素 CMOS 自動對焦，我們首先需要瞭解相位偵測圖像平面相位偵測平時的運作模式。若您已對此相當熟悉，可逕自跳往 4.雙像素 CMOS 自動對焦架構，以深入瞭解該項技術的獨到之處。
2.何謂相位偵測？
其為一種方法。藉此方法，您可透過比較來自兩個不同位置的光線差異來計算調整焦點的程度
在雙像素 CMOS 自動對焦 (AF) 出現之前，共有兩種主要的相位偵測 AF：
- 傳統的相位偵測自動對焦
- 圖像平面相位偵測自動對焦
兩者的動態變化不同：單反相機上使用的傳統相位偵測自動對焦，可從一個單獨的自動對焦感應器獲取資訊，而圖像平面相位偵測則會使用感光元件上有關相位偵測像素的資訊。
然而，兩者都需要視差資訊：來自兩個不同位置的光線資訊（=形成兩個略有不同的視差圖像）。自動對焦系統使用此類視差資訊進行計算，並調整鏡頭的對焦元件，以實現對焦。
傳統相位偵測自動對焦的運作模式
（圖片僅作說明之用）
A: 五棱鏡/五角鏡
B: 光學取景器 (OVF) 螢幕
C: 主鏡
D: 副鏡
E: 自動對焦感應器系統
F: 光照路徑
在數位單反相機上，透過鏡頭（F）進入的光線被主鏡和副鏡（C 和 D）往兩個方向分流，即向上和向下。
向上的光線透過五邊形截面（A）投射到 OVF 螢幕（B），成為 OVF 圖像。
向下的光線則進入位於相機底部的自動對焦感應器系統（E）。
AF 感應器系統本身包括兩個微型透鏡。其可將迎面而來的光線再次分割，並在自動對焦 (AF) 感應器上形成兩個視差圖像。
深入瞭解數位單反相機上有關相位偵測感應器的資訊：
線型感應器和十字型感應器有什麼分別？
傳統圖像平面相位偵測的運作模式
當相位偵測在感光元件而非自動對焦感應器上完成時，就可以將其稱為圖像平面相位偵測。傳統上，使用此法的相機感光元件有兩種像素：
- 專用的相位偵測像素
- 成像像素
視差資訊可由成對運作的相位偵測像素取得。成對像素中某一像素的光電二極管（可將光線轉化為電訊的光接收器）位於左邊，而另一像素的光電二極管則位於右邊。相位偵測是透過分析這兩個像素的資訊差異來進行的。
當有更多的相位偵測像素時，自動對焦效能就能獲得改善。然而，這卻涉及到與成像像素數量的權衡。這可能對圖像品質產生不利影響。
3.傳統圖像平面相位偵測的弱點
可靠的高圖像品質和自動對焦效能之間的「零和遊戲」
感光元件上的相位偵測像素：執行傳統圖像平面相位偵測。這就在相應的區域留下了空白，需要透過插值來填補：從周圍成像像素獲取的資料進行估算。
需透過插值填補的空缺資訊
圖像質量與所涉及的插值量有關。插值是一種填補缺失資訊的方式，可透過使用周圍的資料來估計缺失的細節可能為何。雖然其可能足夠精確，但與來自源頭的資訊相比，仍有可能產生誤差。
生成彩色圖像的過程通常已涉及到插值。感光元件像素是「色盲」：就其本身而言，只能感知和記錄到達其中的光量資訊。色彩資訊可由感應器前方的 RGB（紅、綠、藍）彩色濾光片（拜耳濾光片）加以捕捉。在拜耳濾光片的協助下，各個像素都記錄下三種顏色中的任一種資訊。各個像素的資訊與周圍像素的資訊相輔相成，形成一幅全彩色圖像。
在傳統的圖像平面相位偵測中，在有相位偵測像素（而非成像像素）的區域，圖像資訊的「空隙」也會用到周圍成像像素的資訊插補來進行填補。這增加了圖像品質受到影響的機會。
除此之外，還能做些什麼？為何不可行？
在此系統下，圖像品質和自動對焦效能之間總是需要權衡。
- 減少相位偵測像素的數量和密度將減少對圖像品質的影響，但自動對焦效能也會受到影響。
- 將相位偵測像素配置成連續的線條（涉及到增加其數量和密度），將提高自動對焦效能。然而，這也表示，成像資訊中缺失的「空隙」較大，需要透過插值法來填補。
- 增加自動對焦點的數量或自動對焦區域的大小，總會涉及到減少成像像素的數量。
雙像素 CMOS AF是佳能為提高自動對焦效能而開發的解決方案。這套解決方案並不影響圖像品質：所有像素均可執行相位偵測和成像。
4.雙像素 CMOS AF 系統架構
雙像素 CMOS AF：各個像素上有 2 個光電二極體；所有像素都能進行相位偵測和成像。
在為雙像素 CMOS AF 設計的感光元件上，所有像素都有兩個光電二極體，如圖所示。在相位偵測期間，來自光電二極體 A 和 B 的資料都將被分別讀取和比較。在成像過程中，來自兩個光電二極體的資料將被合併，並作為一個完整的讀出資料輸出。
當光電二極體 A 和 B 分開時，其各自產生的圖像具有與他者不同的視點（「視差圖像」）。自動對焦系統分析相關差異（模糊程度），對其進行量化分析，並運用相關差異來計算如何移動鏡頭，以便使圖像相互匹配（= 使主體處於焦點）。
敬請深入瞭解：相位偵測與對比度偵測
相位偵測比對比度偵測更加迅速。對比度偵測則是另一種廣泛使用的方法，可用於偵測邊緣的微小對比度。與相位偵測不同，對比度偵測不攫取距離資訊。相反，其分析投射到感光元件上的圖像對比度差異，移動聚焦單元，直到對比度達到最清晰的狀態為止。這很像我們的大腦在使用無輔助的手動對焦時所產生的運作方式。其準確度高，但速度較慢。甚至，這還涉及到所謂的尋焦，特別是對於影片來說，這可能就會是一個問題。
相比之下，相位偵測可知道目前的對焦點是在主體的正前方（正面對焦）還是在主體的後方（背面對焦）。這能使其迅速計算出移動鏡頭對焦單元的程度，從而實現快速、準確的自動對焦。
5.雙像素 CMOS AF 的優勢為何？
1.其優勢包括：既有出色的圖像品質，又有高效能的自動對焦
以下是傳統的圖像平面相位偵測和雙像素 CMOS 自動對焦的佈局對比。請注意，雙像素 CMOS 自動對焦是如何填補相位偵測和成像的「資訊空缺」的。
|
|
在雙像素 CMOS AF 下，感光元件上的所有像素都可以執行相位偵測和成像。這也為在圖像框架的大範圍內實現快速、精確和靈活的自動對焦 (AF) 鋪平了道路。
敬請深入瞭解：在雙像素 CMOS AF 之前曾有什麼？
在雙像素 CMOS AF 之前，無反光鏡相機（包括精巧型相機和攝像機）使用的技術包括：對比度偵測、傳統的相位偵測或兩者的混合。數位單反相機在影片錄製期間也使用對比度偵測，因為相位偵測在鏡子鎖定的情況下是不可能的。
佳能開發了雙像素 CMOS AF，因為它預見到了對攝像需求的不斷增長，且無反相機將成為主流。其於 2013 年在 EOS 70D 上首次亮相，將相位偵測自動對焦的速度和精度帶入到靜態攝影和影片之中。
2.100% 的自動對焦覆蓋率
當所有感光元件像素都能執行相位偵測時，自動對焦可在圖像的更大區域內進行。然而，一個單獨的像素亦無法將其完成。當多個像素在給定的自動對焦區域內對圖像資訊進行相位偵測時，就能偵測到主體。出於此原因，每台相機都配備了各種自動對焦區域模式，以滿足不同情境的需要。
自動對焦區域模式的範例
例如，
- 1 點自動對焦提供了一個較小的自動對焦區域，為您建立對焦的物件提供更好的精度，使您對構圖有更大的控制力。
- 擴大自動對焦區域模式改善了拍攝移動物體時的追蹤效能，因為系統還使用來自 1 點自動對焦區域周圍區域的相位偵測資訊。
- 點陣式自動對焦提供了一個比單點自動對焦更小的自動對焦區域。此為需要極精確對焦場景的理想選擇。
- 全域自動對焦將整個圖像區域劃分為密集的自動對焦框架區，以進行自動對焦。例如，EOS R6 Mark II 有 1053 個區域，覆蓋約 90%×100%（水平×垂直）的圖像方框。
甚至，雙像素 CMOS AF 還與 EOS iTR AF 主體偵測和追蹤系統協同運作。當偵測到主體時，可在高達 100% 的圖像區域進行自動對焦（可能因相機型號不同而有所不同）。
另請參閱：
使用無反光鏡相機構圖更容易嗎？
3.充分利用快速鏡頭的優勢
讓我們來回顧一下：在相位偵測法中用於計算自動對焦的兩幅視差圖像中，一幅來自左邊的光電二極體，另一幅來自右邊的光電二極體。各該圖像之所以不同，是因為形成圖像的光線分別走了不同的路徑到達左邊和右邊。
最大光圈較大的鏡頭（快速鏡頭）有一個較大的光圈光闌（鏡頭開口），所以到達左右光電二極體路徑之間的差距更大。這導致視差圖像之間的差異更大，其有助於提升自動對焦計算的精準度。
數位單反相機上的相位偵測感應器可能被描述為 f/2.8 敏感型、f/5.6 敏感型，或以此類推。這是因為其被設計為能與特定基長的燈光一起運作，並且只在最大光圈為所述 f 數或更快的鏡頭上發揮作用。f/number-sensitive 中的 f 數字越小，感應器就越精確。因此，一款 f/5.6 的敏感感應器可與一款 f/2.8 的鏡頭一同運作，但精準度卻不如 f/2.8 的敏感感應器。此外，即使您使用比 f/2.8 更快的鏡頭（如 f/1.8），f/2.8 敏感的感應器也會在 f/2.8 的閾值下進行相位偵測。
雙像素 CMOS AF 並勿此種限制，其可運用感光元件像素收集所有必要的資訊。快速鏡頭允許進入相機的充足光線資訊獲得充分利用，以實現更快、準確的自動對焦。
另請參閱：
接上快鏡頭，從觀景器取景更容易？
6.雙像素 CMOS AF II 有何不同之處？
雙像素 CMOS AF II 是支援 EOS iTR AF X 的雙像素 CMOS AF 版本，是佳能利用深度學習技術的主體偵測和追蹤系統。
無反相機越來越多地取代數位單反相機成為可換鏡頭相機的首選，且越來越多的人開始同時拍攝照片和影片，從而使雙像素 CMOS AF 成為提高相機功能所需的關鍵技術之一。
7.總結如下：雙像素 CMOS AF 的主要特點
- 在靜態和影片拍攝過程中，可提供廣泛的自動對焦範圍、無縫對焦和快速、出色的追蹤功能。
- 無縫對焦，因其向來僅使用相位偵測，並不會切換到對比度偵測。
- 感光元件上的所有像素都可同時進行相位偵測和成像。這樣一來，高效能、高覆蓋率的自動對焦和出色的圖像品質即可同時實現，無須顧此失彼。
佳能雙像素 CMOS AF (YouTube)
深入瞭解佳能的其他技術：
佳能 (Canon) 的技術解說員：何謂 DIGIC？
Nano USM: 快速平順的對焦功能盡在指尖
