思比科系列CMOS圖像傳感器應(yīng)用方案 - CMOS圖像傳感器設(shè)計考慮因素及典型應(yīng)用方案

思比科系列CMOS圖像傳感器應(yīng)用方案

　　近年來，拍照手機(jī)、電腦攝像頭（PC-CAM）、監(jiān)控等領(lǐng)域飛速發(fā)展，需求量日漸增長，CMOS圖像傳感器（CIS）作為這些應(yīng)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(shù)字電路于一體，其設(shè)計、生產(chǎn)、測試、封裝以及最終應(yīng)用與傳統(tǒng)IC相比，都有其特別的地方，因此行業(yè) 門檻也相對較高。

　　北京思比科作為中國本土企業(yè)，是唯一基于自主專利技術(shù)開發(fā)成功高端CMOS圖像傳感器芯片并實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)的企業(yè)，近幾年開發(fā)成功了一系列高品質(zhì)圖像傳感器芯片。以下針對拍照手機(jī)，PC-CAM和監(jiān)控三個領(lǐng)域的應(yīng)用，具體介紹思比科的系列產(chǎn)品。

　　1．拍照手機(jī)

　 　拍照手機(jī)可以實現(xiàn)預(yù)覽、拍照、回顯、錄像和回放的全部功能。從傳感器應(yīng)用的角度，拍照手機(jī)可以分為以下兩類：第一類是 YUV型，即傳感器輸出標(biāo)準(zhǔn)的YUV圖像數(shù)據(jù)，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(yīng)用設(shè)計的。第二類是Raw Data型，傳感器只輸出原始數(shù)據(jù)，所有的圖像處理和自動控制都由多媒體處理器來主導(dǎo)完成，SP80708（1/7 inch VGA）和SP83308（1/3 inch 3.2M）符合這種應(yīng)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(jī)普遍采用的一種方案，主要集中在VGA，1.3M和2M的拍照手機(jī)，要求傳感器輸出標(biāo)準(zhǔn)的YUV數(shù)據(jù)。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(zhuǎn)換的功能。圖1是SP80818和SP82318的結(jié)構(gòu)框圖以及YUV手機(jī)的結(jié)構(gòu)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(shù)轉(zhuǎn)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(shù) 據(jù)送到圖像處理器（ISP），ISP完成一系列圖像處理和圖像轉(zhuǎn)換功能，主要包含以下處理：灰度補(bǔ)償、數(shù)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(qiáng)、GAMMA校正、色彩校正、亮度、飽和度和對比度調(diào)節(jié)、圖像尺寸變換、色彩空間轉(zhuǎn)換、圖像數(shù)據(jù)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(jìn)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(nèi)部寄存器，實現(xiàn)對傳感器的控制。）

　　圖1： YUV傳感器SP0818和SP2318的結(jié)構(gòu)框圖及應(yīng)用。

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

　 　思比科在設(shè)計這些產(chǎn)品之前，已經(jīng)做了大量的基礎(chǔ)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(shù)特點，相關(guān)專利已經(jīng)達(dá)到數(shù)十件以上，SuperPix技術(shù)具體體現(xiàn)在高性能的像素單元（Pixel） 設(shè)計，高精度、高速度和超低功耗的CDS電路，PGA電路和ADC電路設(shè)計；SuperImage技術(shù)則主要包含一系列效果優(yōu)良、實現(xiàn)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(qiáng)等。

　　YUV方案的優(yōu)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(fù)雜繁瑣的圖像調(diào)試工作已經(jīng)由照相模塊的供應(yīng)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(shù)更新就可以得到理想的圖像效果。

　 　然而，隨著手機(jī)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(shè)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(guān)系復(fù)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(zhì)量，需要越來越復(fù)雜的算法對圖像進(jìn)行處理。基于以上原因，ISP的功能已經(jīng)開始從傳感器轉(zhuǎn)移到多媒體處理器。對于規(guī)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(guān)注。

　　1．2 Raw Data型

　 　Raw Data型方案是最有爭議的一個方案，系統(tǒng)只要求傳感器輸出原始數(shù)據(jù)，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(shù)碼相機(jī)的解決方案一 樣，而多媒體處理器則類似于數(shù)碼相機(jī)中的核心處理器。 SP80708和SP83308就是基于這種應(yīng)用方案設(shè)計的，其結(jié)構(gòu)框圖見圖2。

　　圖2：Raw Data傳感器SP0708和SP3308的結(jié)構(gòu)框圖。

　　從結(jié)構(gòu)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(chǎn)品。

　 　這種方案在最低端手機(jī)和最高端手機(jī)中都有應(yīng)用。如聯(lián)發(fā)科的MTK6226和展訊6600D+華邦99685，就屬于這一方案在低端手機(jī)上的應(yīng)用。而可以 支持到3.2M 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(jī)采用了這些方案。

　　對于3.2M以上的高像素拍照手機(jī)，Raw Data方案從系統(tǒng)設(shè)計的角度講是合理的。高像素的拍照手機(jī)為了取代傳統(tǒng)數(shù)碼相機(jī)，對圖像質(zhì)量的要求已經(jīng)達(dá)到專業(yè)級的要求。在提高模擬前端圖像采集性能的 同時，后端復(fù)雜的圖像處理技術(shù)也是必不可少的。要把這些功能復(fù)雜的ISP集成到傳感器中，幾乎很難實現(xiàn)，比如復(fù)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(tǒng) 的結(jié)構(gòu)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(jī)，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(lián)發(fā)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(tǒng)集成。尤其是方案設(shè)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(diào)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(jī)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(fā)出了不同的產(chǎn)品，來滿足客戶多元化的需求。其中SP0818和SP2318滿足YUV型手機(jī)客戶的需求， 而SP80708和SP83308則符合Raw Data型手機(jī)客戶的要求。

　　2．PC攝像頭

　　相對手機(jī)而言，PC攝像頭（PC-CAM）是一個較為簡單的應(yīng)用。由于英特網(wǎng)的普及以及越來越流行的網(wǎng)絡(luò)視頻應(yīng)用，PC-CAM的需求量也非常龐大。SP80708在滿足手機(jī)應(yīng)用的同時，也因為高性價比的優(yōu)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(jié)構(gòu)圖。

　　圖3：典型的PC-CAM方案。

　 　SP80708采用了思比科最新的像素技術(shù)，感光度高達(dá)1.2V，足以滿足PC-CAM對低照度的嚴(yán)格要求；色彩還原性好，原始數(shù)據(jù)經(jīng)過簡單處理就可以 達(dá)到理想的效果；而像素尺寸縮小到3.2umx3.2um，可以較大幅度降低傳感器成本。同時內(nèi)嵌思比科特有的曝光控制算法，很大程度上提高了動態(tài)范圍， 在各種光照條件的復(fù)雜環(huán)境下，都能達(dá)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(chǎn)品。由于受到USB帶寬的限制，PC-CAM很少有200萬像素以上的產(chǎn)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(chǎn)品；絕大多數(shù)DSP都集成了ISP的功能，但多數(shù)的ISP只支持到VGA，所以大多數(shù)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(chǎn)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(jīng)壓縮的VGA視頻流，因此USB2.0的PC- CAM視頻質(zhì)量優(yōu)于USB1.1的產(chǎn)品。有些USB2.0的DSP也集成了JPEG模塊，向下兼容USB1.1的應(yīng)用，以保證產(chǎn)品能應(yīng)用在非常低端的PC 上。

　　隨著市場的多元化發(fā)展，PC-CAM產(chǎn)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(xiàn)的“免驅(qū)動”的PC-CAM，則有可能成為未來的主流產(chǎn)品。

　　3．監(jiān)控系統(tǒng)

　 　傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)幾乎都采用CCD。隨著CMOS 傳感器技術(shù)的發(fā)展，CMOS的品質(zhì)已經(jīng)達(dá)到CCD相當(dāng)?shù)乃?。而監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)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(jiān)控系統(tǒng)上應(yīng) 用的趨勢已經(jīng)非常明顯。圖4是采用CMOS 傳感器的監(jiān)控系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)。

　　圖4： IP camera解決方案。

　 　傳感器將采集到的高品質(zhì)圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)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(wǎng)絡(luò)，將壓縮后的視頻流發(fā)送出去。 因為監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境差別比較大，而且都是處于全天候工作狀態(tài)，因此對傳感器的要求非常高，比如傳感器的動態(tài)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(fā)這類產(chǎn)品，預(yù)計在年內(nèi)推出新一代寬動態(tài)范圍，高靈敏度的傳感器，滿足監(jiān)控領(lǐng)域的應(yīng)用需求。

　　思比科的產(chǎn)品完全根據(jù)客戶的需求設(shè)計，具有性價比高，應(yīng)用方便的特點。表1總結(jié)了思比科系列產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)，這些產(chǎn)品適用于各種解決方案，可以滿足絕大多數(shù)客戶的需求。

　　表1： 思比科系列產(chǎn)品指標(biāo)。