ICCV 2025 | 卡内基梅隆大学空间可变自动对焦：单次拍摄实现全场景清晰，重新定义计算摄影

大家好，今天小编想和大家聊一篇计算摄影领域的奇妙论文，获得ICCV 2025 最佳论文提名。你有没有想过，如果你的相机能一次拍摄，就让照片里的每一个角落都清晰无比，无论远近，那该多好？或者，能像变魔术一样，让焦点随着你的心意在画面上自由移动？来自卡内基梅隆大学的研究者们带来的这篇“Spatially-Varying Autofocus”，就让这个想法变成了现实。

• 论文标题: Spatially-Varying Autofocus
• 作者: Yingsi Qin, Aswin C. Sankaranarayanan, Matthew O'Toole
• 机构: 卡内基梅隆大学
• 论文地址: https://imaging.cs.cmu.edu/svaf/static/pdfs/Spatially_Varying_Autofocus.pdf
• 项目主页: https://imaging.cs.cmu.edu/svaf/

01 挑战传统摄影的极限

在传统摄影中，我们总是在跟“景深”作斗争。大光圈能带来美丽的背景虚化，但也意味着只有很窄一个平面上的物体是清晰的。想要获得一张从前到后都清晰（也就是“全清晰”，All-in-Focus, AIF）的照片，通常只有两种办法：要么缩小光圈，但这会牺牲进光量并可能导致衍射模糊；要么就得用“焦点堆栈”技术，也就是拍摄多张不同焦点的照片再合成，这对于动态场景显然无能为力。

计算摄影的发展为我们提供了新思路，但以往的方法也各有妥协。而这篇论文的目标，就是在保持大光圈和高分辨率的同时，用单次拍摄实现任意形状的焦平面，听起来是不是非常酷？

上图就展示了这种技术的效果：一张全清晰的照片，以及它背后那个神奇的、空间变化的自定义焦平面。

02 核心技术：会“分身”的计算镜头

为了实现这个目标，研究者们设计了一套非常巧妙的光学系统，名为“分裂式洛曼计算镜头”（Split-Lohmann computational lens）。这个名字听起来有点复杂，其实原理很清晰。

这个系统的核心在于“分裂”和“计算”：

• 可编程的变焦：它通过一个4f系统和一个位于傅里叶平面的空间光调制器（SLM），将传统洛曼透镜的两个立方相位板“合二为一”。通过在SLM上加载一个线性相位斜坡，就可以像滑动变焦环一样，精确地控制整个画面的焦点。
• 空间可变的局部对焦：最关键的一步来了。由于SLM上的每个像素都与相机传感器上的像素精确对应，我们可以在SLM上显示一个“空间变化”的相位斜坡图案。这意味着，画面的A区域可以应用一个焦距，B区域应用另一个焦距。这样一来，相机就获得了在同一个画面内不同区域同时对焦到不同距离的能力。

2.1 如何实现自动对焦？

有了硬件基础，还需要聪明的算法来告诉系统每个区域应该对焦到哪里。论文提出了两种互补的自动对焦算法。

第一种是基于对比度的搜索算法。它将图像分成小块，然后快速测试一系列离散的焦距设置，找到能让每个小块对比度最高的那个焦距。这个过程非常快，足以实现实时的全清晰预览。

第二种是更高效的基于相位的算法。它利用了散焦与图像相位之间的关系，通过分析两张稍微偏移焦点的照片，就能直接计算出每个像素精确的对焦距离。这种方法避免了大量的搜索，速度更快，精度也更高。

03 惊艳的效果与应用

理论说完了，我们来看看实际效果。这套系统不仅能拍出高质量的全清晰照片，还解锁了许多创意玩法。

3.1 自由形状的景深

比如，你可以让焦点沿着一条斜线、一条曲线，甚至是你指定的任意区域分布。上图就展示了对一个倾斜放置的凯旋门模型的不同对焦方式：全清晰、模拟沙姆定律（Scheimpflug principle）的斜向对焦，以及只让凯旋门本身清晰的选择性对焦。

3.2 “凭空”消除遮挡物

这是小编觉得最神奇的应用。想象一下，你想拍一个物体，但它前面隔着一层铁丝网。传统相机很难在拍清主体的同时完全忽略铁丝网。而利用这项技术，可以直接将焦点设置在背景上，让前景的铁丝网因为严重的散焦而变得模糊不可见，从而在光学层面就“消除”了它！

3.3 性能对比：优势显著

研究者们将他们的方法与其他全清晰成像技术进行了详细对比，包括传统的焦点堆栈、小光圈成像以及其他计算方法。

从定性对比（如上面的Planes和Flowers场景）可以看出，该方法在处理大景深和复杂场景时，清晰度和细节表现都非常出色，尤其是在避免小光圈带来的衍射模糊方面优势明显。

定量分析（如MTF曲线和性能随拍摄张数变化的图表）进一步证实了这一点。该方法仅需3步4张照片（用于相位对焦算法）就能达到甚至超越需要数十张照片进行焦点堆栈的效果，在效率和质量上都取得了巨大突破。

04 总结

总而言之，这项研究通过软硬件的协同创新，为计算摄影开辟了一个激动人心的新方向。它不仅解决了传统摄影中景深与光圈的矛盾，还赋予了相机前所未有的、控制光场的能力。大家对这个方法怎么看？欢迎在评论区留下你的看法！