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類型分類：: 科普知識

數據分類：: 圖像傳感器

思比科系列CMOS圖像傳感器應用方案分析

發布日期：2022-10-09 點擊率：174

近年來,拍照手機、電腦攝像頭(PC-CAM)、監控等領域飛速發展,需求量日漸增長,CMOS圖像傳感器(CIS)作為這些應用的核心元件,其市場需求也越來越大。CIS芯片集光電、模擬電路和數字電路于一體,其設計、生產、測試、封裝以及最終應用與傳統IC相比,都有其特別的地方,因此行業門檻也相對較高。

北京思比科作為中國本土企業,是唯一基于自主專利技術開發成功高端CMOS圖像傳感器芯片并實現規模化生產的企業,近幾年開發成功了一系列高品質圖像傳感器芯片。以下針對拍照手機,PC-CAM和監控三個領域的應用,具體介紹思比科的系列產品。

1．拍照手機

拍照手機可以實現預覽、拍照、回顯、錄像和回放的全部功能。從傳感器應用的角度,拍照手機可以分為以下兩類:第一類是YUV型,即傳感器輸出標準的YUV圖像數據,多媒體處理器接收后完成圖像的編解碼等后處理,傳感器和多媒體處理器相對獨立,SP80818(1/8 inch VGA)和SP82318(1/3.2 inch 2M)就是針對這種應用設計的。第二類是Raw Data型,傳感器只輸出原始數據,所有的圖像處理和自動控制都由多媒體處理器來主導完成,SP80708(1/7 inch VGA)和SP83308(1/3 inch )符合這種應用。以下分別介紹兩種方案。

1．1 YUV型

YUV型的方案是目前中低端拍照手機普遍采用的一種方案,主要集中在VGA,和2M的拍照手機,要求傳感器輸出標準的YUV數據。傳感器除了完成圖像采集的功能外,還要完成圖像處理和圖像轉換的功能。圖1是SP80818和SP82318的結構框圖以及YUV手機的結構圖。其中傳感器核(Sensor Core)部分包含有感光陣列、曝光控制和讀出電路、可變增益放大器(PGA)和模數轉換器(ADC),主要完成圖像采集功能。傳感器核輸出的原始圖像數據送到圖像處理器(ISP),ISP完成一系列圖像處理和圖像轉換功能,主要包含以下處理:灰度補償、數字增益和白平衡、鏡頭陰影修正、壞點檢測和修正、彩色插值、平滑處理和輪廓增強、GAMMA校正、色彩校正、亮度、飽和度和對比度調節、圖像尺寸變換、色彩空間轉換、圖像數據打包輸出?？刂颇K完成自動曝光控制,自動白平衡,50Hz/60Hz閃爍檢測等功能,對傳感器核和ISP進行控制,以及和多媒體處理器的通信(多媒體處理器通過串行總線接口訪問傳感器內部寄存器,實現對傳感器的控制。)

圖1: YUV傳感器SP0818和SP2318的結構框圖及應用。

雖然絕大多數主流的傳感器設計公司都是按照以上功能來設計自己的產品,但由于設計能力和所采用的工藝性能的不同,市面上產品的性價比仍然會存在較大的差距。

思比科在設計這些產品之前,已經做了大量的基礎研究,從工藝,算法到電路原理都有了很多的突破,形成了以SuperPix和SuperImage為核心的技術特點,相關專利已經達到數十件以上,SuperPix技術具體體現在高性能的像素單元(Pixel)設計,高精度、高速度和超低功耗的CDS電路,PGA電路和ADC電路設計；SuperImage技術則主要包含一系列效果優良、實現簡潔的算法,如自動白平衡,自動曝光控制,彩色插值,平滑去噪,輪廓增強等。

YUV方案的優點在于照相模塊的獨立性和靈活性。工程師很容易完成不同的傳感器和多媒體處理器之間的對接,而復雜繁瑣的圖像調試工作已經由照相模塊的供應商完成,工程師只需要將多媒體處理器中傳感器的配置參數更新就可以得到理想的圖像效果。

然而,隨著手機市場的競爭加劇,客戶對傳感器的性價比要求越來越高,這種方案的缺點也越來越明顯。由于傳感器工藝的特殊性決定了在設計和制造過程中,不能使用超過4層的金屬連線資源,這將大大增加邏輯關系復雜的圖像處理電路的面積,從而增加傳感器的成本。而另一方面,為了降低成本,傳感器的感光單元尺寸越來越小,為了得到更好的圖像質量,需要越來越復雜的算法對圖像進行處理。基于以上原因,ISP的功能已經開始從傳感器轉移到多媒體處理器。對于規模龐大的多媒體處理器來說,ISP的集成對其成本不會有明顯增加,而傳感器的成本則有大幅度下降。因此?Raw Data方案也越來越被關注。

1．2 Raw Data型

Raw Data型方案是最有爭議的一個方案,系統只要求傳感器輸出原始數據,后端多媒體處理器完成所有ISP和圖像編解碼等功能,和普通的數碼相機的解決方案一樣,而多媒體處理器則類似于數碼相機中的核心處理器。 SP80708和SP83308就是基于這種應用方案設計的,其結構框圖見圖2。

圖2:Raw Data傳感器SP0708和SP3308的結構框圖。

從結構上看,Raw Data型傳感器實際是YUV 傳感器去掉ISP和部分傳感器控制功能之后的簡化產品。

這種方案在最低端手機和最高端手機中都有應用。如聯發科的MTK6226和展訊6600D+華邦99685,就屬于這一方案在低端手機上的應用。而MTK6228可以支持到 Raw Data 傳感器,Broadcom的BCM2820甚至可以支持8M像素的Raw Data 傳感器,很多高端手機采用了這些方案。

對于以上的高像素拍照手機,Raw Data方案從系統設計的角度講是合理的。高像素的拍照手機為了取代傳統數碼相機,對圖像質量的要求已經達到專業級的要求。在提高模擬前端圖像采集性能的同時,后端復雜的圖像處理技術也是必不可少的。要把這些功能復雜的ISP集成到傳感器中,幾乎很難實現,比如復雜的彩色插值算法要求保存一幀的Raw Data,需要很大的緩沖,傳感器中不可能做到；而性能越來越高的多媒體處理器,無論是處理能力,還是配備的緩沖,都非常適合來完成這個功能。從整個系統的結構和性價比來看,這種方案也是最有競爭力的。

對于低端的VGA拍照手機,傳感器的成本壓力越來越大。Raw Data型的傳感器是降低成本最有效的方案。聯發科推出的一系列平臺方案就恰好集成了圖像處理的功能,MTK6226就是最典型的代表。

Raw Data型方案目前也存在缺點,它需要傳感器廠商和多媒體芯片或是平臺廠商緊密配合,才能很順利的完成系統集成。尤其是方案設計階段,對不同的傳感器,甚至相同的傳感器搭配不同的鏡頭,都需要基于多媒體芯片重新調試圖像效果。傳感器廠商只有得到這些平臺廠商的配合,才能完成design-in。

目前手機市場的情況是YUV型和Raw Data型兩種方案并存。思比科也有針對性的開發出了不同的產品,來滿足客戶多元化的需求。其中SP0818和SP2318滿足YUV型手機客戶的需求,而SP80708和SP83308則符合Raw Data型手機客戶的要求。

2．PC攝像頭

相對手機而言,PC攝像頭(PC-CAM)是一個較為簡單的應用。由于英特網的普及以及越來越流行的網絡視頻應用,PC-CAM的需求量也非常龐大。SP80708在滿足手機應用的同時,也因為高性價比的優勢而被大量使用在PC-CAM上。

PC-CAM的方案非常簡單,一顆DSP搭配一顆傳感器,就組成了一個PC-CAM方案。圖3是一個典型的PC-CAM的結構圖。

圖3:典型的PC-CAM方案。

SP80708采用了思比科最新的像素技術,感光度高達,足以滿足PC-CAM對低照度的嚴格要求；色彩還原性好,原始數據經過簡單處理就可以達到理想的效果；而像素尺寸縮小到,可以較大幅度降低傳感器成本。同時內嵌思比科特有的曝光控制算法,很大程度上提高了動態范圍,在各種光照條件的復雜環境下,都能達到理想的曝光效果。

PC-CAM也有很多種類。從傳感器的分辨率來分,有30萬像素,130萬像素和200萬像素的PC-CAM,早期甚至還有10萬像素的產品。由于受到USB帶寬的限制,PC-CAM很少有200萬像素以上的產品。從傳感器的類型來分,有使用Raw Data 傳感器的PC-CAM,也有使用YUV 傳感器的產品；絕大多數DSP都集成了ISP的功能,但多數的ISP只支持到VGA,所以大多數30萬像素的PC-CAM都采用Raw Data的傳感器,或是采用YUV 傳感器的Raw Data輸出,而130萬像素和200萬像素的產品則多使用YUV 傳感器。

從DSP的功能來分,PC-CAM又可以分為USB1.1和USB2.0兩種,因為USB1.1的帶款很窄,視頻在傳到PC之前需要壓縮,所以USB1.1的DSP都集成了JPEG壓縮的模塊；而USB2.0則能夠傳輸未經壓縮的VGA視頻流,因此USB2.0的PC-CAM視頻質量優于USB1.1的產品。有些USB2.0的DSP也集成了JPEG模塊,向下兼容USB1.1的應用,以保證產品能應用在非常低端的PC上。

隨著市場的多元化發展,PC-CAM產品的種類也越來越多。如有帶語音輸入功能的、有帶自動聚焦和跟蹤功能的。而最近出現的“免驅動”的PC-CAM,則有可能成為未來的主流產品。

3．監控系統

傳統的監控系統幾乎都采用CCD。隨著CMOS 傳感器技術的發展,CMOS的品質已經達到CCD相當的水平。而監控系統應用的普及,也面臨著降低成本的壓力。低成本的CMOS取代CCD在監控系統上應用的趨勢已經非常明顯。圖4是采用CMOS 傳感器的監控系統的典型結構。

圖4: IP camera解決方案。

傳感器將采集到的高品質圖像數據轉換成標準YUV格式,傳給后邊的處理器,處理器完成對視頻的壓縮,并通過有線或無線網絡,將壓縮后的視頻流發送出去。因為監控系統的應用環境差別比較大,而且都是處于全天候工作狀態,因此對傳感器的要求非常高,比如傳感器的動態范圍,靈敏度,溫度特性等,都比普通的傳感器高出很多。思比科目前正在積極開發這類產品,預計在年內推出新一代寬動態范圍,高靈敏度的傳感器,滿足監控領域的應用需求。

思比科的產品完全根據客戶的需求設計,具有性價比高,應用方便的特點。表1總結了思比科系列產品的技術指標,這些產品適用于各種解決方案,可以滿足絕大多數客戶的需求。

表1: 思比科系列產品指標。