8K三片式相机多平面PDAF

原创于 2025-10-07 02:56:13 发布 · 266 阅读

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#自动对焦 # 相位检测 # 三片式相机 # 8K

用于8K三片式彩色成像相机的多平面相位检测自动对焦

示意图0

摘要

本文提出了一种用于三片式彩色成像相机的相位检测（PD）自动对焦（AF）方法。该方法通过在三个传感器中，计算半屏蔽PD像素与对应于相同入射位置的其他普通像素之间的视差，来检测镜头的对焦状态，从而无需采用先进的双光电二极管技术即可实现精确自动对焦。通过使用带有半屏蔽PD像素的原型8K传感器（PD传感器），我们验证了将PD传感器安装在三片式系统的蓝色通道中，可实现优异的相位分离比和稳健的视差计算，同时因PD像素缺陷导致的图像质量下降较小。

关键词 —自动对焦，相位检测，三片式彩色成像，8K超高清电视

I. 引言

随着相机分辨率不断提高（已达到4K和8K），手动通过小型显示器进行对焦变得愈发困难，自动对焦（AF）已成为不可或缺的功能。基于传感器的相位检测（PD）自动对焦方法通常用于单片式成像相机中，以实现快速而准确的对焦[1,2]。与此同时，采用三片式彩色成像的相机已被广泛应用于广播电视等专业应用中，因其能提供具有高色彩还原性的高质量图像。然而，针对此类光学系统的相位检测自动对焦（PDAF）研究仍面临挑战。本文讨论了一种适用于三片式相机的相位检测自动对焦方法，并利用一款带有PD像素的8K图像传感器原型验证了相位检测性能。

值得注意的是，在该光学系统中，三个传感器分别接收来自同一出射光束的光线信号。基于该光学系统，我们设想通过在多个传感器上共享同光路来获取相位检测信号。具体配置如下，并在图3中示出：

一个PD传感器配备半屏蔽PD像素和两个普通传感器可供使用。
从PD传感器获取一组PD对以及同一位置的两个普通像素。
两个PD对中可能出现的视差可推导出一个PD值。

这种多平面PD方法可从单个屏蔽像素构成用于自动对焦的PD对，使得自动对焦所需的PD像素数量仅为传统金属屏蔽传感器的一半。

示意图1

II. 传统和所提出的相位检测自动对焦方法

相位检测自动对焦方法通过检测来自具有不同光路的一组PD像素的整体图像之间的偏差值来判断镜头对焦状态。光路可构成有两种方法：金属屏蔽式相位检测自动对焦和双光电二极管相位检测自动对焦[3,4]，如图1所示。尽管双光电二极管相位检测自动对焦可从每个单个像素提供双相信号，从而在拍摄高亮度物体时提供稳健的PD性能，但传感器的光电像素分离结构需要更高的制造成本，并降低了整个传感器的有效光路比。

图2所示的三片式相机中的光学系统通过分光棱镜将入射光分离为三个三原色分量（红、绿、蓝通道：R/G/B-ch），并利用三个图像传感器获取彩色图像。

( a ) 金属屏蔽式相位检测自动对焦
( b ) 双光电二极管相位检测自动对焦

III. 原型传感器

为了验证所提方法，我们通过修改现有先进的1.25英寸三片式光学测试[5]传感器的金属层，研制了一款带有半屏蔽PD像素的8K图像传感器（8K PD传感器）。

示意图2

为了与传统单芯片PDAF进行比较，安装了两种类型的PD像素（左和右），并在垂直方向上相隔两个像素位置，以确保能够从周围相邻像素取值得到PD值。表1列出了传感器的规格。通过采用三级模数转换器（ADC）和流水线ADC结构，该原型传感器可同时以高达240帧每秒实现8K图像输出和PD信号生成。

使用角度调节器和平行光源，通过彩色滤光片将光输入至R/G/B通道，测量了器件灵敏度的角度响应。结果如图5所示，其中每条曲线的颜色对应相同颜色分量的特性，且每条曲线的值已归一化为其峰值值。在图5中，普通像素的曲线具有对称性，而PD像素在遮蔽角度一侧表现出不对称性，且随着入射光角度增大（R/G/B通道），不对称性增强。

为了验证PD像素与普通像素之间的PD性能，我们计算了分离比（SR）[4]的一个简化版本。左-右分离比和右-左分离比定义如下：

$$ SR = \frac{|L - R|}{L + R} $$

其中θ表示入射光线角度（单位为度）的绝对值（相对于像素中心），该值可通过镜头的F数(Fn)导出。

计算得到的SR随入射角范围（即-θ到+θ）的变化关系如图6所示，其中实线和虚线分别代表右-左对和左-右对。该结果表明，B通道上的PD像素与普通像素相比可实现明显优于其他颜色通道的SR，甚至超过了传统PDAF中左右对的SR。此外，由于B通道上的信号对B通道的亮度分量依赖较小，因此由于PD像素缺陷导致的图像质量劣化在B通道上也最小。基于上述原因，我们可以得出结论：在三片式相机中将PD传感器集成到B通道较为有利。

表1. Sensor规格

参数	数值
芯片尺寸	22.3毫米（水平）× 30.9毫米（垂直）
像素尺寸	2.1微米 × 2.1微米
有效像素数	7680像素（水平）× 4320像素（垂直）
帧率	120/1.001 和 240/1.001 帧每秒
特性	垂直共轭的2.5晶体管结构
列并行ADC结构	相关双采样电路
三级流水线ADC	PD像素
左PD	3840像素（水平）× 135像素（垂直）
右PD	3840像素（水平）× 135像素（垂直）
遮光率	50%

示意图3

示意图4

IV. 拍摄实验

我们构建了一个8K三芯片PDAF演示系统，使用了上述8K PD传感器。图7展示了所构建的摄像模组，其采用1.25英寸三芯片光学系统，该系统由分光棱镜、一个8K PD传感器（用于B通道）和两个8K普通图像传感器（用于R和G通道）组成。我们使用f/2.8光圈的镜头进行了拍摄实验。图8展示了输出图像的一个示例。

对于B通道（左PD像素）和R-ch与G-ch（普通像素）上的两组PD对进行视差计算时，由于在三芯片成像中各个颜色通道之间的视差和亮度灵敏度并非完全一致，因此采用了基于相关性的完全匹配方法。为此，我们引入了平方归一化互相关（SNCC）[6]，如下所示：

$$
\text{SNCC} = \frac{\sum_{i,j} (B_{i,j} - \bar{B})(P_{i,j} - \bar{P})^2}{\sqrt{\sum_{i,j} (B_{i,j} - \bar{B})^2 \sum_{i,j} (P_{i,j} - \bar{P})^2}}
$$

其中，$ B $、$ P $、$ \bar{B} $ 和 $ \bar{P} $ 分别表示B通道的PD值、普通像素值（R-ch 和 G-ch）、感兴趣区域（ROI）内B通道及R-ch与G-ch的平均值。在此基础上，我们使用了SNCC的平方版本，以简化计算并实现更快的处理速度，同时保持在数值范围内进行相关性评估，即使对于颜色分量之间亮度模式受损的弱相关对也同样适用。在计算SNCC时，将具有最高相关性（接近1.0）的视差确定为实际PD值。

我们在图8所示的相机前方1米处放置一个对角线图表，测量其ROI区域内的PD值，同时将对焦位置从0.5米逐步变化至无穷远。图9展示了PD测量结果，并叠加了ROI内图像对比度值，其峰值表示镜头相对于被摄物体的最佳对焦位置。该结果显示，所提方法的视差在最佳对焦位置附近精确趋近于零，而传统PDAF无视差的曲线偏离了最佳对焦位置。传统方法的PD误差是由于ROI中的线条方向接近45度对角线方向，导致在最佳对焦位置时因左PD和右PD之间的采样位置差异（垂直方向相隔一个像素）而无法检测到有效视差。

由于传统PDAF无法从同一位置生成相同的配对信号，这种检测误差在技术上难以避免。因此，我们的多平面方法即使未采用先进的双光电二极管技术，也能对高分辨率物体实现高精度PD。

示意图5