自动对焦在智能手机的应用

作者：高级产品营销经理Jason Whetstone
当今最想要的智能手机特性
对于许多用户，相机性能已成为一台智能手机最重要的方面。社交媒体和线上业务使每个人都成为摄影师或影片导演，辅以几百万像素的传感器和内置于手机的处理，触摸到预设就能提供专业品质的结果。
现在市场上的一些智能手机传感器比几年前的专业数码相机有更高的像素数.。图像分辨率现在完全足以用于大多用途。然而，能成就绝佳的摄影不止要有百万像素。捕获瞬间、敏锐清晰、要求快速和准确的自动对焦（AF）等超越缓慢和功能有限的系统现已广泛应用于智能手机。

冷静

2019-7-16 17:24:45

对比检测，成熟升级
用于智能手机摄相机和一些专用摄相机中的传统的自动对焦一直按对比检测原理工作。这种方法可应用于使用普通的图像传感器，因此实现起来可相对容易和低成本。
在对比检测自动对焦中，聚焦电机将镜头移向或远离传感器，并在相邻像素之间以摄像机视场中的一个或多个点监测对比度。假定在峰值对比被检测到的点为焦点。这种方法可能很慢，因为系统最初没有信息来指示镜头应该移动的方向以改善焦点.。此外，可能需要检查多个帧，以确保适当的检测峰值对比。这可能在拍摄静止图像时产生延迟，在对焦于移动物体或录制视频时性能可能差。
随着智能手机用户对相机性能的期望不断提高，需要更灵敏的系统。

李芳

2019-7-16 17:25:01

相位检测自动对焦和工作原理
相位检测自动对焦（PDAF）已被用于数码单反相机（DSLR）一段时间，并且能够比对比检测方法更快速的找到焦点。
在PDAF系统中，具有相对角响应特性的专用聚焦像素被比较。图1比较了不对称PDAF像素与那些用于图像捕获的常规像素的响应。该图也说明了安森美半导体的先进的PDAF像素的高灵敏度，提高在微光条件下的自动对焦性能。其他的方案倾向于使用一种阻挡光照的方法，导致在微光下PDAF性能的折中。

图1：相反极性的PDAF像素对比标准的像素响应

当图像被聚焦，PDAF像素的响应趋近相位，如图2所示。相反，聚焦误差导致像素响应之间的相位位移。图2还表明PDAF传感器提供镜头实现对焦需要移动的量级信息，和镜头应移动的方向信息：接近或远离传感器。这有助于PDAF系统可能较传统的对比检测更快速对焦。

图2：PDAF像素信息含对焦误差的量级和方向

自动对焦机制重复此捕获流程直到PDAF像素响应完美对齐。在实践中，该PDAF算法必须计算大量像素的平均响应来实现正确的对焦。

张红玲

2019-7-16 17:25:08

PDAF性能的挑战
数码单反相机往往有一个单独的、专用的对焦传感器，配以一个副镜，将进入相机的一定比例的光线直接到达像素阵列（图3）。因为这对典型的智能手机外形尺寸是不实用的方案，智能手机传感器要求一系列PDAF像素被集成在主图像传感器，可以多种方式排列，如在单行连成一条线，或成对地在传感器上的不同位置。在单行中并排排列像素通常带来在如视频或子采样模式下更好的性能。然而，由于PDAF像素不用于图像捕获，这种排列可能在静止图像产生一条明显的线。另一方面，采用分散的模式，图像误差更容易校正，虽然更大的像素间距可能导致无法对焦，和子采样模式不可用。值得一提的是，扰动影响意味着PDAF像素可使相邻图像捕获像素的响应失真达30%。这可影响必须应用的缺陷校正的程度。

图3. 高端数码单反相机中的专用对焦传感器

图4所示为典型的PDAF处理子系统的关键要素。校正和互相关被应用于传感器，PDAF算法运行于主应用处理器的CPU。互相关，如图所示，描述了将像素输出流转换成数据进行分析的过程，并正确地对齐信号以实现相位检测.。最终，结果传至AF电机驱动器，在PDAF像素重采样前将镜头移动到下一个所需位置。

图4. 展示PDAF系统原理的框图

其他几个因素必须被考虑进来以确保满意的PDAF性能。光学模糊比通常比观察到的相位差大九倍，这意味着人眼可以检测聚焦误差，即使相位检测像素输出非常匹配。镜头效果也挑战对焦：焦点位移通常大于像素相位差约20倍。这些影响需要PDAF像素响应极为准确的解析，以实现敏捷和可靠地对焦。有几种技术可应用以最大限度地提高准确度，包括优化像素性能和像素模式。
PDAF传感器还对颜色敏感，与位置相关，并且可能易于受光学误差的影响。必须运用特别的校正如镜头阴影和自适应校正以克服这些影响。

PDAF性能的挑战
数码单反相机往往有一个单独的、专用的对焦传感器，配以一个副镜，将进入相机的一定比例的光线直接到达像素阵列（图3）。因为这对典型的智能手机外形尺寸是不实用的方案，智能手机传感器要求一系列PDAF像素被集成在主图像传感器，可以多种方式排列，如在单行连成一条线，或成对地在传感器上的不同位置。在单行中并排排列像素通常带来在如视频或子采样模式下更好的性能。然而，由于PDAF像素不用于图像捕获，这种排列可能在静止图像产生一条明显的线。另一方面，采用分散的模式，图像误差更容易校正，虽然更大的像素间距可能导致无法对焦，和子采样模式不可用。值得一提的是，扰动影响意味着PDAF像素可使相邻图像捕获像素的响应失真达30%。这可影响必须应用的缺陷校正的程度。

图3. 高端数码单反相机中的专用对焦传感器

图4所示为典型的PDAF处理子系统的关键要素。校正和互相关被应用于传感器，PDAF算法运行于主应用处理器的CPU。互相关，如图所示，描述了将像素输出流转换成数据进行分析的过程，并正确地对齐信号以实现相位检测.。最终，结果传至AF电机驱动器，在PDAF像素重采样前将镜头移动到下一个所需位置。

图4. 展示PDAF系统原理的框图

其他几个因素必须被考虑进来以确保满意的PDAF性能。光学模糊比通常比观察到的相位差大九倍，这意味着人眼可以检测聚焦误差，即使相位检测像素输出非常匹配。镜头效果也挑战对焦：焦点位移通常大于像素相位差约20倍。这些影响需要PDAF像素响应极为准确的解析，以实现敏捷和可靠地对焦。有几种技术可应用以最大限度地提高准确度，包括优化像素性能和像素模式。
PDAF传感器还对颜色敏感，与位置相关，并且可能易于受光学误差的影响。必须运用特别的校正如镜头阴影和自适应校正以克服这些影响。

王境滨

2019-7-16 17:25:14

优化用于智能手机应用
安森美半导体带来了通过与知名品牌合作的数码单反相机世界的经验，为智能手机用户提供增强的PDAF体验。目前在传感器的创新如AR1337，集成高性能的PDAF像素（SuperPD™），具有较高的光灵敏度，如图1所示，以及优化的PDAF像素模式。
采样频率理论有助于确定最佳的定位与PDAF像素数，了解PDAF像素无法聚焦于厚度超过像素之间距离的线条或纹理，而高频图像需要大量样本点以支持准确的确定峰值。特殊模式如虚线或2X1像素对可用来帮助确保稳固性和最大限度地减少缺陷校正。
此外，可以使用诸如常规镜头阴影或更先进的自适应阴影等技术来管理像素输出值，以便将参考值提供给缺陷校正算法。此外，常规的图像捕获像素值可用来帮助校正PDAF像素值。串扰可通过平衡平均像素消除。进一步的优化包括镜头增强，可能比采用传统金属快门更多的光线直接到达像素表面，通常用于目前流行的手机。这些快门可阻止达50%的光到达像素。
安森美半导体智能手机摄相头传感器中PDAF像素增强的光灵敏度也实现在宽广范围的照明条件下更快的自动对焦，包括微光，如图5所示。

图5.高灵敏度PDAF像素支持更快获得对焦点

秦涌安

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冷静

李芳

张红玲

王境滨

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