對(duì)許多用戶來(lái)說(shuō)，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(wàn)畫(huà)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(wàn)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(lái)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(méi)有信息來(lái)指示鏡頭應(yīng)該移動(dòng)的方向以改善聚焦過(guò)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(wú)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(lái)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(wú)法對(duì)焦，也無(wú)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(guò)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(lái)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(guò)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(lái)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(lái)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(lái)幫助校正PDAF像素值。串?dāng)_則可通過(guò)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(huà)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(huà)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(lái)，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。