便攜式設(shè)計(jì)中圖像采集與處理的挑戰(zhàn)與解決方案

這個共分四部分的系列文章深入研究了在手機(jī)和其他手持設(shè)備平臺上的圖像采集與處理的趨勢以及設(shè)計(jì)上的挑戰(zhàn)。本部分主要討論的是使用軟件增強(qiáng)光學(xué)性能。

晶圓規(guī)模的制造技術(shù)的發(fā)明使得以非常低廉的成本生產(chǎn)及其緊湊的相機(jī)模塊成為可能。處于物理上的原因，很小的相機(jī)模塊其性能要劣于大一些的相機(jī)模塊，但小相機(jī)模塊產(chǎn)生的缺陷可以通過新式的采用晶圓規(guī)模制造的鏡頭結(jié)構(gòu)來糾正。然而，這只能用來保持現(xiàn)狀，無法提升圖像質(zhì)量也無法增強(qiáng)用戶的體驗(yàn)。

當(dāng)前，高分辨率拍照手機(jī)的設(shè)計(jì)師們已經(jīng)可以僅突出像素?cái)?shù)量來向消費(fèi)者推銷其產(chǎn)品。隨著拍照手機(jī)的廣泛應(yīng)用(已經(jīng)超過80%的手機(jī)安置了至少一個攝像頭)，消費(fèi)者們已經(jīng)意識到圖像的質(zhì)量和其像素?cái)?shù)不存在必然的聯(lián)系。事實(shí)上，從火星車上傳回的令人驚嘆的圖片是通過僅為1M像素的相機(jī)拍攝的。同樣，專業(yè)級相機(jī)的設(shè)計(jì)師們已經(jīng)很早就知道，為了獲取一個更高質(zhì)量的數(shù)碼圖片，就需要光學(xué)和軟件的密切配合。

如在本文的第一部分討論的那樣，客戶的需求提高了新式拍照手機(jī)的圖像質(zhì)量以及一系列嵌入式功能。其中最讓人期待的是光學(xué)變焦、調(diào)焦以及低光學(xué)靈敏度，例如沒有閃光的拍照。所有這些功能都是實(shí)現(xiàn)起來相對簡單的，前提是允許增加高度和成本，尤其是變焦的范圍。傳統(tǒng)的變焦需要兩個鏡頭來在相機(jī)內(nèi)的光軸上做相對運(yùn)動。這可以通過微型驅(qū)動器來完成，但最終的產(chǎn)品會體積大、功耗大、反應(yīng)速度慢，并且不符合便攜式電子設(shè)備的惡劣環(huán)境下的完整無損，尤其是“跌落試驗(yàn)”。因此，相機(jī)模型的設(shè)計(jì)師們?nèi)绾文芴峁┧械南M(fèi)者所需的功能，提高圖片質(zhì)量，同時(shí)不影響產(chǎn)品的外觀、可靠性以及最重要的成本?答案就是軟件增強(qiáng)光學(xué)。

軟件增強(qiáng)光學(xué)

軟件增強(qiáng)光學(xué)，或稱之為“智能光學(xué)”，是一種對已知光學(xué)效應(yīng)進(jìn)行圖像處理的糾正技術(shù)。光學(xué)效應(yīng)可以是必須予以糾正的內(nèi)在缺陷，或有意引入一種能提供某功能或特定效果的人為修正。如果目標(biāo)僅僅是提高圖像的質(zhì)量，那么可以不用投資購買高質(zhì)量、高精度的光學(xué)設(shè)備，可以通過軟件就可以糾正由低廉光學(xué)鏡頭倉引來的已知畸變。例如，如果尺寸以及成本受限，就意味著圖片的角落總是存在相同程度的模糊不清，軟件增強(qiáng)光學(xué)可以應(yīng)用邊緣銳化算法來修正這些角落區(qū)域。然后，用戶就會對這樣的圖片感到滿意，因?yàn)檫@些相機(jī)模塊內(nèi)部固有的缺陷可以修正或被掩蓋，而呈現(xiàn)出的圖片在所有部門都很好。為了進(jìn)一步高效，這種修正可以完全做到對用戶透明，即無需用戶干涉。

有了這種軟件增強(qiáng)光學(xué)的概念，新的機(jī)會處處逢生。這些基本的方法是使用專業(yè)鏡頭，在光線進(jìn)入相機(jī)時(shí)對這些光線進(jìn)行操作，按照所需的功能來將這些光線在分布在成像器上。受操作的圖片沒有直接使用，它需要軟件進(jìn)一步修正。然而，因?yàn)閳D像按照已知的方式被操作，在數(shù)字上是可以被恢復(fù)的，從而高質(zhì)量的輸出被提出出來。通過這種辦法便可實(shí)現(xiàn)很多功能，包括無運(yùn)動部件的全光學(xué)變焦、延長景深以及低能見度環(huán)境下的小F值光學(xué)性能。

用于光學(xué)變焦的軟件增強(qiáng)光學(xué)解決方案利用了這種現(xiàn)象，即在常規(guī)光學(xué)鏡頭倉中，信息的密度在視野范圍內(nèi)是不一致的。中心區(qū)域包含了更多的數(shù)據(jù)，而邊緣相反。然而一個圖像傳感器有一個規(guī)則的、二維的像素陣列。這意味著取景時(shí)，成像器的中心是正常采樣，而邊緣是過采樣。軟件增強(qiáng)光學(xué)解決方案利用了特定設(shè)計(jì)的像素鏡頭，從而提供了視野內(nèi)非均勻分布的光學(xué)感應(yīng)性能，從而與固態(tài)成像器的量化格式相吻合。在效果上，這與自然界所采取的傳統(tǒng)方法相反。很多帶有單孔徑眼睛的動物，尤其是鳥類，有一個標(biāo)準(zhǔn)的“鏡頭”，但在視網(wǎng)膜上的導(dǎo)管和圓錐細(xì)胞是非均勻分布的。在這兩種情況中，都會導(dǎo)致圖像失真，但都可以得到糾正，因?yàn)殓R頭的設(shè)計(jì)以及成像器(或者視網(wǎng)膜)的像素分布都是已知的。

為了能以一樣的放大倍數(shù)查看，算法必須壓縮視野中央?yún)^(qū)域的細(xì)節(jié)，因?yàn)樵谶@個區(qū)域中專業(yè)鏡頭增加了放大倍數(shù)和分辨率。因此，壓縮不會降低圖像的質(zhì)量，而實(shí)際上，軟件增強(qiáng)鏡頭解決方案在這樣的設(shè)計(jì)中，可以使得圖像質(zhì)量與傳統(tǒng)的相機(jī)產(chǎn)生的一樣。當(dāng)圖像進(jìn)行縮放時(shí)，圖像的邊框會出現(xiàn)，而已經(jīng)放大的中央?yún)^(qū)域會被保留。隨后，圖像會被糾正失真。這是與數(shù)字變焦最大的不同，因?yàn)樽兘故晴R頭運(yùn)動的結(jié)果，并在圖像采集時(shí)已經(jīng)固定下來，因此變焦后的圖像保留了其原始的較高的分辨率。軟件增強(qiáng)光學(xué)可以實(shí)現(xiàn)3倍的變焦。

圖是一個使用軟件增強(qiáng)光學(xué)來提供變焦功能的例子。在這個方案中，沒有可運(yùn)動的部件，即是物理上的緊湊型、堅(jiān)固耐用、瞬間可視、耗電量很小的、進(jìn)而成本很低。這明顯好于數(shù)字變焦。數(shù)字變焦涉及到了圖像的修剪和擴(kuò)展來填補(bǔ)視野，這自然會降低分辨率，因?yàn)榭捎玫男畔⒎稚⒃诟蟮膮^(qū)域上。在一個3倍的數(shù)字變焦中，幾乎90%的質(zhì)量信息會在圖像采集時(shí)丟失，這也是為什么數(shù)字變焦只提供了很小倍數(shù)的放大功能。用于變焦的圖像增強(qiáng)解決方案可以通過固定鏡頭和一個簡單的算法來實(shí)現(xiàn)。這使得這種方案對所有成像器技術(shù)以及所有分辨率(從QCIF到>10M像素)都適應(yīng)，所以預(yù)計(jì)將在短期內(nèi)廣泛應(yīng)用于拍照手機(jī)中。

圖. 使用OptiMLTM變焦軟件增強(qiáng)光學(xué)解決方案實(shí)現(xiàn)的光學(xué)變焦(僅顯示視野的中央?yún)^(qū)域)(左圖)進(jìn)行失真糾正前的圖像(中圖)經(jīng)過1倍光學(xué)變焦放大的失真糾正后的圖像(右圖)經(jīng)過2倍光學(xué)變焦放大的失真糾正后的圖像。來源：Tessera公司

通過拍照手機(jī)得到的圖片往往是出于“一時(shí)興起”的事情。消費(fèi)者不希望場景是安排好的，并且將沒有時(shí)間或感到麻煩來將相機(jī)和他們本人置于距目標(biāo)最合適的地方。借助于這些小型光學(xué)器件，一個傳統(tǒng)的相機(jī)模塊只需在一定的距離內(nèi)聚焦目標(biāo)，典型的是60厘米到數(shù)十米。由于未能了解和遵守這個限制，消費(fèi)者往往對他們自己成像后的圖片無法感到滿意。針對這個問題的圖像增強(qiáng)解決方案是“擴(kuò)展景深”。這導(dǎo)致了場景的所有細(xì)節(jié)將會被定焦，只要這些細(xì)節(jié)在距相機(jī)模塊10厘米到無窮遠(yuǎn)的范圍內(nèi)。類似于軟件增強(qiáng)鏡頭變焦方案，這可以通過專業(yè)鏡頭提供的光學(xué)放大和一個簡單算法的合并得到。它不涉及任何運(yùn)動部件，因此是堅(jiān)固的、可靠的、瞬時(shí)的并低功耗的。