對(duì)許多用戶來說，相機(jī)的性能已經(jīng)成為一部智能手機(jī)最重要的部分。社交媒體和在線業(yè)務(wù)讓每個(gè)人都成為攝影師或影片導(dǎo)演，再輔以幾百萬畫素的傳感器和手機(jī)內(nèi)建的處理程序，就能讓用戶進(jìn)入手機(jī)預(yù)設(shè)環(huán)境時(shí)體驗(yàn)到專業(yè)質(zhì)量。

目前市場(chǎng)上的一些智能手機(jī)傳感器比幾年前的專業(yè)數(shù)字相機(jī)擁有更高像素。圖像分辨率現(xiàn)在完全可以勝任大多數(shù)的用途。然而，能成就絕佳的攝影不止要有百萬像素。瞬間捕捉、敏銳清晰、要求快速和準(zhǔn)確的自動(dòng)對(duì)焦(AF)等超越緩慢和功能有限的系統(tǒng)，如今已廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)了。

對(duì)比檢測(cè)，成熟升級(jí)

用于智能手機(jī)相機(jī)和一些專用攝影機(jī)中的傳統(tǒng)自動(dòng)對(duì)焦功能，通常按照對(duì)比檢測(cè)的原理運(yùn)行。這種方法可用于普通的圖像傳感器應(yīng)用環(huán)境，因此實(shí)現(xiàn)起來相對(duì)容易且低成本。

在對(duì)比檢測(cè)的自動(dòng)對(duì)焦中，聚焦馬達(dá)將鏡頭移向傳感器或遠(yuǎn)離它，并在相鄰像素之間以相機(jī)現(xiàn)場(chǎng)中的一個(gè)或多個(gè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)對(duì)比度。焦點(diǎn)是指在峰值對(duì)比度檢測(cè)到的點(diǎn)。這種方法可能很慢，因?yàn)橄到y(tǒng)最初并沒有信息來指示鏡頭應(yīng)該移動(dòng)的方向以改善聚焦過程。此外，還可能需要檢查多格圖像，才能確保適當(dāng)?shù)貦z測(cè)峰值對(duì)比度。但這可能在拍攝靜止影像時(shí)產(chǎn)生延遲，對(duì)焦移動(dòng)中的物體或錄制視頻時(shí)的性能可能較差。

隨著智能手機(jī)用戶對(duì)于相機(jī)性能的期望不斷提高，市場(chǎng)需要反應(yīng)更靈敏的系統(tǒng)。

相位檢測(cè)自動(dòng)對(duì)焦和工作原理

相位檢測(cè)自動(dòng)對(duì)焦(PDAF)已經(jīng)用于數(shù)字單反相機(jī)(DSLR)一段時(shí)間了，而且較對(duì)比檢測(cè)方法更快速的找到焦點(diǎn)。

在PDAF系統(tǒng)中，比較具有對(duì)角響應(yīng)特性的專用對(duì)焦像素輸出。圖1比較了不對(duì)稱PDAF像素響應(yīng)與一般用于圖像捕捉的像素響應(yīng)。圖中以安森美半導(dǎo)體(ON Semiconductor)的先進(jìn)PDAF像素為例，其高靈敏度的特點(diǎn)提高了在低光條件下的自動(dòng)對(duì)焦性能。當(dāng)然還有其他解決方案傾向于使用阻擋光照的方法，導(dǎo)致低光下的PDAF性能折衷。

圖1：相反極性的PDAF像素與標(biāo)準(zhǔn)像素響應(yīng)的比較。

當(dāng)聚焦圖像時(shí)，PDAF像素的響應(yīng)趨近于相位，如圖2所示。相反的，聚焦誤差導(dǎo)致像素響應(yīng)之間的相位位移。圖2還顯示了PDAF傳感器提供鏡頭對(duì)焦時(shí)所需的鏡頭移動(dòng)幅度信息以及鏡頭應(yīng)該移動(dòng)的方向信息：無論是接近或是遠(yuǎn)離傳感器。這將有助于讓PDAF系統(tǒng)較傳統(tǒng)的對(duì)比度檢測(cè)可能更快速對(duì)焦。

圖2：PDAF像素信息包含對(duì)焦誤差的大小與方向。

自動(dòng)對(duì)焦機(jī)制重復(fù)此捕捉步驟，直到PDAF像素響應(yīng)完美對(duì)齊。而在實(shí)際操作時(shí)，該P(yáng)DAF算法必須計(jì)算大量像素的平均響應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)正確的對(duì)焦。

PDAF性能的挑戰(zhàn)

數(shù)字單反相機(jī)通常有一個(gè)單獨(dú)專用的對(duì)焦傳感器，并配置一個(gè)副鏡，讓進(jìn)入相機(jī)的一定比例光線導(dǎo)入像素?cái)?shù)組(圖3)。但這對(duì)于典型智能手機(jī)的外形尺寸并不實(shí)用，因?yàn)橹悄苁謾C(jī)傳感器需要一系列PDAF像素整合于主圖像傳感器中，并能以多種方式排列，例如在單行連成一線或成對(duì)位于傳感器的不同位置。在單行中并排排列的像素通常能為視頻或子采樣模式帶來更好的性能。然而，由于PDAF像素并不用于圖像捕捉，使得這種排列可能在靜止圖像上產(chǎn)生一條明顯的線。另一方面，采用分散的模式雖然易于校正圖像誤差，但更大的像素間距可能導(dǎo)致無法對(duì)焦，也無法使用子采樣模式。值得一提的是，擾動(dòng)效應(yīng)意味著PDAF像素可能讓相鄰圖像捕捉像素的響應(yīng)失真達(dá)30%，這將會(huì)影響缺陷校正的程度。

圖3：高級(jí)數(shù)字單反相機(jī)的專用對(duì)焦傳感器。

圖4所示為典型PDAF處理子系統(tǒng)的關(guān)鍵要素。校正和交互關(guān)聯(lián)應(yīng)用于傳感器，PDAF算法則執(zhí)行于主應(yīng)用處理器的CPU。如圖中所示，交互關(guān)聯(lián)描述了將像素輸出串流轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的過程，并正確地校準(zhǔn)信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)相位檢測(cè)。最終，結(jié)果傳送至AF馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器，并在PDAF像素重新采樣前，將鏡頭移至下一個(gè)所需的位置。

圖4：PDAF系統(tǒng)原理方框圖。

為了確保PDAF的性能令人滿意，還必須考慮幾個(gè)因素。光學(xué)模糊比通常比觀察到的相位差更高九倍，這意味著人眼可以檢測(cè)聚焦誤差，即使相位檢測(cè)像素輸出更加匹配。鏡頭效果也為對(duì)焦帶來挑戰(zhàn)：焦點(diǎn)位移通常大于像素相位差20倍。這些影響需要對(duì)于PDAF像素響應(yīng)極其準(zhǔn)確地解析，才能實(shí)現(xiàn)靈敏可靠的對(duì)焦?？梢詰?yīng)用幾種技術(shù)將準(zhǔn)確度拉到最高，包括優(yōu)化像素性能和像素模式等。

PDAF傳感器也對(duì)顏色敏感、與位置相關(guān)，而且可能易于受到光學(xué)誤差影響。必須運(yùn)用特別的校正，例如鏡頭陰影和自適應(yīng)校正，才能克服這些影響。

優(yōu)化智能手機(jī)應(yīng)用

例如安森美半導(dǎo)體藉由與知名品牌合作累積在數(shù)字單反相機(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，這款整合高性能PDAF像素(SuperPD)的圖像傳感器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)，畢竟，PDAF像素?zé)o法聚焦于厚度超過PDAF像素之間距離的線條或紋理，而高頻圖像需要大量的樣本點(diǎn)才能準(zhǔn)確地確定峰值。特殊模式如虛線或2X1像素對(duì)，則可以用來確保穩(wěn)固性，以及將缺陷校正降到最低。

此外，還可以使用諸如傳統(tǒng)的鏡頭陰影或更先進(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。再者，一般的圖像捕捉像素值可用來幫助校正PDAF像素值。串?dāng)_則可通過平衡像素平均值消除。進(jìn)一步的優(yōu)化包括鏡頭增強(qiáng)，使其得以較目前手機(jī)普遍使用的傳統(tǒng)金屬快門，能有更多的光線能直接到達(dá)像素表面。這些快門可能阻斷高達(dá)50%的光直達(dá)畫素。

例如，安森美半導(dǎo)體為其智能手機(jī)相機(jī)傳感器中的PDAF畫素提高光靈敏度，也表現(xiàn)在各種廣泛照明條件下實(shí)現(xiàn)更快的自動(dòng)對(duì)焦，甚至是在低光環(huán)境。

總結(jié)

PDAF是增強(qiáng)智能手機(jī)相機(jī)性能的未來，有機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)媲美專用攝影機(jī)(包括DSLR)的響應(yīng)時(shí)間、對(duì)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)，才能為智能手機(jī)應(yīng)用提供最佳性能?？蓱?yīng)用的技術(shù)包括優(yōu)化PDAF像素，以便最大化相位靈敏度，并將一般相鄰像素的影響減至最低，建立優(yōu)化PDAF像素模式，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)勁的自動(dòng)對(duì)焦性能，以及增強(qiáng)PDAF算法以加速對(duì)焦時(shí)間與缺陷校正。