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便携式设计中图像采集与处理的挑战与解决方案

作者:时间:2012-06-05来源:网络收藏

在传统的相机模块中,光学镜头仓被用来聚焦光源点,因此放置在相机内离成像器一定的距离的位置上。如果镜头无法聚焦或者目标离镜头太近,涂点会出现在弥漫的区域,因此会变得模糊。这种镜头将光源变换成模糊光斑的规律可以描述成一种数学上的变化,称之为点扩散功能。如果镜头的点扩散功能已知,模糊可以通过使用数字信号来恢复到原始的现场情景。但当图片中的仅某个区域失焦,则不管采用什么变换方法,都无法可靠的识别出来。软件增强光学解决了这个问题,方法是通过可控的方法来重新定焦整个。镜头有效的创建了一个不管离光源多远模糊程度都一样的,这可以通过一个直接的算法来进行解交织。其结果使得图像更加良好、清晰,不管前景、中距或者远景都能同时在焦点上。图8给出一个很好的例子。

图.一种传统的镜头只能聚焦有限范围内的目标,尤其是中距和远距离的目标;一种软件增强光学,如OptiML聚焦,可以实现扩展景深,从10厘米到无穷远,而无需增相机模块的高度或者复杂度。来源:Tessera公司

关于拍照手机的主要抱怨之一是其低能见度时的性能。其实这只是一个半真理命题。小型相机模块因为其像素尺寸的缩小,无疑导致了相对于数字静止相机光学灵敏度的降低。从2007年像素尺寸为2.2μm到2008年的1.75μm,预计2009年会发展到1.4μm,最终会达到1.1μm,这一趋势会对低能见度性能和图像质量有着显著的影响。简而言之,随着像素尺寸的降低,其敏感度也在减小。从更为技术的角度来看,光二极管吸收光子和释放电子的能力随着像素的下降而减弱。小像素尺寸带来的其他相应影响,包括第动态范围和下降的信噪比。现实中,拍照手机较差低能见度性能的感知更主要的是由越来越多在低能见度环境下拍照而带来的;典型的,在晚上以及在如俱乐部和饭店等场所,在这些地方的光照强度大约在5 lux,而远远小于白天室外的>350 lux。由于亮度下降,从数字成像器得到的图片质量自然迅速恶化,如同增加噪声一样出现缺陷,细节丢失或者色彩错误。

拍照手机低能见度性能不足的一个重要原因是,无法改变光学镜头仓的F值,因为这在制造时就一定固定了。大多数数字静态相机提供了一个增大光圈的选项,来补偿昏暗场景下光子数目的减少。但机械可调光圈会使得机身变得很大、不坚固、反应速度慢并功耗较高。简单的降低固定光圈相机的F值来提高低光敏感度,不是一个很好的选择,因为较大的光圈会减小景深,从而当场景有景深时很难获取一个很好的图像质量。典型的,标准拍照手机使用的光圈在F/2.8到F/2.4之间,主要是为了保留足够的深度,来对正常亮度条件下的对焦。一个简单的成像光圈固定,在低光条件下,不能延长曝光时间。然而,这会使得图片易受到运动模糊或机身晃动的影响,并且不可能用于视频,因为视频需要曝光时间受帧率限制在67毫秒以内。

“速度”是描述光学系统将光线传递到成像器的能力的一种简单方法。在光线好的环境下对“慢镜头”进行操作。这是因为,光学允许使用小光圈以及慢快门来获取很好的景深。而在差光线下或在好光线但需要快门速度很快(如下面提到的体育运动)的条件下拍照,需要一个“快镜头”。因此,这个是在光照条件、景深、快门速度间提供一个很好的联系,并开发一种快速镜头来适用于低光场景。

软件增强光学为拍照手机提供了一种全自动解决方法,从而可以使消费者可以在更广泛的光照条件下拍摄清晰的图片。这种方法的基本思想是带有低F值光学器件的相机模块,典型是F/1.75,并通过一种上述的扩展景深来将景深恢复成正常情况。低F值光学器件使超高速镜头适用于静态摄影以及视频。信号可以补偿对比度的损失并随后降低最终图像中的噪声,而保留了原始图像的边缘、细节以及质地等。这是可能的,因为写入线性缓存器中供算法使用的信息提供了基于像素平均的数据,并提高了图像的信噪比约6个dB。该种方案的有效性可以通过对比图9中由1.75μm成像器得到的两张图来描述。

实现

软件增强光学综合了专业镜头和自定义的算法,从而提供了有着卓越质量的图片,并对用户完全透明。然而,相机模块的师们需要事先考虑如何将这些增强技术纳入到手持机中,而不是一个插件的形式。原则上,所有需求只是一个客户制定的光学镜头仓中的镜头,这可以通过现有的架构和镜头材料来制造而成。自定义的镜头可以甚至可以取代现有的镜头。和这个镜头一起的,还有图像算法。用于这些方案中的算法可以非常小,通常是10万级逻辑门。这对于嵌入到CMOS成像器而言非常小,但这需要与成像器制作商协调,然后模具必须安置正确的光学器件。

另一种放置算法的方法是软件或固件的形式,可以运行在图像处理器或者手机处理器上。同样,两种方案在技术角度上都很简单,但需要与传统的相机模块供应商进行很好的沟通。不过,这些方案的益处是如此引人注目,带有扩展景深的3百万像素拍照手机已在量产并将在2009年配置到高分辨率相机-连同变焦和超快速镜头解决方案。

虽然这些可以提升高度微型化和低成本相机模块的原始性能的软件增强光学工作,是独立于变焦解决方案,他们都没有提供可以提升用户拍摄体验时的满意度的功能。这个问题并不涉及相机模块设计师们,而是原始设备制造商的任务。一个数码相机最常见的问题是红眼现象,这解释了为什么当前80%以上的数码静态相机都实现了减弱红眼现象的功能。这些功能是否会在拍照手机上提供,以及它们是如何被集成的,我们将在本系列文章的第四部分讨论。


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