自動(dòng)對(duì)焦創(chuàng)新影響智能手機(jī)成像和為終端用戶帶來(lái)更多好處

　　引言

　　對(duì)于許多用戶，相機(jī)性能已成為一臺(tái)智能手機(jī)最重要的方面。社交媒體和線上業(yè)務(wù)使每個(gè)人都成為攝影師或影片導(dǎo)演，輔以幾百萬(wàn)像素的傳感器和內(nèi)置于手機(jī)的處理，觸摸到預(yù)設(shè)就能提供專業(yè)品質(zhì)的結(jié)果。

　　現(xiàn)在市場(chǎng)上的一些智能手機(jī)傳感器比幾年前的專業(yè)數(shù)碼相機(jī)有更高的像素?cái)?shù).。圖像分辨率現(xiàn)在完全足以用于大多用途。然而，能成就絕佳的攝影不止要有百萬(wàn)像素。捕獲瞬間、敏銳清晰、要求快速和準(zhǔn)確的自動(dòng)對(duì)焦(AF)等超越緩慢和功能有限的系統(tǒng)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)。

　　傳統(tǒng)獨(dú)立的相機(jī)采用的相位檢測(cè)自動(dòng)對(duì)焦(PDAF)，正被開(kāi)發(fā)用于智能手機(jī)以幫助捕獲可能比傳統(tǒng)的對(duì)比檢測(cè)技術(shù)更高質(zhì)量的照片和視頻圖像。

　　1對(duì)比檢測(cè)，成熟升級(jí)

　　用于智能手機(jī)攝相機(jī)和一些專用攝相機(jī)中的傳統(tǒng)的自動(dòng)對(duì)焦一直按對(duì)比檢測(cè)原理工作。這種方法可應(yīng)用于使用普通的圖像傳感器，因此實(shí)現(xiàn)起來(lái)可相對(duì)容易和低成本。

　　在對(duì)比檢測(cè)自動(dòng)對(duì)焦中，聚焦電機(jī)將鏡頭移向或遠(yuǎn)離傳感器，并在相鄰像素之間以攝像機(jī)視場(chǎng)中的一個(gè)或多個(gè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)對(duì)比度。假定在峰值對(duì)比被檢測(cè)到的點(diǎn)為焦點(diǎn)。這種方法可能很慢，因?yàn)橄到y(tǒng)最初沒(méi)有信息來(lái)指示鏡頭應(yīng)該移動(dòng)的方向以改善焦點(diǎn).。此外，可能需要檢查多個(gè)幀，以確保適當(dāng)?shù)臋z測(cè)峰值對(duì)比。這可能在拍攝靜止圖像時(shí)產(chǎn)生延遲，在對(duì)焦于移動(dòng)物體或錄制視頻時(shí)性能可能差。

　　隨著智能手機(jī)用戶對(duì)相機(jī)性能的期望不斷提高，需要更靈敏的系統(tǒng)。

　　2相位檢測(cè)自動(dòng)對(duì)焦和工作原理

　　相位檢測(cè)自動(dòng)對(duì)焦(PDAF)已被用于數(shù)碼單反相機(jī)(DSLR)一段時(shí)間，并且能夠比對(duì)比檢測(cè)方法更快速的找到焦點(diǎn)。

　　在PDAF系統(tǒng)中，具有相對(duì)角響應(yīng)特性的專用聚焦像素被比較。圖1比較了不對(duì)稱PDAF像素與那些用于圖像捕獲的常規(guī)像素的響應(yīng)。該圖也說(shuō)明了安森美半導(dǎo)體的先進(jìn)的PDAF像素的高靈敏度，提高在微光條件下的自動(dòng)對(duì)焦性能。其他的方案傾向于使用一種阻擋光照的方法，導(dǎo)致在微光下PDAF性能的折中。

　　PDAF Angular Response：PDAF角度響應(yīng)

　　Normalized Signal：標(biāo)準(zhǔn)化信號(hào)

　　Horizontal Angle(deg)：水平角度(度)

　　ON Phase Pixel：安森美半導(dǎo)體的相位像素

　　Regular Pixel：普通像素

　　圖1 相反極性的PDAF像素對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)的像素響應(yīng)

　　當(dāng)圖像被聚焦，PDAF像素的響應(yīng)趨近相位，如圖2所示。相反，聚焦誤差導(dǎo)致像素響應(yīng)之間的相位位移。圖2還表明PDAF傳感器提供鏡頭實(shí)現(xiàn)對(duì)焦需要移動(dòng)的量級(jí)信息，和鏡頭應(yīng)移動(dòng)的方向信息：接近或遠(yuǎn)離傳感器。這有助于PDAF系統(tǒng)可能較傳統(tǒng)的對(duì)比檢測(cè)更快速對(duì)焦。

　　Focused too close：離焦點(diǎn)太近

　　In focus：與焦點(diǎn)重合

　　Focuse too far away：離焦點(diǎn)太遠(yuǎn)

　　圖2 PDAF像素信息含對(duì)焦誤差的量級(jí)和方向

　　自動(dòng)對(duì)焦機(jī)制重復(fù)此捕獲流程直到PDAF像素響應(yīng)完美對(duì)齊。在實(shí)踐中，該P(yáng)DAF算法必須計(jì)算大量像素的平均響應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)正確的對(duì)焦。

　　3 PDAF性能的挑戰(zhàn)

　　數(shù)碼單反相機(jī)往往有一個(gè)單獨(dú)的、專用的對(duì)焦傳感器，配以一個(gè)副鏡，將進(jìn)入相機(jī)的一定比例的光線直接到達(dá)像素陣列(圖3)。因?yàn)檫@對(duì)典型的智能手機(jī)外形尺寸是不實(shí)用的方案，智能手機(jī)傳感器要求一系列PDAF像素被集成在主圖像傳感器，可以多種方式排列，如在單行連成一條線，或成對(duì)地在傳感器上的不同位置。在單行中并排排列像素通常帶來(lái)在如視頻或子采樣模式下更好的性能。然而，由于PDAF像素不用于圖像捕獲，這種排列可能在靜止圖像產(chǎn)生一條明顯的線。另一方面，采用分散的模式，圖像誤差更容易校正，雖然更大的像素間距可能導(dǎo)致無(wú)法對(duì)焦，和子采樣模式不可用。值得一提的是，擾動(dòng)影響意味著PDAF像素可使相鄰圖像捕獲像素的響應(yīng)失真達(dá)30%。這可影響必須應(yīng)用的缺陷校正的程度。

　　圖3. 高端數(shù)碼單反相機(jī)中的專用對(duì)焦傳感器

　　圖4所示為典型的PDAF處理子系統(tǒng)的關(guān)鍵要素。校正和互相關(guān)被應(yīng)用于傳感器，PDAF算法運(yùn)行于主應(yīng)用處理器的CPU。互相關(guān)，如圖所示，描述了將像素輸出流轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的過(guò)程，并正確地對(duì)齊信號(hào)以實(shí)現(xiàn)相位檢測(cè).。最終，結(jié)果傳至AF電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，在PDAF像素重采樣前將鏡頭移動(dòng)到下一個(gè)所需位置。

　　VCM Driver：VCM驅(qū)動(dòng)器

　　Sensor：傳感器

　　PDAF Correction：PDAF校正

　　Image Pipe：成像管道

　　Main Memory：主存儲(chǔ)器

　　uProcessor：微處理器

　　Statistics transported over separate MIPI VC：統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)通過(guò)各MIPI VC傳輸

　　圖4. 展示PDAF系統(tǒng)原理的框圖

　　其他幾個(gè)因素必須被考慮進(jìn)來(lái)以確保滿意的PDAF性能。光學(xué)模糊比通常比觀察到的相位差大九倍，這意味著人眼可以檢測(cè)聚焦誤差，即使相位檢測(cè)像素輸出非常匹配。鏡頭效果也挑戰(zhàn)對(duì)焦：焦點(diǎn)位移通常大于像素相位差約20倍。這些影響需要PDAF像素響應(yīng)極為準(zhǔn)確的解析，以實(shí)現(xiàn)敏捷和可靠地對(duì)焦。有幾種技術(shù)可應(yīng)用以最大限度地提高準(zhǔn)確度，包括優(yōu)化像素性能和像素模式。

　　PDAF傳感器還對(duì)顏色敏感，與位置相關(guān)，并且可能易于受光學(xué)誤差的影響。必須運(yùn)用特別的校正如鏡頭陰影和自適應(yīng)校正以克服這些影響。

　　4優(yōu)化用于智能手機(jī)應(yīng)用

　　安森美半導(dǎo)體帶來(lái)了通過(guò)與知名品牌合作的數(shù)碼單反相機(jī)世界的經(jīng)驗(yàn)，為智能手機(jī)用戶提供增強(qiáng)的PDAF體驗(yàn)。目前在傳感器的創(chuàng)新如AR1337，集成高性能的PDAF像素(SuperPD?)，具有較高的光靈敏度，如圖1所示，以及優(yōu)化的PDAF像素模式。

　　采樣頻率理論有助于確定最佳的定位與PDAF像素?cái)?shù)，了解PDAF像素?zé)o法聚焦于厚度超過(guò)像素之間距離的線條或紋理，而高頻圖像需要大量樣本點(diǎn)以支持準(zhǔn)確的確定峰值。特殊模式如虛線或2X1像素對(duì)可用來(lái)幫助確保穩(wěn)固性和最大限度地減少缺陷校正。

　　此外，可以使用諸如常規(guī)鏡頭陰影或更先進(jìn)的自適應(yīng)陰影等技術(shù)來(lái)管理像素輸出值，以便將參考值提供給缺陷校正算法。此外，常規(guī)的圖像捕獲像素值可用來(lái)幫助校正PDAF像素值。串?dāng)_可通過(guò)平衡平均像素消除。進(jìn)一步的優(yōu)化包括鏡頭增強(qiáng)，可能比采用傳統(tǒng)金屬快門更多的光線直接到達(dá)像素表面，通常用于目前流行的手機(jī)。這些快門可阻止達(dá)50%的光到達(dá)像素。

　　安森美半導(dǎo)體智能手機(jī)攝相頭傳感器中PDAF像素增強(qiáng)的光靈敏度也實(shí)現(xiàn)在寬廣范圍的照明條件下更快的自動(dòng)對(duì)焦，包括微光，如圖5所示。

　　Focus Performance vs. Light Level(lux)：對(duì)焦性能對(duì)比光照水平(勒克斯)

　　Handset with standard PDAF pixels：采用標(biāo)準(zhǔn)PDAF像素的手機(jī)

　　High-sensitivity PDAF pixel works at ? light level：高靈敏度PDAF像素工作于1/4光照水平

　　Measured at different Lux levels：測(cè)量于不同的勒克斯等級(jí)

　　Focus time – first to last lens movement：對(duì)焦時(shí)間 – 從最初到最后的鏡頭移動(dòng)

　　Focus Time(ms)：對(duì)焦時(shí)間(毫秒)

　　Lower is better：越少越好

　　圖5.高靈敏度PDAF像素支持更快獲得對(duì)焦點(diǎn)

　　5結(jié)論

　　PDAF是增強(qiáng)智能手機(jī)攝相機(jī)性能的未來(lái)，提供機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)與專用攝相機(jī)相當(dāng)?shù)捻憫?yīng)時(shí)間、對(duì)焦準(zhǔn)確度和再現(xiàn)性。然而，該技術(shù)需要適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)，以在智能手機(jī)應(yīng)用中提供最佳的性能?？蓱?yīng)用的技術(shù)包括優(yōu)化PDAF像素以最大化相位靈敏度和最小化普通相鄰像素的影響，建立最優(yōu)PDAF像素模式實(shí)現(xiàn)強(qiáng)固的自動(dòng)對(duì)焦性能，和增強(qiáng)PDAF算法以加快對(duì)焦時(shí)間及缺陷校正。

　　對(duì)AF性能的這些改進(jìn)，結(jié)合現(xiàn)在可實(shí)現(xiàn)的常規(guī)的高圖像質(zhì)量，可能很快使智能手機(jī)成為攝影愛(ài)好者以及社交和商用的所選工具。

        作者：Jason Whetstone 安森美半導(dǎo)體高級(jí)產(chǎn)品營(yíng)銷經(jīng)理