手機(jī)攝像頭自動(dòng)對(duì)焦技術(shù)

徐仁東

拍照的原理就是基本的凸透鏡成像的原理，物體確定后，根據(jù)光的直線傳播，被拍攝的物體通過相機(jī)的鏡片組，成一個(gè)倒像在傳感器上，傳感器感應(yīng)電信號(hào)形成圖像呈現(xiàn)在屏幕上。手機(jī)拍照技術(shù)剛剛起步時(shí)，只能在一個(gè)特定的距離才能拍的清晰，太近或者太遠(yuǎn)拍出的圖片都是模糊的?，F(xiàn)在的手機(jī)可以與相機(jī)一樣，在各種不同的距離都能拍出清晰的照片，這個(gè)就是手機(jī)攝像頭的自動(dòng)對(duì)焦技術(shù)。在大多數(shù)情況下，它有助于提高我們拍攝的照片的質(zhì)量。在手機(jī)上主流的自動(dòng)對(duì)焦技術(shù)大致上有反差對(duì)焦CDAF和相位對(duì)焦PDAF這兩種。自動(dòng)對(duì)焦技術(shù)，強(qiáng)調(diào)自動(dòng)，節(jié)約時(shí)間，屬于被動(dòng)式對(duì)焦，相機(jī)不需要其他額外輔助的探測(cè)手段，可以不需要手動(dòng)拖動(dòng)屏幕，直接利用入射光線做判斷來(lái)對(duì)焦。手機(jī)相機(jī)模組中一般使用的是音圈馬達(dá)（VCM）移動(dòng)鏡頭來(lái)對(duì)焦，其主要原理是VCM在一個(gè)永久磁場(chǎng)內(nèi)，通過改變馬達(dá)線圈內(nèi)的直流電流大小，來(lái)控制鏡頭上下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)焦。

1 反差對(duì)焦CDAF (contrast detection auto focus)

反差對(duì)焦是利用圖片像素點(diǎn)的對(duì)比度差異，假設(shè)對(duì)焦成功后相鄰的像素點(diǎn)間對(duì)比度最大。這種對(duì)焦方式的原理及光學(xué)設(shè)計(jì)是比較簡(jiǎn)單的，容易理解。

圖1 反差對(duì)焦示意圖

從圖1示意圖，可以看到右上圖，黑色圖片中部的白色方框代表對(duì)焦點(diǎn)。紅色線路，代表物體表面經(jīng)過光線照射后，折射出的光線路徑。物體反射出的紅色光線在經(jīng)過凸透鏡鏡頭組，到達(dá)傳感器前就已經(jīng)匯聚在某一點(diǎn)，隨后又散開，散開的光線分布在sensor的較大區(qū)域，較大區(qū)域周圍成像的像素點(diǎn)，對(duì)比度較低。此時(shí)整個(gè)圖像的對(duì)比度是很低。

將這個(gè)對(duì)焦點(diǎn)的位置與相鄰像素的對(duì)比度作分析得出右下角的曲線，鏡頭lens的位置改變可以改變對(duì)焦點(diǎn)的位置。失焦?fàn)顟B(tài)下對(duì)比度較低，在lens移動(dòng)聚焦過程中，曲線對(duì)比度變得傾斜，但是算法不能判斷什么時(shí)候是最高點(diǎn)，只能記錄過程中的數(shù)值，只有經(jīng)過了對(duì)焦點(diǎn)后，曲線下降再往回移動(dòng)，反復(fù)移動(dòng)后可以得到一個(gè)較大的局部梯度值，AF算法就認(rèn)為是對(duì)焦成功。換一種表述方式：隨著對(duì)焦鏡片的開始移動(dòng)，手機(jī)畫面逐漸清晰，畫面對(duì)比度開始上升；當(dāng)畫面物像最清晰，圖像對(duì)比度最高時(shí)，其實(shí)已經(jīng)處于對(duì)焦對(duì)準(zhǔn)狀態(tài)，但相機(jī)本身并不知道，所以會(huì)繼續(xù)移動(dòng)鏡頭組，然后會(huì)發(fā)現(xiàn)對(duì)比度開始下降。進(jìn)一步移動(dòng)鏡片組，發(fā)現(xiàn)對(duì)比度進(jìn)一步下降，相機(jī)知道已經(jīng)錯(cuò)過焦點(diǎn)；鏡片組回退至對(duì)比度最高的位置，完成對(duì)焦。

優(yōu)點(diǎn)：光學(xué)設(shè)計(jì)原理簡(jiǎn)單。

缺點(diǎn)：一是速度較慢，在出現(xiàn)失焦圖像時(shí)，算法無(wú)法直接判斷該移動(dòng)多少距離，同時(shí)也不知道往哪個(gè)方向移動(dòng)鏡頭組才能使畫面聚焦，甚至到了對(duì)比度最大的峰值，也不知道，只有移動(dòng)過了，才發(fā)現(xiàn)已經(jīng)達(dá)到峰值，然后以后再往回移，來(lái)回幾次后才可能找到對(duì)比度最大的對(duì)焦點(diǎn)位置；二是在物體對(duì)比度本身較低時(shí)會(huì)對(duì)焦失敗，比如純白的雪景，萬(wàn)里無(wú)云的晴天以及各種相對(duì)較純的純色圖像。

2 相位對(duì)焦PDAF (phase detect auto focus)

相位對(duì)焦最早是在單反相機(jī)上使用的，也是目前主流手機(jī)模組中最常用的被動(dòng)式對(duì)焦方法，當(dāng)然光學(xué)通路也相對(duì)比較復(fù)雜。

圖2 相位對(duì)焦示意圖

可以從圖2中看到AF模塊的工作原理。AF模塊中起碼有兩個(gè)或者多個(gè)小型的圖像傳感器(CCD1/2)，并且都是由一列像素構(gòu)成一維CCD，每個(gè)傳感器上有一個(gè)小的透鏡(Micro lens)，這些傳感器是成對(duì)出現(xiàn)，每?jī)蓚€(gè)就組成了一個(gè)小型的自動(dòng)對(duì)焦點(diǎn)，假設(shè)右下側(cè)黑色圖片中央的白色方框是對(duì)焦點(diǎn)。在沒有對(duì)焦?fàn)顟B(tài)下，紅光物體反射光線照射經(jīng)過lens組右側(cè)，綠光照射在光圈左側(cè)，在傳感器上的感應(yīng)到的相位就無(wú)法匹配，但為了將相位表示成只有一個(gè)峰值的曲線，也就是一個(gè)黑色背景的白點(diǎn)，實(shí)際上真實(shí)圖像的曲線比較復(fù)雜。當(dāng)移動(dòng)鏡頭組lens的時(shí)候，光線的相位會(huì)靠近一直到重合，當(dāng)重合時(shí)就認(rèn)為對(duì)焦已經(jīng)成功。在圖像處理專業(yè)領(lǐng)域的算法中，相位識(shí)別重合的方法較多，每家sensor廠商的算法肯定也不完全相同。根據(jù)相位差算法可以精確計(jì)算出鏡頭組lens需要移動(dòng)的方向以及距離，因此PDAF對(duì)焦方式就比CDAF速度快。

由于PDAF對(duì)焦速度快，在2014年就已經(jīng)被全面引入到手機(jī)模組，但是手機(jī)對(duì)體積空間要求較高，手機(jī)里沒有空間來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的光學(xué)通路。因此業(yè)界就拿感光sensor做文章。

圖3 Bayer pattern示意圖

如圖3所示在原有的Bayer sensor基礎(chǔ)上將部分pixel替換成PD pixel，變成了PDAF sensor。PDAF sensor pattern的設(shè)計(jì)需要使用到shield pixel的概念，包括left-half-shield與right-half-shield兩種，也稱Left PD pixel和Right PD pixel，能夠起到模仿左右眼的類似功能。shield pixels主要分布在sensor感光芯片居中的90%范圍之內(nèi)，其中的x方向32與y方向32個(gè)pixel array被稱做1個(gè)block，shield pixel在這一個(gè)block中的占比為1/64，即每個(gè)block中有16個(gè)shield pixel，right-half-shield與lefthalf-shield各8個(gè)，上圖是1/4個(gè)block，有4個(gè)shield pixel。不同sensor廠商之間設(shè)計(jì)方式會(huì)有區(qū)別，主要原因是為了規(guī)避專利。這樣設(shè)計(jì)的sensor無(wú)需更多空間或者透鏡改變?cè)泄鈱W(xué)通路，直接根據(jù)PDAF sensor計(jì)算出相位差來(lái)移動(dòng)鏡頭，就能快速對(duì)焦。當(dāng)然如這些被PD像素所取代的部分G pixel進(jìn)行了半遮光結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，光能信號(hào)比正常的G pixel要弱一些，直接成像必然有異常，PD位置點(diǎn)必須根據(jù)其周圍像素點(diǎn)的pixel的采樣值，來(lái)做算法補(bǔ)償，各種sensor的補(bǔ)償方式就由ISP廠商決定。所以使用PDAF功能是需要進(jìn)行模組校正，包括SPC(shield pixel calibration)與DCC(defocus conversion coefficient)。這里SPC功能就是上述算法補(bǔ)償?shù)男Ｕ齽?dòng)作，為了達(dá)到正常G pixel的能效水平，需要對(duì)此類型的G pixel增加額外的系數(shù)增益。而DCC功能并不是校正而是生成DAC與對(duì)焦Focus的系數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系，用來(lái)快速定位需要移動(dòng)的位置，實(shí)現(xiàn)PDAF快速校準(zhǔn)的功能。

優(yōu)點(diǎn)：速度快。缺點(diǎn)：一是需要專用PDAF sensor，有精度損失；二是在暗處進(jìn)光量不足時(shí)效果較差，無(wú)法完全取代CDAF。

3 結(jié)語(yǔ)

手機(jī)相機(jī)模組對(duì)焦技術(shù)，已經(jīng)經(jīng)過多年技術(shù)沉淀。CDAF和PDAF對(duì)焦技術(shù)已經(jīng)同時(shí)應(yīng)用于手機(jī)攝像頭模組中，在不同場(chǎng)景中，發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，互取長(zhǎng)短，不同的技術(shù)擁有不同的目的，共同加速手機(jī)在各種場(chǎng)景中的自動(dòng)對(duì)焦速度，提升手機(jī)攝像頭成像的速度和更好的質(zhì)量，為消費(fèi)者帶來(lái)更好的用戶體驗(yàn)。