移動(dòng)及消費(fèi)等應(yīng)用影像穩(wěn)定方法比較暨安森美半導(dǎo)體光學(xué)影像穩(wěn)定方案

如今，人們?cè)絹?lái)越多地通過(guò)智能手機(jī)、平板電腦、數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)乃至汽車來(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(jī)時(shí)手顫動(dòng)下出現(xiàn)的情形，會(huì)使影像晃動(dòng)，難于觀看，尤其是在將縮放功能調(diào)到完全放大時(shí)更為明顯。此外，照相機(jī)及攝像機(jī)在移動(dòng)情況下捕獲影像時(shí)也會(huì)出現(xiàn)模糊。因此，設(shè)計(jì)人員需要采用恰當(dāng)?shù)挠跋穹€(wěn)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)化用戶體驗(yàn)。

移動(dòng)、消費(fèi)及汽車應(yīng)用中使用的影像穩(wěn)定方法，目前主要有三種，包括分別是數(shù)字影像穩(wěn)定(DIS)、電子影像穩(wěn)定(EIS)及光學(xué)影像穩(wěn)定(OIS)。DIS與EIS的主要區(qū)別就在于運(yùn)動(dòng)檢測(cè)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(diào)整狗的位置。

圖1. 數(shù)字影像穩(wěn)定(DIS)使用像素映射方法通過(guò)軟件來(lái)穩(wěn)定圖像。

相比較而言，EIS使用陀螺儀來(lái)檢測(cè)相機(jī)運(yùn)動(dòng)并實(shí)時(shí)補(bǔ)償運(yùn)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(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。由于EIS使用陀螺儀來(lái)感測(cè)運(yùn)動(dòng)，EIS感測(cè)精度極佳，但由于它仍靠裁剪圖像來(lái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，故圖像品質(zhì)下降。在圖2中，您可以看到保護(hù)頻帶怎樣用于裁剪圖像以補(bǔ)償抖動(dòng)。

圖2. 電子影像穩(wěn)定(EIS)使用陀螺儀來(lái)檢測(cè)相機(jī)運(yùn)動(dòng)并補(bǔ)償。

大多數(shù)應(yīng)用中使用應(yīng)用處理器(AP)來(lái)處理視頻或信號(hào)，包括使用EIS及DIS的應(yīng)用等，尤其是DIS需要較多的處理器資源來(lái)補(bǔ)償抖動(dòng)及運(yùn)動(dòng)。在視頻應(yīng)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?yàn)橐粩嗟亟档图疤嵘东@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(hù)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(nèi)部補(bǔ)償，故不需要任何其它的應(yīng)用處理器資源。

表1. 各種影像穩(wěn)定方法比較。

OIS方法的其它優(yōu)勢(shì)

此外，獨(dú)特的OIS方法還提供大幅改進(jìn)的快門速度，優(yōu)化曝光補(bǔ)償達(dá)3級(jí)，遠(yuǎn)高于使用的其它方法。OIS方案通常由一些主要元件構(gòu)成，包括確定焦距的影像傳感器、補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)的陀螺儀及光學(xué)影像穩(wěn)定等。這些元件可以組裝在較小的空間中，采用某種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)布線。

OIS通常還集成了一個(gè)開(kāi)環(huán)或閉環(huán)的自動(dòng)對(duì)焦設(shè)計(jì)。開(kāi)環(huán)自動(dòng)對(duì)焦使用彈簧來(lái)提供抗拒鏡頭的拉伸力，要求持續(xù)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(duì)焦系統(tǒng)，您無(wú)需彈簧及持續(xù)的功率來(lái)維持自動(dòng)對(duì)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(yīng)用的對(duì)焦。在閉環(huán)自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)中，微距(macro)模式下所需的相關(guān)功率不比無(wú)限遠(yuǎn)(infinity)的多。這對(duì)每個(gè)系統(tǒng)要求的穩(wěn)定時(shí)間也有顯著影響。因?yàn)榈湫烷_(kāi)環(huán)自動(dòng)對(duì)焦要花時(shí)間來(lái)穩(wěn)定下來(lái)，然后得繼續(xù)重新調(diào)校。時(shí)間取決于使用的算法，但通常開(kāi)環(huán)型自動(dòng)對(duì)焦要花點(diǎn)時(shí)間來(lái)穩(wěn)定下來(lái)。閉環(huán)自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)使用位置傳感器來(lái)確定鏡頭位置，能夠加快穩(wěn)定時(shí)間以完成對(duì)焦。

安森美半導(dǎo)體的強(qiáng)固及高能效光學(xué)影像穩(wěn)定方案

安森美半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)出一種結(jié)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(wěn)定控制器及驅(qū)動(dòng)器，包括LC898111、LC898119及LC898122等。其中，LC898111AXB-MH是安森美半導(dǎo)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(wěn)定控制器及驅(qū)動(dòng)器，用于智能手機(jī)相機(jī)模塊等應(yīng)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(xiàn)已提供樣品。LC898122進(jìn)一步集成閉環(huán)自動(dòng)對(duì)焦，提供功能更強(qiáng)大的方案。

圖3. 安森美半導(dǎo)體LC8981xx系列光學(xué)影像穩(wěn)定控制及驅(qū)動(dòng)器工作示意圖。

圖3顯示的是安森美半導(dǎo)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(cè)由手抖動(dòng)導(dǎo)致的角速率擾動(dòng)，而OIS控制器會(huì)補(bǔ)償不穩(wěn)定，方法是將角速率轉(zhuǎn)換為移動(dòng)距離(travel distance)并作為參考信號(hào)，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(cè)移動(dòng)距離以提供反饋。

以LC898111AXB-MH為例，這新器件結(jié)合了在智能手機(jī)相機(jī)模塊中處理OIS所需的控制器及驅(qū)動(dòng)器功能。顯著提升的快門速度使曝光補(bǔ)償遠(yuǎn)優(yōu)于競(jìng)爭(zhēng)的OIS方案。因此，它能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)相機(jī)畫(huà)面抖動(dòng)的精密抑制控制。此外，它還能夠用于實(shí)現(xiàn)邊走邊拍情況下不可或缺的左右及上下調(diào)整功能。這IC集成的脈寬調(diào)制(PWM)驅(qū)動(dòng)器的輸出降低了能耗，并減輕噪聲對(duì)影像品質(zhì)的影響。這高集成度、已預(yù)編程IC使工程師能夠?qū)⑾到y(tǒng)設(shè)計(jì)中所需的外部元件數(shù)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(nèi)置多種數(shù)字及模擬音頻處理機(jī)制，包括雙通道位置感測(cè)電路、陀螺濾波器接口電路及鏡頭伺服電路。位置感測(cè)電路包含霍爾放大器電路、恒流數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)、增益控制運(yùn)算放大器及用于各個(gè)通道的12位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)。陀螺濾波器接口電路完全兼容于模擬及數(shù)字信號(hào)。陀螺濾波器接口及鏡頭伺服電路可通過(guò)I2C及SPI總線接口來(lái)調(diào)節(jié)，當(dāng)連接不同陀螺及致動(dòng)器時(shí)能夠提供各種相應(yīng)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(wěn)定角。

安森美半導(dǎo)體基于LC898111AXB-MH構(gòu)建了演示裝置。對(duì)比測(cè)試顯示，在啟用了安森美半導(dǎo)體OIS方案的情況下，影像變得更穩(wěn)定及平滑，且不會(huì)影響影像品質(zhì)。(詳見(jiàn)演示視頻)

總結(jié)：

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

參考資料：

1. 光學(xué)影像穩(wěn)定、自動(dòng)對(duì)焦和觸覺(jué)方案小冊(cè)子(BRD8085)，www.onsemi.cn/pub_link/Collateral/BRD8085-D.PDF，安森美半導(dǎo)體

2. LC898111產(chǎn)品數(shù)據(jù)表，www.onsemi.cn/pub_link/Collateral/ENA2189-D.PDF， 安森美半導(dǎo)體

3. 《用于移動(dòng)、消費(fèi)及汽車應(yīng)用的圖像穩(wěn)定方案》視頻培訓(xùn)教程，v.youku.com/v_show/id_XNjM3MzMxOTUy.html，安森美半導(dǎo)體