《电子技术应用》

ROHM:光学防抖真的来了,手机拍照不再“怕黑”、“怕远”

电子技术应用 作者:王洁
2016/11/12 16:21:00

如今,智能手机在人们生活中占有举足轻重的地位,曾经出门三大件“手机、钱包、钥匙” 的功能正逐步被智能手机所代替。通过摆参数、晒跑分造成噱头吸引消费者已成为过去,为抓住市场,手机厂商不断进行手机差异化设计,近几年手机领域出现了陶瓷外壳、高速充电、无线充电、双摄像头等新的技术,特别是手机拍照功能升级一直以来都是很好的差异化方向。

随着智能手机变得越来越轻薄,摄像头不可避免地成为了其中难以妥协的部分,于是我们就见证了从末代摄影机皇诺基亚Lumia 1020的奥利奥首“凸”到后来的以iPhone 6为代表的群“凸”。由于手机的体积和厚度的限制而无法无限提升传感器尺寸和镜头光学性能,以华为荣耀6 Plus为代表的双摄手机逐步出现。手机拍照功能的发展使得卡片机逐步“失宠”,甚至很多时候不需要带单反相机只需一部手机即可拍出画质好的照片。

ROHM半导体(上海)有限公司设计中心副所长金东辉先生介绍:“在提升智能手机拍照技能方面, ROHM公司花了很大功夫,恨不得把专业相机的功能直接用到手机上。像广角镜头和长焦镜头的切换,长期来都是专业相机的标志,现在最新的手机里面,已经把广角和长焦的镜头集成到手机里,是一个非常小型化的双摄像头,这样一个技术移植的过程并不是一帆风顺的,有很多实际的工作要做,很多的问题要解决。”

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ROHM半导体(上海)有限公司设计中心副所长金东辉

有了长焦并不等于就可以取得很完美的图像,几倍光学变焦在拍远景时抖动非常厉害,除非用三脚架固定,否则很难取得完美的图像。在镜头上面花了钱,但是却得不到好的图像,这个问题要得到解决,就得依靠一些防抖的对策。

常见的防抖对策有:

(1)  大像素,每个像素的尺寸都非常大;

(2)  大镜头,光通量比较大,曝光时间相应变短,可以有效的防止抖动,但是光学结构尺寸大;

(3)  电子防抖,基本上靠软件处理,实现起来比较容易,但像素减少,仅适用低频抖动,适合拍视频;

(4)  光学防抖,适用范围广,拍夜景、远景效果突出,是最有前景和实际效果的技术。

大像素和大镜头由于占据的空间较大,在手机上用得比较少。手机里较多的是电子防抖和光学防抖。

什么是光学防抖?

光学防抖,即光学的图像稳定技术(OIS),是依靠特殊的镜头或者CCD感光元件的结构在最大程度上降低操作者在使用过程中由于抖动造成影像不稳定。在镜头内的陀螺仪侦测到微小的移动时,会将信号传至微处理器立即计算需要补偿的位移量,然后通过补偿镜片组,根据镜头(或透镜)的抖动方向及位移量加以补偿,从而有效克服因相机的振动产生的影像模糊。作为光学防抖技术,并不是让机身不抖动,通过光轴补偿,尽可能减少成像的偏移,降低抖动的影响。

相机的抖动对画面的影响.png

相机的抖动对画面的影响


OIS的工作原理:光轴补偿.png

OIS的工作原理:光轴补偿

光学防抖PK电子防抖

电子防抖主要指在数码照相机上采用强制提高CCD感光参数同时加快快门并针对CCD上取得的图像进行分析,然后利用边缘图像进行补偿的防抖。电子防抖实际上是一种通过降低画质来补偿抖动的技术,此技术试图在画质和画面抖动之间取得一个平衡点。与光学防抖比较,此技术成本要低很多,效果也要差。

光学防抖和电子防抖的区别.png

光学防抖和电子防抖的区别

金东辉先生解释:“从硬件配置看,光学防抖一定要配镜头驱动的马达,要能够移动这个镜头。还有就是OIS控制的芯片。电子防抖一般不需要额外的硬件,只要DSP足够强大,算法足够好就可以。光学防抖可以追踪所有的区域,电子防抖必然会损失边缘的一部分的像素,还有帧间补偿动作,电子防抖必须有两个帧以上才能有效,要比较两个帧。光学防抖关键在于帧内补偿,如果抖动是发生在拍一帧的情况下,电子防抖是没有用的,必须采用光学防抖。图像质量的劣化方面,光学防抖基本上是没有损失的,电子防抖会有相当的图像质量的损失,由于这个原因,电子防抖大多数在录视频时使用,而光学防抖在动态图像和静止图像都可以用。”

OIS这么好,它的效果怎么评估呢?金东辉先生解释:“OIS开的效果就相当于快门速度提了三级,大概是8~10倍。比如开校正的时候,可以用1/15s的曝光,就相当于关校正以后1/125s的,基本上是等价的。”在暗光拍摄中,1/125s的速度进光量是远小于1/15s的,所以在同样的条件下,有了光学防抖之后,会看到照片更明亮,暗部细节更清楚,画质比采用电子防抖的手机好一些。

OIS的效果评估.png

OIS的效果评估

 

 

ROHM高性能镜头驱动芯片

下图是一个摄像头模组的主要部分,灰色的是外壳,下面是PCV以及传感器,中间白色的部分是镜头组,镜头组上下延着Z方向移动,称为AF方向的移动,目的是聚焦。OIS补偿动作则是让马达在XY平面移动,追踪整个图像。马达的移动需要马达驱动,ROHM的镜头驱动芯片提供驱动电流,多少驱动电流就能使马达移动多少位置。

摄像头结构以及镜头驱动部件.png

摄像头结构以及镜头驱动部件

镜头驱动马达分很多类,常见的有VCM(Voice Coil Motor)马达,还有压电马达。VCM分绕线式的和Ball Guide方式,这是目前主流的,ROHM具有大规模量产实绩。此外,ROHM也和有关厂家配合研究方案,最新出了记忆金属马达SMA和MEMS马达。

ROHM镜头驱动芯片产品系列.png

ROHM镜头驱动芯片产品系列

ROHM镜头驱动产品大致分两种:(1)AF:BU64XXX。AF从2008年开始开发,为了聚焦更快,后加了一些振铃补偿;还有BDAF中置马达,可以更省电,这三类都属于前馈型的马达控制。(2)OIS有两个系列:BU24XXX、BU63XXX。24主要注重性能,但尺寸相对较大;63是一个小型化的系列,非常方便。为了实现快速对焦,一般要用到反馈型,如绕线型、滚珠型和4轴的OIS。到现在为止,OIS主要是补偿Pitch和Yaw,在拍微距时,要防抖,就需要一个4轴的OIS,检测平动的加速度。

前馈型和反馈型的比较.png

前馈型和反馈型AF/OIS的比较

对于前馈型和反馈型AF/OIS的比较,金东辉先生指出,系统通过图像的比教判断是否失焦,一旦系统检测到失焦信号,前馈型直接让VCM马达推动镜头到一定的位置,这轮的控制就结束了;而反馈型有一个Servo DSP控制,经过各种运算,把VCM推到一定的位置,这个位置迅速由Hall检测,反馈给DSP,如果镜头位置还有一定的误差,会迅速不停地循环,只要CPU给这个系统下了一个指令,把镜头推到某个位置以后,它就可以完全由这个4轴DSP来控制。

反馈型主要有两方面优势:(1)抗冲击。镜头一般是用VCM驱动,有一个弹簧驱动,如果有撞击,镜头就会摇晃,偏离原来的位置,这个晃动慢慢衰减,但时间很长。如果加上反馈控制,只要位置偏离一点,马上就拉回中心位置,可以使大部分时间内得到清晰的图像。(2)抗振动,由于外部的振动,镜头会偏离该有的位置,这时候用close loop ,close loop的控制非常快,可以迅速拉回正常的位置。

反馈性AF控制的优势.png

反馈性AF控制的优势

金东辉先生总结道:“ROHM的OIS驱动是一个高性能的伺服系统控制的,经过严密的仿真和现场调试做出来的芯片,我们也加了一些新的功能,比如用PWM驱动马达。相比线性驱动,PWM可以省掉很多功耗。另外ROHM整个开发和支持体系是非常完整的。手机厂并不是自己组装镜头,而是由外包厂组装的,ROHM对外包厂量产线的建立、调试都提供支持。”截止到2015年,ROHM的OIS驱动已经累计出货超过了10亿片,预计2016年突破13亿片。

从下图可以直观地看到ROHM OIS的优异拍摄效果,夜视下细节更为清晰。

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ROHM OIS的拍摄效果展示

现在光学防抖技术暂时只用在比较高端的手机,今后可能会渐渐向中端手机进行普及。由各大厂家发布的旗舰手机来看,今年的重点是双摄像头技术。数据显示,2017年中国智能手机出货量大约为7亿部,其中双摄渗透率将达30%,旗舰机中双摄渗透率将达70%。据了解,预计到2020年全球智能手机出货量接近20亿部,届时双摄手机将达5亿台。能极大提升手机拍照体验的双摄像头已然成为旗舰手机的标准配置,可以看到,华为P9、小米5sPlus以及iPhone7 Plus等一众机型都配备了双摄像头版本。不过目前只有支持一个摄像头的OIS芯片。ROHM株式会社LSI商品开发本部马达控制LSI商品开发部控制开发科顾问关本芳宏先生认为:“理论上支持两个摄像头是完全有可能的,ROHM也非常关注一些客户的反馈,有的认为两个镜头当中只要一个就可以了,也有一些希望两个都使用光学防抖。从技术上来说,最好是一个芯片支持两个光学防抖,这样同步效果可能会更好一些,如果两个芯片分别控制,可能同步方面还要动一些脑筋。”

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ROHM株式会社LSI商品开发本部马达控制LSI商品开发部控制开发科顾问关本芳宏

金东辉先生最后补充到,除了镜头驱动,ROHM在传感器方面也是非常不错的,如光学传感器,现在份额非常大,主要的大厂都在用ROHM的传感器;还有一些分立器件、无线充电,这些都是刚刚在发力,后期会跟大家分享。

现在,智能手机摄像头有了长足的进步,防抖功能、变焦功能也都陆续普及了,有逐渐覆盖小型数码相机功能的趋势。特别是防抖功能,以前手机上带有防抖功能可以说是身份的象征,现在发展到更加实用的考虑,为了在光线偏暗的地方,或者拍远处的物体的时候也能拍的清楚。正因为如此,对光学今后的期待也是越来越高。关本芳宏先生表示:“ROHM从2008年开始研究镜头驱动器,2012年在日本和欧洲与一些手机巨头合作,当时第一次推出了搭载光学防抖功能的手机,这些手机上用的就是ROHM的镜头驱动器产品,从那以后,有更多的手机厂商搭载带光学的防抖功能的镜头处理器了。ROHM充分发挥着光学防抖控制领域的关键技术,就是反馈控制技术,现在很多客户都在采用ROHM的搭载自动对焦反馈控制功能的镜头驱动器。ROHM今后也会继续面向中国市场,推广镜头驱动器产品,为中国智能手机的发展做出贡献。”


OIS光学防抖技术最早出现在2007年LG推出的Viewty智能手机。不过LG Viewty相机的OIS光学防抖技术更多的是依靠应用程序来完成该功能,并非是一个完整的光学系统。直到2012年,诺基亚推出Lumia 920配备了卡尔蔡司认证镜头以及OIS光学防抖技术,随后一系列的Lumia手机,特别是Lumia1020,让人们感受到OIS的强大的拍摄功能,特别是“夜视”和“远视”,于是大家购买手机时都开始考虑是不是具备光学防抖。现在,支持OIS光学防抖技术的手机越来越多,包括国内手机厂商在内,各大手机厂商最新发布的几款旗舰手机几乎都支持OIS,相信随着技术的发展,OIS的成本会逐渐降低,OIS技术会出现在更多手机中,带给大多数手机用户更好的拍照体验。

 


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