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简介：面向相机系统软件工程师的IMX378相位检测自动对焦（PDAF）软件参考手册（v1.0.0），由Sony Semiconductor Solutions发布，专门解释相位检测功能的输入/输出接口与控制方法。该传感器在有效像素区域内以99%块占用率嵌入右半屏蔽与左半屏蔽像素，每16×32像素块含8个右屏蔽像素和8个左屏蔽像素，从而实现高精度对焦。包体为单个PDF文档，约1.67MB，共1份文件，体积小巧便于查阅。内容覆盖屏蔽像素区域对齐、相位检测操作概述、控制寄存器与AF窗口配置、相位差数据输出（MIPI/I2C）以及模块校准设置等核心章节，并保留自2015年12月至2017年2月的修订历史，帮助读者追踪寄存器地址与灵活窗口模式等更新。手册适合开发IMX378相机模组或相关嵌入式视觉产品的软硬件人员使用，已有1586人学习下载，可作为实现快速、精确自动对焦方案的直接参考资料。

1. 为什么 IMX378 的 PDAF 手册值得逐行读

IMX378 这颗 CMOS 图像传感器在手机后摄和车载相机里出镜率都不低，但真正把相位检测自动对焦（PDAF）调明白的人，往往都卡在同一处：它不是拨一个开关就能搞定的功能，屏蔽像素布局、AF 窗口坐标换算、MIPI/I2C 两条数据通路和模块校准这四件事必须同时理顺。这份原厂发布的 v1.0.0 版 Software Reference Manual for PDAF，就是围绕 IMX378 讲清楚"相位差数据怎么控、怎么读、怎么校准"的完整说明。适合正在写 PDAF 驱动的工程师、做 ISP 算法的同学，以及负责模组产线校准的同事。别嫌它 2017 年就定稿，同代传感器的 PDAF 寄存器框架到现在还在沿用，把这份 PDF 下载下来对照着调参，比四处搜碎片化的帖子靠谱得多。

2. 屏蔽像素与 PDAF 原理: 16x32 块里的 8+8 结构怎么决定对焦快慢

2.1 左右屏蔽像素布局: 半金属遮挡为什么能测相位

先理解硬件基础。IMX378 在有效像素区域内部嵌入了一批屏蔽像素，每个像素大约有一半面积被金属遮挡。按遮挡方向分成两类：右半被遮挡的叫右屏蔽像素，左半被遮挡的叫左屏蔽像素。手册给出的排列规则是：每个 16 像素 × 32 像素的块内，离散嵌入 8 个右屏蔽像素和 8 个左屏蔽像素，屏蔽区在块内的占用率约 99%。

这个 99% 的块占用率，直观理解是 16×32 的块结构几乎铺满整个有效成像区，而不是只在画面中央埋几个点。这样做的意义在于，无论对焦框落在画面哪个位置，都能就近找到可用的屏蔽像素对参与相位统计；如果只在中心布局，边缘对焦就会变成盲区。

这种"半边遮光"的设计原理不复杂：左屏蔽像素只让左侧光线进入，右屏蔽像素只让右侧光线进入，左右两组像素对同一个物点的响应存在一个固定的视角差。当镜头离焦时，这个视角差会换算成像素域上的错位量，也就是相位差。单位是像素，方向由符号表达。

工程上的第一个隐藏工作是：屏蔽像素分布在有效像素区内部，普通像素做颜色插值和 shading 校正时必须知道它们的确切位置，并把它们排除在插值邻域之外，否则图像上会留下一条条固定的亮线或暗点。有些平台把这步合到 PDAF 像素校正里做，但前提是驱动能准确上报屏蔽像素坐标表。

2.2 相位差与置信度: 算法侧必须成对消费的数据

传感器内部会针对每个指定的 AF 区域做统计处理，输出两个值：Phase Difference（相位差，单位像素）和 Confidence Level（置信度，无量纲）。

相位差代表当前焦点偏离合焦位置的方向和程度。数值的方向性体现在符号上，正负号决定了镜头该往近推还是往远拉。置信度则是这组相位差数据可信度的参考值，手册里的定义很直白：它与 AF 窗口内"易于检测相位差的竖直边缘数量"成正比。

这个设计对算法非常有价值。如果你把 AF 窗口对准一面白墙或者一片天空，相位差数值大概率会来回跳，但置信度会很低。算法侧的常见做法是只把置信度超过阈值的窗口结果喂给对焦控制，否则回退到 CDAF（反差对焦）或者保持当前位置不动作。我在驱动里会把两个值一起读出来打日志，排查对焦抖动时，只盯相位差曲线往往看不出名堂，把置信度叠上去，立刻就能区分"数据不可信"和"马达过冲"两种完全不同的故障。

注意：手册里所有相位差和置信度都是"每个 AF 窗口一组"。窗口设得越细，数据量越大，读取策略要在驱动设计阶段就想清楚，不能拿到数据再规划。

2.3 支持的操作模式: Normal Full / HDR / V2 Binning 全开

手册 Table 2-1 明确列出了相位检测在 IMX378 所有主要工作模式下都受支持，这张表对方案选型影响很大。

这意味着做产品定义时，不需要为了保留 PDAF 而牺牲 HDR 或者 binning，三者的开关是独立的。但"支持"不等于性能完全一致。我实际调试的经验是，binning 模式下的相位差分辨率会受像素合并影响，对焦精度和置信度分布与 Full 模式有明显差异。建议先用 Normal Full 完成 SPC 和 DCC 标定，再去验证 binning 和 HDR 下的行为，不要直接拿 binning 模式做全部标定，否则换模式后对焦手感会变。

3. 控制寄存器与序列: 三个关键地址和一段可抄的启动代码

3.1 0x38a3 AREA_MODE 与 0x3e37 PDAF_CTRL1

相位检测的寄存器数量不多，核心入口就三个。手册 Table 3-1 把它们列得很清楚，这里按驱动视角整理成一张速查表。

一个容易被忽略的细节是 PDAF_CTRL1 只控制 MIPI 输出通路。调试阶段如果你不想解析 MIPI 侧的复杂打包格式，完全可以不置这个位，直接走 I2C 数据区读相位差和置信度。反过来，如果产品要用 MIPI 数据喂实时对焦算法，就必须在出流之前把这一位置 1，否则帧结构正常、图像正常，唯独 PDAF 数据通道是空的。

3.2 相位差数据区: 0x7c08 起 768 字节的只读区域

0x7c08 到 0x7f07 是一整块只读数据区，按 AF 窗口的划分顺序排列相位差和置信度。16x12 固定窗口模式正好是 192 个窗口，这块区域的总长度 768 字节，按每个窗口 4 字节对齐时刚好铺满；8x6 模式只有 48 个窗口，每个窗口对应的字节数就要按手册 Table 6-1 重新确认，不能照搬。

读这块区域我有两个固定习惯。第一，用 burst 方式整块读，不要在窗口边界处拆成单字节散读，否则可能读到跨帧拼接的数据。第二，调试阶段先把原始字节完整打印出来，确认数据区数值确实在随镜头位置变化而变化，再谈解析和算法规避。寄存器配置错了，数据区往往给出的是固定值或者明显乱跳的值，这一步能帮你把问题边界划清楚。

配合 i2c-tools 可以快速做一次存活检查：

# 快速回读 PDAF 关键寄存器, -y 跳过交互确认 i2cget -y 1 0x20 0x3e37 # 确认 PDAF_CTRL1 是否真的写进去了 i2cget -y 1 0x20 0x38a3 # 确认 AREA_MODE 当前值 i2cget -y 1 0x20 0x7c08 # 读第一个窗口的相位差低字节

这三个命令在模组刚点亮时跑一遍，能排除掉一大类"寄存器写失败"的底层问题。0x20 是示例地址，实际以模组规格书为准。

3.3 控制序列: SW standby 里写，Streaming 后只读数据

手册第 4 章的相位检测控制序列非常简洁：SW standby → PDAF_CTRL1=1 → Streaming → PD OUT ON。翻译成驱动代码就是下面这段。

// IMX378 PDAF 开启序列, I2C 地址按实际模组总线调整 void pdaf_power_on(uint8_t i2c_addr) { // 1. 进入软 standby, 常见挂在 0x0100 的 bit0 sensor_write(i2c_addr, 0x0100, 0x00); // 2. 选择 AF 区域模式, 0x02 表示自由区域(灵活窗口) sensor_write(i2c_addr, 0x38a3, 0x02); // 3. 打开 MIPI 相位差输出 sensor_write(i2c_addr, 0x3e37, 0x01); // 4. 退出 standby, 开始出流 sensor_write(i2c_addr, 0x0100, 0x01); // 出流后 MIPI 帧内携带相位差数据, 同时 0x7c08 起也可读 }

这个顺序不能乱。如果先出流再写 0x3e37，部分批次的 sensor 不会认这次写入，导致 MIPI 侧一直拿不到相位差数据，而 I2C 侧却正常。排查时先回读 0x3e37 确认 bit0 是否真的为 1，再往上层找问题。0x0100 软 standby 是传感器通用惯例，如果某个模组行为不一致，优先查模组的上电时序说明，不要一上来就怀疑这段逻辑。

4. AF 窗口配置: 固定窗口与灵活窗口的寄存器计算和落地写法

4.1 固定窗口: 16x12 / 8x6 的偏移、尺寸与 13 位拆写

固定窗口模式下，你只需要设置第一个格子（左上角）的 X/Y 偏移，以及单个格子的宽高。格子总数由 AREA_MODE 决定：0 对应 16x12，1 对应 8x6。偏移和尺寸都是 13 位无符号数，物理上拆成两个寄存器：高 5 位存在"高位地址"，低 8 位存在"低位地址"。

// 固定窗口: 第一个格子在 (220,240), 单格 1000x600 pdaf_write13(0x38a4, 0x38a5, 220); // PD_AREA_X_OFFSET pdaf_write13(0x38a6, 0x38a7, 240); // PD_AREA_Y_OFFSET pdaf_write13(0x38a8, 0x38a9, 1000); // PD_AREA_WIDTH pdaf_write13(0x38aa, 0x38ab, 600); // PD_AREA_HEIGHT // 13 位寄存器拆分写入, 先高后低 void pdaf_write13(uint8_t addr_hi, uint8_t addr_lo, uint16_t val) { sensor_write(addr_hi, (val >> 8) & 0x1F); // 高 5 位 sensor_write(addr_lo, val & 0xFF); // 低 8 位 }

这里有三件事必须注意。第一，坐标和尺寸的单位都是"输出图像坐标"，也就是经过 crop、binning、scaling、mirror、flip 之后的坐标，不是 sensor raw 坐标。手册里专门强调了这一点，实际移植时最容易错的就是拿 raw 坐标直接填。第二，如果窗口整体超出最终图像边界，越界的格子会输出 invalid code，并且不参与相位检测，这不是 bug，是手册规定的行为。第三，我习惯先写高 5 位再写低 8 位，虽然手册没有强约束写顺序，但能避免中间态落在错误窗口里，成本极低。

4.2 灵活窗口: 最多 8 个可重叠区域与 0x1FFF 模式标志

灵活窗口模式的价值在于可以同时关注多个区域，比如人脸框加画面中心区，最多 8 个，允许互相重叠。进入这个模式有一个非常容易漏的条件：必须把 0x38a8 到 0x38ab 这四个宽高寄存器的 13 位值全部写成 0x1FFF，作为"自由区域"的标志。只配置 AREA_EN 是不够的，我第一次移植就栽在这。

以窗口 0 和窗口 1 为例，坐标寄存器的映射关系是每组连续 4 个地址：起始 X、起始 Y、结束 X、结束 Y，每个坐标同样是 13 位拆两个寄存器。

// 进入灵活窗口模式: 宽高寄存器写固定值 0x1FFF pdaf_write13(0x38a8, 0x38a9, 0x1FFF); // 模式标志 pdaf_write13(0x38aa, 0x38ab, 0x1FFF); // 模式标志 // 窗口 0: (400,300) 到 (1000,700) pdaf_write13(0x38b4, 0x38b5, 400); pdaf_write13(0x38b6, 0x38b7, 300); pdaf_write13(0x38b8, 0x38b9, 1000); pdaf_write13(0x38ba, 0x38bb, 700); sensor_write(0x38ac, 0x01); // AREA_EN_0 = 1 // 窗口 1: (600,400) 到 (800,600), 与窗口 0 刻意重叠 pdaf_write13(0x38bc, 0x38bd, 600); pdaf_write13(0x38be, 0x38bf, 400); pdaf_write13(0x38c0, 0x38c1, 800); pdaf_write13(0x38c2, 0x38c3, 600); sensor_write(0x38ad, 0x01); // AREA_EN_1 = 1

窗口 2 到窗口 7 的寄存器地址按同样的四对一组往后排，手册里列到了 0x38d3，再往后是窗口 4 的起始地址 0x38d4，规律非常明显。重叠窗口的像素会被多个窗口重复统计，这是允许的，但会把置信度分布拉平，做阈值判断时心里要有数。手册没有明确"结束点是否包含在窗口内"这种边界语义，我建议拿到 sensor 后用两个已知尺寸的窗口对着 MIPI 输出做一次校准，确认开闭区间之后再写进代码注释。

4.3 窗口生效时序和 mirror / flip 的组合影响

手册 5.3 节专门讨论了 AF 窗口的反射时序。窗口配置不是写完立刻生效，而是按帧节奏被 sensor 拾取。常见做法是出流前一次性配置完，运行中不频繁改写。如果产品需要动态追踪对焦框，那就要算好帧边界，避免在窗口更新瞬间去读相位差数据，否则读到的可能是新旧窗口混合的结果。

另外，模组为了结构排布经常做水平翻转。手册 6.1 节明确提示，水平反转后相位差数据的符号会反转，原因不复杂：左右屏蔽像素的角色互换了。处理方法是保持寄存器配置不变，在算法侧根据 mirror 状态对读回来的相位差统一取反。我在项目里踩过一次，症状是对焦马达永远朝远离合焦点的方向走，每次开机都是先拉远再拉近，最后定位到就是符号问题。

5. 相位差数据输出、校准与避坑: 五个值得写进文档的坑

5.1 MIPI 与 I2C 两条通路怎么分工

相位差数据可以从 MIPI 随帧输出，也可以从 I2C 直接读，两条通路互不冲突，但使用场景完全不同。

MIPI 通路在 0x3e37 置 1 后生效，数据随图像帧一起带出来，适合实时对焦控制，数据量对后端 ISP 和算法透明。I2C 通路则是 0x7c08 起的只读区，适合调试、产测和低功耗场景。产线校准工具通常纯 I2C 读取，因为不起 MIPI 就能快速验证 SPC 参数是否烧录成功，省掉一套 mipi 解析逻辑。

我建议开发阶段两条通路都开着：MIPI 数据喂算法，I2C 数据打日志，两边数值对得上说明整条链路健康；对不上，就去查帧时序和寄存器配置，而不是先怀疑算法。

5.2 SPC 与 DCC: 校准系数不是玄学，是必须做的

手册第 7 章用一整章讲模块校准，核心是两个系数。SPC（屏蔽像素校正）用来校正屏蔽像素本身的响应差异，不校正的话，画面上会出现固定的颗粒或条纹。DCC（散焦转换系数）单位是 DAC/pixel，作用是把像素域的相位差换算成镜头驱动器的 DAC 步数，对焦控制靠它算出马达要推多远。

校准系数要固化在模组的 EEPROM 或 OTP 里，系统上电后加载到 sensor 或 ISP。手册 7.4 节给了 SPC 参数的设定时机，实际操作中我遇到的翻车场景是产线换了镜头批次但没有重新标定 DCC，结果 PDAF 每次都对焦偏近或偏远，画面永远差一口气。标定件的更换记录和系数版本号，建议在驱动日志里打出来，方便回查。

5.3 常见问题与排查: 现象、原因、解决

问题 1：边缘窗口的相位差全是无效值现象：固定窗口模式下，画面边界附近的格子读回来的数据是 invalid code，置信度也是 0。原因：AF 窗口超出了最终图像边界，手册规定越界格子输出无效码并且不参与检测。解决：写寄存器前先把窗口坐标裁剪到图像尺寸内，最好在驱动里统一做一次 clamp，不要留给上层去猜。

问题 2：开 mirror 后马达一直往反方向推现象：图像正常，对焦框位置也正常，但镜头总是朝远离合焦的方向运动。原因：水平翻转让左右屏蔽像素互换，相位差符号反了，手册 6.1 节专门讲过这一点。解决：根据 mirror 状态对相位差做符号翻转，或者在校准阶段把符号方向写进系数表，二选一并在移植文档里标注清楚，避免后面接手的人重复踩。

问题 3：配置了灵活窗口，出来的还是固定窗口数据现象：AREA_EN_0 到 AREA_EN_7 都置 1 了，MIPI/I2C 读回来的格子数还是 16x12 或 8x6。原因：灵活模式有硬门槛，0x38a8~0x38ab 的宽高寄存器必须整体写 0x1FFF，很多人漏了这一步。解决：回读这四个寄存器，确认高 5 位都是 0x1F、低 8 位都是 0xFF，再检查 AREA_EN。

问题 4：窗口位置偏了一半或者整体错位现象：对焦框实际位置和预期位置差一格，或者差几倍，看起来像坐标缩放错误。原因：13 位坐标拆两个寄存器时，高 5 位和低 8 位写反，或者只写了低 8 位，高位地址保持默认值。解决：统一用拆分函数写入，写完立刻回读拼回 13 位原始值，与预期值比对，这一步在产线测试脚本里也应该保留。

问题 5：出流中改窗口，相位差数据偶发错乱现象：运行中动态更新 AF 窗口后，相位差数据时好时坏，偶尔整组窗口的数据顺序错位。原因：窗口反射时序和帧同步问题，Streaming 状态下写入可能落在帧中间，或者不被本次帧拾取。解决：把窗口配置全部放在 SW standby 阶段完成，运行时只读数据。确需动态切换，就在帧消隐期写入，并等两帧之后再读取，写入窗口用手册 5.3 的时序参数设计。

这五条是我在 IMX378 系列模组调试中反复遇到的高频问题，前三条几乎是每套新模组都会碰到的。把这五条写进你的移植文档，至少能让后面接手的人省下一周的黑盒调试时间。这份手册的 PDF 里带有完整的窗口坐标示例图，调参时对照着看比自己推导快很多。

6. 验证 PDAF 数据的最后一公里: I2C 回读与 MIPI 交叉验证

新模组点亮的当天，我最先做的事不是调对焦，而是验证相位差数据链路。做法是同时打开 MIPI 输出和 I2C 数据区，借助帧同步信号抓一帧 MIPI 里的相位差，再通过 I2C 读同一帧的 0x7c08 数据区，两边对一下数值。这个交叉验证能一次性暴露寄存器配置错误、MIPI 打包偏差、解析字节序三类问题，比单独看一路数据可靠得多。

# i2c_verify_pdaf.py: 16x12 固定窗口模式, 读 0x7c08 起 768 字节 import smbus2 bus = smbus2.SMBus(1) SENSOR_ADDR = 0x20 # 按模组实际 I2C 地址修改 # 768 字节 = 192 窗口 × 4 字节(相位差 2B + 置信度 2B) data = bus.read_i2c_block_data(SENSOR_ADDR, 0x7c08, 192 * 4) for idx in range(192): off = idx * 4 phase_raw = (data[off + 1] << 8) | data[off] conf_raw = (data[off + 3] << 8) | data[off + 2] # 相位差按有符号数处理, 高位为 1 表示负方向 phase = phase_raw - 0x10000 if phase_raw & 0x8000 else phase_raw if idx < 8: # 先打印前 8 个窗口, 完整数据落文件 print(f"win {idx:02d}: phase={phase:5d} conf={conf_raw}")

解析格式上有两点要交代清楚。第一，4 字节一组（相位差 2 字节加置信度 2 字节）的假设只对 16x12 固定窗口模式成立，因为 768 字节正好等于 192 乘以 4；换到 8x6 模式，每窗口的实际字节数要以手册 Table 6-1 为准。第二，相位差是否有符号、字节序是大端还是小端，不同固件版本可能有差异，脚本跑出来的值如果和 MIPI 解析值系统性差一个符号，优先怀疑这里。

脚本跑通之后，我会把 I2C 回读值和 MIPI 解析值放在同一张表里逐窗口对比，偏差超过 1 个像素就回去查帧时序，而不是先改算法。从那以后，我每点亮一颗新模组，都会强制走一遍"回读拼接 → MIPI 对比 → mirror 符号检查"这套流程。它帮我抓出过三次产线换料后坐标寄存器地址漂移的问题，也让我养成了先把数据链路验证干净再动对焦算法的习惯。希望帮到你。

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