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

　　引言

　　對于許多用戶，相機(jī)性能已成為一臺智能手機(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像素。捕獲瞬間、敏銳清晰、要求快速和準(zhǔn)確的自動(dòng)對焦(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)采用的相位檢測自動(dòng)對焦(PDAF)，正被開發(fā)用于智能手機(jī)以幫助捕獲可能比傳統(tǒng)的對比檢測技術(shù)更高質(zhì)量的照片和視頻圖像。

　　1對比檢測，成熟升級

　　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)對焦一直按對比檢測原理工作。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)起來可相對容易和低成本。

　　在對比檢測自動(dòng)對焦中，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)視場中的一個(gè)或多個(gè)點(diǎn)監(jiān)測對比度。假定在峰值對比被檢測到的點(diǎn)為焦點(diǎn)。這種方法可能很慢，因?yàn)橄到y(tǒng)最初沒有信息來指示鏡頭應(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測峰值對比。這可能在拍攝靜止圖像時(shí)產(chǎn)生延遲，在對焦于移動(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相位檢測自動(dòng)對焦和工作原理

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

　　在PDAF系統(tǒng)中，具有相對角響應(yīng)特性的專用聚焦像素被比較。圖1比較了不對稱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

　　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)對焦需要移動(dòng)的量級信息，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)的對比檢測更快速對焦。

　　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像素信息含對焦誤差的量級和方向

　　自動(dòng)對焦機(jī)制重復(fù)此捕獲流程直到PDAF像素響應(yīng)完美對齊。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)來實(shí)現(xiàn)正確的對焦。

　　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)致無法對焦，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)行分析的過程，并正確地對齊信號以實(shí)現(xiàn)相位檢測.。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：主存儲器

　　uProcessor：微處理器

　　Statistics transported over separate MIPI VC：統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)通過各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聚焦誤差，即使相位檢測像素輸出非常匹配。鏡頭效果也挑戰(zhàn)對焦：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)體帶來了通過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像素對可用來幫助確保穩(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幫助校正PDAF像素值。串?dāng)_可通過平衡平均像素消除。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)對焦，包括微光，如圖5所示。

　　Focus Performance vs. Light Level(lux)：對焦性能對比光照水平(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：測量于不同的勒克斯等級

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

　　Focus Time(ms)：對焦時(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，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)對焦性能，和增強(qiáng)PDAF算法以加快對焦時(shí)間及缺陷校正。

　　對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)體高級產(chǎn)品營銷經(jīng)理