浅谈手机摄像头的对焦原理

cam

自从2010年安卓和iPhone的出现之后,智能手机开始变得活跃了起来,曾经辉煌的诺基亚也逐渐退出了市场,最近几年,市面上智能手机更是多的数不清,手机也从原来只能打电话发短息的工具发展的更加全能,手机的摄像头就是一个方面,还记得以前买的手机照相的时候只能在一个距离的时候才能拍的清晰,太近,或者太远,拍出来的图片就是虚的。现在则不同了,手机也可以像相机一样,在各种距离上都能拍出清晰美丽的照片,这就是手机的对焦技术,今天我就来从硬件和软件上探讨下手机是如何实现对焦的。

先说硬件

说道拍照的原理,其实原理很简单,就是凸透镜成像原理,物体确定了,根据光的直线传播,被拍摄物体的成像通过相机的镜组成一个倒像在传感器上,传感器捕获后呈现在屏幕面前。

可是由于物体的远近不同,镜组如果和传感器距离固定的话,有的图像就会变得模糊,所以就有了对焦,使被拍物成像清晰的过程就是对焦,通过照相机对焦变动物距和相距的位置。

下图是我以前使用的小米1s的相机模组
Mi 1s Cam

可是在这么小的相机模组中,镜片又是如何移动来实现对焦的呢?

现在手机的相机模块中一般使用音圈马达(Voice Coil Motor)来移动镜组来对焦(下图中的部件3),其主要原理是在一个永久磁场内,通过改变马达内线圈的直流电流大小,来控制弹簧片的拉伸位置,从而带动镜组上下运动,实现对焦。当断电时线圈在弹片弹力下返回,和镜组一起返回到最初的位置(这也就是有的手机关闭相机应用后有时能听见“啪嗒”一声的原因,有时剧烈摇晃手机的时候也有这个声音)。

11385343fbf2b211ff3f4698c88065380dd78ed7VOM

 

 

以前的具有音圈马达的相机组件还不能做得这么小,还记得以前用的诺基亚那么厚,摄像头还不能变焦。

有了音圈马达来移动镜组,这样景物就的成像就能被反射感光元件上了。

可是,知道与物体的距离后才能移动镜组调整清晰成像的,手机又是怎么知道摄像头前面物体的距离的呢?以前用过数码相机的人可能会发现,相机按下快门后会发出一种红外线,根据被摄体的反射确定被摄体的距离,然后根据测得的结果调整镜头组合,实现自动对焦。这种方式,成本低,容易实现但是这种对焦技术有很大的缺陷,第一是准确度不高,第二是无法透过玻璃自动对焦。因为红外线碰到玻璃就被弹回来了。所以这种对焦方式已经几乎被淘汰了。

现在来说软件,看一看手机是怎么知道物体距离的

现在的手机大多数使用的是反差式对焦

反差式对焦系统的原理是根据焦点处画面的对比度变化,寻找对比度最大时的镜头位置,也就是准确对焦的位置。图像的轮廓边缘越清晰,则它的亮度梯度就越大,或者说边缘处景物和背景之间的对比度就越大。反之,失焦的图像,轮廓边缘模糊不清,亮度梯度或对比度下降;失焦越远,对比度越低。

这个对焦方式和平时那相机的手动对焦差不多,类似于成相机拧对焦环,拧到图像开始变模糊位置,往回拧到之前最清晰的图像。只不过判断清晰不清晰由人变成了程序。

反差式对焦分以下几个步骤:
1.在没开始对焦的时候假设焦点不在物体上,画面处于虚焦的状态,很模糊,像素与像素之间的颜色比较均匀(下图位置1)
2.开始对焦后,随着镜片的移动成像越清晰,对比度开始上升(下图位置1→下图位置2的阶段)
3.找到真正的焦点时,画面最清晰,对比度最大(下图位置2),可是手机不知道,会继续向后移动镜头(下图位置2→下图位置3阶段)
4.继续向后移动镜片时买手机会发现对比度开始下降,相机程序才知道自己已经错过了焦点,也就是清晰的成像,开始向回移动镜片(下图位置3→下图位置2阶段)
5.镜片向前移动到最佳对比度位置(下图位置2),对焦完成。

 

Focus

 

在整个对焦过程中,手机摄像头就和盲人一样,不停地在扫描,有时重复多次,才能找到真正的焦点,拍下最清晰的照片。

至于对焦的快慢,一是取决于摄像头厂商生产的音圈马达的移动镜组的速度,还有就是手机软件对焦算法的后期优化,才能更快的完成对焦 :)。

但是反差式对焦也有他的缺点,前面介绍了反差式对焦通过判断物体边缘对比度来判断远近,但是在大片纯色物体下,这个方法就不是那么有效了,比如在白墙前面放一张白纸,这样对焦失败的几率会大大降低,还有就是暗光条件下。

针对这个问题,有的手机厂商也拿出了自己的解决方案,比如LG G3的激光自动对焦系统,通过发射激光到前方物体,计算激光通过的距离,就可以让相机变得聪明一点,可以更快的找到物体距离,再通过与反差对焦配合来加速对焦流程,提高对焦成功率,尤其是在弱光拍摄下效果明显。
QQ截图20150204174111

以上的过程就是人们通常所说的自动对焦。

前几天iPhone 6的面世使得手机的对焦技术又进了一步,苹果称这个技术为Focus Pixel,其实这个技术就是单反采用多年的相位对焦技术。
相位对焦过检测像的偏移量实现自动对焦的,在感光原件的位置放置一个由平行线条组成的网格板,线条相继为透光和不透光。网络板后适当位置上与光轴对称地放置两个受光元件。网络板在与光轴垂直方向上往复振动。当聚焦面与网络板重合时,通过网格板透光线条的光同时到达其后面的两个受光元件。而当失去焦点时,光束只能先后到达两个受光元件,于是它们的输出信号之间有相位差。有相位差的两个信号经电路处理后即可控制执行机构来调节物镜的位置,使聚焦面与网格板的平面重合。

这种对焦方法更快,精度也高,但是相位对焦的光线要求非常强,而且需要硬件支持,所以iPhone 6使用反差对焦和相位对焦共同使用来进行相机对焦。

此文章作者为周毅刚,归属于其个人网站miketech.it,未经允许,不得转载。

打赏

One thought on “浅谈手机摄像头的对焦原理

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *