便攜式設計中圖像采集與處理的挑戰與解決方案

在傳統的相機模塊中，光學(xué)鏡頭倉被設計用來(lái)聚焦光源點(diǎn)，因此放置在相機內離成像器一定的距離的位置上。如果鏡頭無(wú)法聚焦或者目標離鏡頭太近，涂點(diǎn)會(huì )出現在彌漫的區域，因此圖像會(huì )變得模糊。這種鏡頭將光源變換成模糊光斑的規律可以描述成一種數學(xué)上的變化，稱(chēng)之為點(diǎn)擴散功能。如果鏡頭的點(diǎn)擴散功能已知，模糊可以通過(guò)使用數字信號處理來(lái)恢復到原始的現場(chǎng)情景。但當圖片中的僅某個(gè)區域失焦，則不管采用什么變換方法，都無(wú)法可靠的識別出來(lái)。軟件增強光學(xué)解決了這個(gè)問(wèn)題，方法是通過(guò)可控的方法來(lái)重新定焦整個(gè)圖像。鏡頭有效的創(chuàng )建了一個(gè)不管離光源多遠模糊程度都一樣的圖像，這可以通過(guò)一個(gè)直接的算法來(lái)進(jìn)行解交織。其結果使得圖像更加良好、清晰，不管前景、中距或者遠景都能同時(shí)在焦點(diǎn)上。圖8給出一個(gè)很好的例子。

圖.一種傳統的鏡頭只能聚焦有限范圍內的目標，尤其是中距和遠距離的目標;一種軟件增強光學(xué)解決方案，如OptiML聚焦，可以實(shí)現擴展景深，從10厘米到無(wú)窮遠，而無(wú)需增相機模塊的高度或者復雜度。來(lái)源：Tessera公司

關(guān)于拍照手機的主要抱怨之一是其低能見(jiàn)度時(shí)的性能。其實(shí)這只是一個(gè)半真理命題。小型相機模塊因為其像素尺寸的縮小，無(wú)疑導致了相對于數字靜止相機光學(xué)靈敏度的降低。從2007年像素尺寸為2.2μm到2008年的1.75μm，預計2009年會(huì )發(fā)展到1.4μm，最終會(huì )達到1.1μm，這一趨勢會(huì )對低能見(jiàn)度性能和圖像質(zhì)量有著(zhù)顯著(zhù)的影響。簡(jiǎn)而言之，隨著(zhù)像素尺寸的降低，其敏感度也在減小。從更為技術(shù)的角度來(lái)看，光二極管吸收光子和釋放電子的能力隨著(zhù)像素的下降而減弱。小像素尺寸帶來(lái)的其他相應影響，包括第動(dòng)態(tài)范圍和下降的信噪比?，F實(shí)中，拍照手機較差低能見(jiàn)度性能的感知更主要的是由越來(lái)越多在低能見(jiàn)度環(huán)境下拍照而帶來(lái)的;典型的，在晚上以及在如俱樂(lè )部和飯店等場(chǎng)所，在這些地方的光照強度大約在5 lux，而遠遠小于白天室外的>350 lux。由于亮度下降，從數字成像器得到的圖片質(zhì)量自然迅速惡化，如同增加噪聲一樣出現缺陷，細節丟失或者色彩錯誤。

拍照手機低能見(jiàn)度性能不足的一個(gè)重要原因是，無(wú)法改變光學(xué)鏡頭倉的F值，因為這在制造時(shí)就一定固定了。大多數數字靜態(tài)相機提供了一個(gè)增大光圈的選項，來(lái)補償昏暗場(chǎng)景下光子數目的減少。但機械可調光圈會(huì )使得機身變得很大、不堅固、反應速度慢并功耗較高。簡(jiǎn)單的降低固定光圈相機的F值來(lái)提高低光敏感度，不是一個(gè)很好的選擇，因為較大的光圈會(huì )減小景深，從而當場(chǎng)景有景深時(shí)很難獲取一個(gè)很好的圖像質(zhì)量。典型的，標準拍照手機使用的光圈在F/2.8到F/2.4之間，主要是為了保留足夠的深度，來(lái)對正常亮度條件下的對焦。一個(gè)簡(jiǎn)單的成像光圈固定，在低光條件下，不能延長(cháng)曝光時(shí)間。然而，這會(huì )使得圖片易受到運動(dòng)模糊或機身晃動(dòng)的影響，并且不可能用于視頻采集，因為視頻采集需要曝光時(shí)間受幀率限制在67毫秒以?xún)取?p>

“速度”是描述光學(xué)系統將光線(xiàn)傳遞到成像器的能力的一種簡(jiǎn)單方法。在光線(xiàn)好的環(huán)境下對“慢鏡頭”進(jìn)行操作。這是因為，光學(xué)允許使用小光圈以及慢快門(mén)來(lái)獲取很好的景深。而在差光線(xiàn)下或在好光線(xiàn)但需要快門(mén)速度很快(如下面提到的體育運動(dòng))的條件下拍照，需要一個(gè)“快鏡頭”。因此，這個(gè)挑戰是在光照條件、景深、快門(mén)速度間提供一個(gè)很好的聯(lián)系，并開(kāi)發(fā)一種快速鏡頭來(lái)適用于低光場(chǎng)景。

軟件增強光學(xué)為拍照手機提供了一種全自動(dòng)解決方法，從而可以使消費者可以在更廣泛的光照條件下拍攝清晰的圖片。這種方法的基本思想是設計帶有低F值光學(xué)器件的相機模塊，典型是F/1.75，并通過(guò)一種上述的擴展景深解決方案來(lái)將景深恢復成正常情況。低F值光學(xué)器件使超高速鏡頭解決方案適用于靜態(tài)攝影以及視頻采集。信號處理可以補償對比度的損失并隨后降低最終圖像中的噪聲，而保留了原始圖像的邊緣、細節以及質(zhì)地等。這是可能的，因為寫(xiě)入線(xiàn)性緩存器中供算法使用的信息提供了基于像素平均的數據，并提高了圖像的信噪比約6個(gè)dB。該種方案的有效性可以通過(guò)對比圖9中由1.75μm成像器得到的兩張圖來(lái)描述。

實(shí)現

軟件增強光學(xué)綜合了專(zhuān)業(yè)鏡頭和自定義的算法，從而提供了有著(zhù)卓越質(zhì)量的圖片，并對用戶(hù)完全透明。然而，相機模塊的設計師們需要事先考慮如何將這些增強技術(shù)納入到手持機中，而不是一個(gè)插件的形式。原則上，所有需求只是一個(gè)客戶(hù)制定的光學(xué)鏡頭倉中的鏡頭，這可以通過(guò)現有的架構和鏡頭材料來(lái)制造而成。自定義的鏡頭可以甚至可以取代現有的鏡頭。和這個(gè)鏡頭一起的，還有圖像處理算法。用于這些方案中的算法可以非常小，通常是10萬(wàn)級邏輯門(mén)。這對于嵌入到CMOS成像器而言非常小，但這需要與成像器制作商協(xié)調，然后模具必須安置正確的光學(xué)器件。

另一種放置算法的方法是軟件或固件的形式，可以運行在圖像處理器或者手機處理器上。同樣，兩種方案在技術(shù)角度上都很簡(jiǎn)單，但需要與傳統的相機模塊供應商進(jìn)行很好的溝通。不過(guò)，這些方案的益處是如此引人注目，帶有擴展景深的3百萬(wàn)像素拍照手機已在量產(chǎn)并將在2009年配置到高分辨率相機-連同變焦和超快速鏡頭解決方案。

雖然這些可以提升高度微型化和低成本相機模塊的原始性能的軟件增強光學(xué)工作，是獨立于變焦解決方案，他們都沒(méi)有提供可以提升用戶(hù)拍攝體驗時(shí)的滿(mǎn)意度的功能。這個(gè)問(wèn)題并不涉及相機模塊設計師們，而是原始設備制造商的任務(wù)。一個(gè)數碼相機最常見(jiàn)的問(wèn)題是紅眼現象，這解釋了為什么當前80%以上的數碼靜態(tài)相機都實(shí)現了減弱紅眼現象的功能。這些功能是否會(huì )在拍照手機上提供，以及它們是如何被集成的，我們將在本系列文章的第四部分討論。