移動(dòng)及消費等應用影像穩定方法比較暨安森美半導體光學(xué)影像穩定方案

如今，人們越來(lái)越多地通過(guò)智能手機、平板電腦、數碼相機、攝像機乃至汽車(chē)來(lái)攝像。在攝像過(guò)程中，常常會(huì )遇到圖像抖動(dòng)問(wèn)題。一個(gè)典型的抖動(dòng)示例，就是人們控制攝像機時(shí)手顫動(dòng)下出現的情形，會(huì )使影像晃動(dòng)，難于觀(guān)看，尤其是在將縮放功能調到完全放大時(shí)更為明顯。此外，照相機及攝像機在移動(dòng)情況下捕獲影像時(shí)也會(huì )出現模糊。因此，設計人員需要采用恰當的影像穩定方法，來(lái)幫助在拍照及攝像時(shí)控制抖動(dòng)和模糊不清，優(yōu)化用戶(hù)體驗。

移動(dòng)、消費及汽車(chē)應用中使用的影像穩定方法，目前主要有三種，包括分別是數字影像穩定(DIS)、電子影像穩定(EIS)及光學(xué)影像穩定(OIS)。DIS與EIS的主要區別就在于運動(dòng)檢測方法。DIS使用的是像素映射方法，如圖1所示。DIS方法通過(guò)分析圖片，將狗置于中間位置。也就是說(shuō)，像素映射方法用軟件重新調整狗的位置。

圖1. 數字影像穩定(DIS)使用像素映射方法通過(guò)軟件來(lái)穩定圖像。

相比較而言，EIS使用陀螺儀來(lái)檢測相機運動(dòng)并實(shí)時(shí)補償運動(dòng)，將像素及圖像品質(zhì)提升至最高。這兩種方法都通過(guò)裁剪圖像來(lái)提供運動(dòng)補償。由于EIS使用陀螺儀來(lái)感測運動(dòng)，EIS感測精度極佳，但由于它仍靠裁剪圖像來(lái)進(jìn)行運動(dòng)補償，故圖像品質(zhì)下降。在圖2中，您可以看到保護頻帶怎樣用于裁剪圖像以補償抖動(dòng)。

圖2. 電子影像穩定(EIS)使用陀螺儀來(lái)檢測相機運動(dòng)并補償。

大多數應用中使用應用處理器(AP)來(lái)處理視頻或信號，包括使用EIS及DIS的應用等，尤其是DIS需要較多的處理器資源來(lái)補償抖動(dòng)及運動(dòng)。在視頻應用中，視頻壓縮等同于圖像品質(zhì)。像DIS及EIS等方法需要裁剪圖像時(shí)，圖像品質(zhì)便會(huì )下降，因為要不斷地降低及提升所捕獲圖像的品質(zhì)。

相比較而言，OIS方法捕獲及使用了最大像素，且不需要通過(guò)保護頻帶來(lái)降低/提高圖像品質(zhì)，故提供最大化壓縮并優(yōu)化了圖像品質(zhì)。而且由于OIS提供內部補償，故不需要任何其它的應用處理器資源。

表1. 各種影像穩定方法比較。

OIS方法的其它優(yōu)勢

此外，獨特的OIS方法還提供大幅改進(jìn)的快門(mén)速度，優(yōu)化曝光補償達3級，遠高于使用的其它方法。OIS方案通常由一些主要元件構成，包括確定焦距的影像傳感器、補償運動(dòng)的陀螺儀及光學(xué)影像穩定等。這些元件可以組裝在較小的空間中，采用某種標準設計布線(xiàn)。

OIS通常還集成了一個(gè)開(kāi)環(huán)或閉環(huán)的自動(dòng)對焦設計。開(kāi)環(huán)自動(dòng)對焦使用彈簧來(lái)提供抗拒鏡頭的拉伸力，要求持續的功率來(lái)抗拒鏡頭拉伸力，使其保持位置。而通過(guò)使用閉環(huán)自動(dòng)對焦系統，您無(wú)需彈簧及持續的功率來(lái)維持自動(dòng)對焦的鏡頭位置。由于知道了位置，故只需較少的功率來(lái)維持應用的對焦。在閉環(huán)自動(dòng)對焦系統中，微距(macro)模式下所需的相關(guān)功率不比無(wú)限遠(infinity)的多。這對每個(gè)系統要求的穩定時(shí)間也有顯著(zhù)影響。因為典型開(kāi)環(huán)自動(dòng)對焦要花時(shí)間來(lái)穩定下來(lái)，然后得繼續重新調校。時(shí)間取決于使用的算法，但通常開(kāi)環(huán)型自動(dòng)對焦要花點(diǎn)時(shí)間來(lái)穩定下來(lái)。閉環(huán)自動(dòng)對焦系統使用位置傳感器來(lái)確定鏡頭位置，能夠加快穩定時(shí)間以完成對焦。

安森美半導體的強固及高能效光學(xué)影像穩定方案

安森美半導體開(kāi)發(fā)出一種結合這些可能選擇之最佳特性的方案，即LC8981xx系列光學(xué)影像穩定控制器及驅動(dòng)器，包括LC898111、LC898119及LC898122等。其中，LC898111AXB-MH是安森美半導體新推出的一款OIS方案，是目前業(yè)界最高精度的光學(xué)影像穩定控制器及驅動(dòng)器，用于智能手機相機模塊等應用。LC898111AXB-MH以緊湊尺寸(2.57 x 3.22 x 0.69 mm)提供領(lǐng)先業(yè)界的精度和低能耗工作。LC8981119尺寸則進(jìn)一步減小至2.0mm X 2.0mm X 0.675mm，且提供極低能耗，現已提供樣品。LC898122進(jìn)一步集成閉環(huán)自動(dòng)對焦，提供功能更強大的方案。

圖3. 安森美半導體LC8981xx系列光學(xué)影像穩定控制及驅動(dòng)器工作示意圖。

圖3顯示的是安森美半導體LC8981xx系列的工作示意圖。在初始化時(shí)，這系列方案會(huì )使鏡頭處在中心位置。陀螺儀傳感器會(huì )檢測由手抖動(dòng)導致的角速率擾動(dòng)，而OIS控制器會(huì )補償不穩定，方法是將角速率轉換為移動(dòng)距離(travel distance)并作為參考信號，而控制器在致動(dòng)器的輔助下移動(dòng)鏡頭，并使用霍耳傳感器來(lái)檢測移動(dòng)距離以提供反饋。

以L(fǎng)C898111AXB-MH為例，這新器件結合了在智能手機相機模塊中處理OIS所需的控制器及驅動(dòng)器功能。顯著(zhù)提升的快門(mén)速度使曝光補償遠優(yōu)于競爭的OIS方案。因此，它能夠實(shí)現對相機畫(huà)面抖動(dòng)的精密抑制控制。此外，它還能夠用于實(shí)現邊走邊拍情況下不可或缺的左右及上下調整功能。這IC集成的脈寬調制(PWM)驅動(dòng)器的輸出降低了能耗，并減輕噪聲對影像品質(zhì)的影響。這高集成度、已預編程IC使工程師能夠將系統設計中所需的外部元件數量減至最少，因而降低總能耗及減少占用的電路板面積。

圖4. LC898111AXB-MH框圖。

LC898111AXB-MH內置多種數字及模擬音頻處理機制，包括雙通道位置感測電路、陀螺濾波器接口電路及鏡頭伺服電路。位置感測電路包含霍爾放大器電路、恒流數字模擬轉換器(DAC)、增益控制運算放大器及用于各個(gè)通道的12位模擬數字轉換器(ADC)。陀螺濾波器接口電路完全兼容于模擬及數字信號。陀螺濾波器接口及鏡頭伺服電路可通過(guò)I2C及SPI總線(xiàn)接口來(lái)調節，當連接不同陀螺及致動(dòng)器時(shí)能夠提供各種相應配置。因此，這器件能涵蓋更寬的抖動(dòng)頻率范圍，并因而提供更大的影像穩定角。

安森美半導體基于LC898111AXB-MH構建了演示裝置。對比測試顯示，在啟用了安森美半導體OIS方案的情況下，影像變得更穩定及平滑，且不會(huì )影響影像品質(zhì)。(詳見(jiàn)演示視頻)

總結：

移動(dòng)及消費等應用需要有效的影像穩定方案以控制抖動(dòng)和模糊不清，從而優(yōu)化用戶(hù)體驗。安森美半導體的LC8981xx系列光學(xué)影像穩定方案以極小尺寸提供優(yōu)于數字影像穩定及電子影像穩定的性能，并提供極低能耗，非常適合于智能手機、平板電腦、攝像機等應用。

參考資料：

1. 光學(xué)影像穩定、自動(dòng)對焦和觸覺(jué)方案小冊子(BRD8085)，www.onsemi.cn/pub_link/Collateral/BRD8085-D.PDF，安森美半導體

2. LC898111產(chǎn)品數據表，www.onsemi.cn/pub_link/Collateral/ENA2189-D.PDF， 安森美半導體

3. 《用于移動(dòng)、消費及汽車(chē)應用的圖像穩定方案》視頻培訓教程，v.youku.com/v_show/id_XNjM3MzMxOTUy.html，安森美半導體