移动及消费等应用影像稳定方法比较暨安森美半导体光学影像稳定方案 数码相机, 摄像机, 半导体, 照相机, 汽车

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如今，人们越来越多地通过智能手机、平板电脑、数码相机、摄像机乃至汽车来摄像。在摄像过程中，常常会遇到图像抖动问题。一个典型的抖动示例，就是人们控制摄像机时手颤动下出现的情形，会使影像晃动，难于观看，尤其是在将缩放功能调到完全放大时更为明显。此外，照相机及摄像机在移动情况下捕获影像时也会出现模糊。因此，设计人员需要采用恰当的影像稳定方法，来帮助在拍照及摄像时控制抖动和模糊不清，优化用户体验。

移动、消费及汽车应用中使用的影像稳定方法，目前主要有三种，包括分别是数字影像稳定(DIS)、电子影像稳定(EIS)及光学影像稳定(OIS)。DIS与EIS的主要区别就在于运动检测方法。DIS使用的是像素映射方法，如图1所示。DIS方法通过分析图片，将狗置于中间位置。也就是说，像素映射方法用软件重新调整狗的位置。



图1. 数字影像稳定(DIS)使用像素映射方法通过软件来稳定图像。

相比较而言，EIS使用陀螺仪来检测相机运动并实时补偿运动，将像素及图像品质提升至最高。这两种方法都通过裁剪图像来提供运动补偿。由于EIS使用陀螺仪来感测运动，EIS感测精度极佳，但由于它仍靠裁剪图像来进行运动补偿，故图像品质下降。在图2中，您可以看到保护频带怎样用于裁剪图像以补偿抖动。




图2. 电子影像稳定(EIS)使用陀螺仪来检测相机运动并补偿。

大多数应用中使用应用处理器(AP)来处理视频或信号，包括使用EIS及DIS的应用等，尤其是DIS需要较多的处理器资源来补偿抖动及运动。在视频应用中，视频压缩等同于图像品质。像DIS及EIS等方法需要裁剪图像时，图像品质便会下降，因为要不断地降低及提升所捕获图像的品质。

相比较而言，OIS方法捕获及使用了最大像素，且不需要通过保护频带来降低/提高图像品质，故提供最大化压缩并优化了图像品质。而且由于OIS提供内部补偿，故不需要任何其它的应用处理器资源。

表1. 各种影像稳定方法比较。



OIS方法的其它优势

此外，独特的OIS方法还提供大幅改进的快门速度，优化曝光补偿达3级，远高于使用的其它方法。OIS方案通常由一些主要元件构成，包括确定焦距的影像传感器、补偿运动的陀螺仪及光学影像稳定等。这些元件可以组装在较小的空间中，采用某种标准设计布线。

OIS通常还集成了一个开环或闭环的自动对焦设计。开环自动对焦使用弹簧来提供抗拒镜头的拉伸力，要求持续的功率来抗拒镜头拉伸力，使其保持位置。而通过使用闭环自动对焦系统，您无需弹簧及持续的功率来维持自动对焦的镜头位置。由于知道了位置，故只需较少的功率来维持应用的对焦。在闭环自动对焦系统中，微距(macro)模式下所需的相关功率不比无限远(infinity)的多。这对每个系统要求的稳定时间也有显著影响。因为典型开环自动对焦要花时间来稳定下来，然后得继续重新调校。时间取决于使用的算法，但通常开环型自动对焦要花点时间来稳定下来。闭环自动对焦系统使用位置传感器来确定镜头位置，能够加快稳定时间以完成对焦。

安森美半导体的强固及高能效光学影像稳定方案

安森美半导体开发出一种结合这些可能选择之最佳特性的方案，即LC8981xx系列光学影像稳定控制器及驱动器，包括LC898111、LC898119及LC898122等。其中，LC898111AXB-MH是安森美半导体新推出的一款OIS方案，是目前业界最高精度的光学影像稳定控制器及驱动器，用于智能手机相机模块等应用。LC898111AXB-MH以紧凑尺寸(2.57 x 3.22 x 0.69 mm)提供领先业界的精度和低能耗工作。LC8981119尺寸则进一步减小至2.0mm X 2.0mm X 0.675mm，且提供极低能耗，现已提供样品。LC898122进一步集成闭环自动对焦，提供功能更强大的方案。



图3. 安森美半导体LC8981xx系列光学影像稳定控制及驱动器工作示意图。

图3显示的是安森美半导体LC8981xx系列的工作示意图。在初始化时，这系列方案会使镜头处在中心位置。陀螺仪传感器会检测由手抖动导致的角速率扰动，而OIS控制器会补偿不稳定，方法是将角速率转换为移动距离(travel distance)并作为参考信号，而控制器在致动器的辅助下移动镜头，并使用霍耳传感器来检测移动距离以提供反馈。

以LC898111AXB-MH为例，这新器件结合了在智能手机相机模块中处理OIS所需的控制器及驱动器功能。显著提升的快门速度使曝光补偿远优于竞争的OIS方案。因此，它能够实现对相机画面抖动的精密抑制控制。此外，它还能够用于实现边走边拍情况下不可或缺的左右及上下调整功能。这IC集成的脉宽调制(PWM)驱动器的输出降低了能耗，并减轻噪声对影像品质的影响。这高集成度、已预编程IC使工程师能够将系统设计中所需的外部元件数量减至最少，因而降低总能耗及减少占用的电路板面积。



图4. LC898111AXB-MH框图。

LC898111AXB-MH内置多种数字及模拟音频处理机制，包括双通道位置感测电路、陀螺滤波器接口电路及镜头伺服电路。位置感测电路包含霍尔放大器电路、恒流数字模拟转换器(DAC)、增益控制运算放大器及用于各个通道的12位模拟数字转换器(ADC)。陀螺滤波器接口电路完全兼容于模拟及数字信号。陀螺滤波器接口及镜头伺服电路可通过I2C及SPI总线接口来调节，当连接不同陀螺及致动器时能够提供各种相应配置。因此，这器件能涵盖更宽的抖动频率范围，并因而提供更大的影像稳定角。

安森美半导体基于LC898111AXB-MH构建了演示装置。对比测试显示，在启用了安森美半导体OIS方案的情况下，影像变得更稳定及平滑，且不会影响影像品质。(详见演示视频)

总结：

移动及消费等应用需要有效的影像稳定方案以控制抖动和模糊不清，从而优化用户体验。安森美半导体的LC8981xx系列光学影像稳定方案以极小尺寸提供优于数字影像稳定及电子影像稳定的性能，并提供极低能耗，非常适合于智能手机、平板电脑、摄像机等应用。

供稿：安森美半导体

参考资料：
1.    光学影像稳定、自动对焦和触觉方案小册子(BRD8085)，www.onsemi.cn/pub_link/Collateral/BRD8085-D.PDF，安森美半导体
2.    LC898111产品数据表，www.onsemi.cn/pub_link/Collateral/ENA2189-D.PDF， 安森美半导体
3.    《用于移动、消费及汽车应用的图像稳定方案》视频培训教程，v.youku.com/v_show/id_XNjM3MzMxOTUy.html，安森美半导体