如今，人們越來越多地通過智能手機(jī)、平板電腦、數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)乃至汽車來攝像。在攝像過程中，常常會遇到圖像抖動問題。一個典型的抖動示例，就是人們控制攝像機(jī)時手顫動下出現(xiàn)的情形，會使影像晃動，難于觀看，尤其是在將縮放功能調(diào)到完全放大時更為明顯。此外，照相機(jī)及攝像機(jī)在移動情況下捕獲影像時也會出現(xiàn)模糊。因此，設(shè)計人員需要采用恰當(dāng)?shù)挠跋穹€(wěn)定方法，來幫助在拍照及攝像時控制抖動和模糊不清，優(yōu)化用戶體驗(yàn)。
移動、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方法通過分析圖片，將狗置于中間位置。也就是說，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軟件來穩(wěn)定圖像。
相比較而言，EIS使用陀螺儀來檢測相機(jī)運(yùn)動并實(shí)時補(bǔ)償運(yùn)動，將像素及圖像品質(zhì)提升至最高。這兩種方法都通過裁剪圖像來提供運(yùn)動補(bǔ)償。由于EIS使用陀螺儀來感測運(yùn)動，EIS感測精度極佳，但由于它仍靠裁剪圖像來進(jìn)行運(yùn)動補(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。
圖2. 電子影像穩(wěn)定(EIS)使用陀螺儀來檢測相機(jī)運(yùn)動并補(bǔ)償。
大多數(shù)應(yīng)用中使用應(yīng)用處理器(AP)來處理視頻或信號，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補(bǔ)償抖動及運(yùn)動。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，圖像品質(zhì)便會下降，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，且不需要通過保護(hù)頻帶來降低/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
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，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)計布線。
OIS通常還集成了一個開環(huán)或閉環(huán)的自動對焦設(shè)計。開環(huán)自動對焦使用彈簧來提供抗拒鏡頭的拉伸力，要求持續(xù)的功率來抗拒鏡頭拉伸力，使其保持位置。而通過使用閉環(huán)自動對焦系統(tǒng)，您無需彈簧及持續(xù)的功率來維持自動對焦的鏡頭位置。由于知道了位置，故只需較少的功率來維持應(yīng)用的對焦。在閉環(huán)自動對焦系統(tǒng)中，微距(macro)模式下所需的相關(guān)功率不比無限遠(yuǎn)(infinity)的多。這對每個系統(tǒng)要求的穩(wěn)定時間也有顯著影響。因?yàn)榈湫烷_環(huán)自動對焦要花時間來穩(wěn)定下來，然后得繼續(xù)重新調(diào)校。時間取決于使用的算法，但通常開環(huán)型自動對焦要花點(diǎn)時間來穩(wěn)定下來。閉環(huán)自動對焦系統(tǒng)使用位置傳感器來確定鏡頭位置，能夠加快穩(wěn)定時間以完成對焦。
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)自動對焦，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，這系列方案會使鏡頭處在中心位置。陀螺儀傳感器會檢測由手抖動導(dǎo)致的角速率擾動，而OIS控制器會補(bǔ)償不穩(wěn)定，方法是將角速率轉(zhuǎn)換為移動距離(travel distance)并作為參考信號，而控制器在致動器的輔助下移動鏡頭，并使用霍耳傳感器來檢測移動距離以提供反饋。
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)動器功能。顯著提升的快門速度使曝光補(bǔ)償遠(yuǎn)優(yōu)于競爭的OIS方案。因此，它能夠?qū)崿F(xiàn)對相機(jī)畫面抖動的精密抑制控制。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(yù)編程IC使工程師能夠?qū)⑾到y(tǒng)設(shè)計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(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)、增益控制運(yùn)算放大器及用于各個通道的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。陀螺濾波器接口及鏡頭伺服電路可通過I2C及SPI總線接口來調(diào)節(jié)，當(dāng)連接不同陀螺及致動器時能夠提供各種相應(yīng)配置。因此，這器件能涵蓋更寬的抖動頻率范圍，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。對比測試顯示，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，且不會影響影像品質(zhì)。(詳見演示視頻)
總結(jié)：
移動及消費(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、自動對焦和觸覺方案小冊子(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、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
