便攜式設計中圖像采集與處理系統(tǒng)的挑戰(zhàn)與解決方案

在傳統(tǒng)的相機模塊中，光學鏡頭倉被設計用來聚焦光源點，因此放置在相機內(nèi)離成像器一定的距離的位置上。如果鏡頭無法聚焦或者目標離鏡頭太近，涂點會出現(xiàn)在彌漫的區(qū)域，因此圖像會變得模糊。這種鏡頭將光源變換成模糊光斑的規(guī)律可以描述成一種數(shù)學上的變化，稱之為點擴散功能。如果鏡頭的點擴散功能已知，模糊可以通過使用數(shù)字信號處理來恢復到原始的現(xiàn)場情景。但當圖片中的僅某個區(qū)域失焦，則不管采用什么變換方法，都無法可靠的識別出來。軟件增強光學解決了這個問題，方法是通過可控的方法來重新定焦整個圖像。鏡頭有效的創(chuàng)建了一個不管離光源多遠模糊程度都一樣的圖像，這可以通過一個直接的算法來進行解交織。其結(jié)果使得圖像更加良好、清晰，不管前景、中距或者遠景都能同時在焦點上。圖8給出一個很好的例子。

圖。一種傳統(tǒng)的鏡頭只能聚焦有限范圍內(nèi)的目標，尤其是中距和遠距離的目標;一種軟件增強光學解決方案，如OptiML聚焦，可以實現(xiàn)擴展景深，從10厘米到無窮遠，而無需增相機模塊的高度或者復雜度。來源：Tessera公司

關(guān)于拍照手機的主要抱怨之一是其低能見度時的性能。其實這只是一個半真理命題。小型相機模塊因為其像素尺寸的縮小，無疑導致了相對于數(shù)字靜止相機光學靈敏度的降低。從2007年像素尺寸為2.2μm到2008年的1.75μm，預計2009年會發(fā)展到1.4μm，最終會達到1.1μm，這一趨勢會對低能見度性能和圖像質(zhì)量有著顯著的影響。簡而言之，隨著像素尺寸的降低，其敏感度也在減小。從更為技術(shù)的角度來看，光二極管吸收光子和釋放電子的能力隨著像素的下降而減弱。小像素尺寸帶來的其他相應影響，包括第動態(tài)范圍和下降的信噪比?，F(xiàn)實中，拍照手機較差低能見度性能的感知更主要的是由越來越多在低能見度環(huán)境下拍照而帶來的;典型的，在晚上以及在如俱樂部和飯店等場所，在這些地方的光照強度大約在5 lux，而遠遠小于白天室外的》350 lux。由于亮度下降，從數(shù)字成像器得到的圖片質(zhì)量自然迅速惡化，如同增加噪聲一樣出現(xiàn)缺陷，細節(jié)丟失或者色彩錯誤。

拍照手機低能見度性能不足的一個重要原因是，無法改變光學鏡頭倉的F值，因為這在制造時就一定固定了。大多數(shù)數(shù)字靜態(tài)相機提供了一個增大光圈的選項，來補償昏暗場景下光子數(shù)目的減少。但機械可調(diào)光圈會使得機身變得很大、不堅固、反應速度慢并功耗較高。簡單的降低固定光圈相機的F值來提高低光敏感度，不是一個很好的選擇，因為較大的光圈會減小景深，從而當場景有景深時很難獲取一個很好的圖像質(zhì)量。典型的，標準拍照手機使用的光圈在F/2.8到F/2.4之間，主要是為了保留足夠的深度，來對正常亮度條件下的對焦。一個簡單的成像光圈固定，在低光條件下，不能延長曝光時間。然而，這會使得圖片易受到運動模糊或機身晃動的影響，并且不可能用于視頻采集，因為視頻采集需要曝光時間受幀率限制在67毫秒以內(nèi)。

“速度”是描述光學系統(tǒng)將光線傳遞到成像器的能力的一種簡單方法。在光線好的環(huán)境下對“慢鏡頭”進行操作。這是因為，光學允許使用小光圈以及慢快門來獲取很好的景深。而在差光線下或在好光線但需要快門速度很快（如下面提到的體育運動）的條件下拍照，需要一個“快鏡頭”。因此，這個挑戰(zhàn)是在光照條件、景深、快門速度間提供一個很好的聯(lián)系，并開發(fā)一種快速鏡頭來適用于低光場景。

軟件增強光學為拍照手機提供了一種全自動解決方法，從而可以使消費者可以在更廣泛的光照條件下拍攝清晰的圖片。這種方法的基本思想是設計帶有低F值光學器件的相機模塊，典型是F/1.75，并通過一種上述的擴展景深解決方案來將景深恢復成正常情況。低F值光學器件使超高速鏡頭解決方案適用于靜態(tài)攝影以及視頻采集。信號處理可以補償對比度的損失并隨后降低最終圖像中的噪聲，而保留了原始圖像的邊緣、細節(jié)以及質(zhì)地等。這是可能的，因為寫入線性緩存器中供算法使用的信息提供了基于像素平均的數(shù)據(jù)，并提高了圖像的信噪比約6個dB。該種方案的有效性可以通過對比圖9中由1.75μm成像器得到的兩張圖來描述。

實現(xiàn)

軟件增強光學綜合了專業(yè)鏡頭和自定義的算法，從而提供了有著卓越質(zhì)量的圖片，并對用戶完全透明。然而，相機模塊的設計師們需要事先考慮如何將這些增強技術(shù)納入到手持機中，而不是一個插件的形式。原則上，所有需求只是一個客戶制定的光學鏡頭倉中的鏡頭，這可以通過現(xiàn)有的架構(gòu)和鏡頭材料來制造而成。自定義的鏡頭可以甚至可以取代現(xiàn)有的鏡頭。和這個鏡頭一起的，還有圖像處理算法。用于這些方案中的算法可以非常小，通常是10萬級邏輯門。這對于嵌入到CMOS成像器而言非常小，但這需要與成像器制作商協(xié)調(diào)，然后模具必須安置正確的光學器件。

另一種放置算法的方法是軟件或固件的形式，可以運行在圖像處理器或者手機處理器上。同樣，兩種方案在技術(shù)角度上都很簡單，但需要與傳統(tǒng)的相機模塊供應商進行很好的溝通。不過，這些方案的益處是如此引人注目，帶有擴展景深的3百萬像素拍照手機已在量產(chǎn)并將在2009年配置到高分辨率相機-連同變焦和超快速鏡頭解決方案。

雖然這些可以提升高度微型化和低成本相機模塊的原始性能的軟件增強光學工作，是獨立于變焦解決方案，他們都沒有提供可以提升用戶拍攝體驗時的滿意度的功能。這個問題并不涉及相機模塊設計師們，而是原始設備制造商的任務。一個數(shù)碼相機最常見的問題是紅眼現(xiàn)象，這解釋了為什么當前80%以上的數(shù)碼靜態(tài)相機都實現(xiàn)了減弱紅眼現(xiàn)象的功能。這些功能是否會在拍照手機上提供，以及它們是如何被集成的，我們將在本系列文章的第四部分討論。