深度解析攝像頭傳感器器件—CIS 芯片

車載攝像頭常用的感光材料為CMOS芯片（互補(bǔ)性金屬氧化物半導(dǎo)體器件）。這種采用CMOS的感光器件也叫CIS 芯片（CMOS Image Sensor）。

CIS芯片包括微透鏡、光電二極管、處理芯片以及IO接口。

CIS芯片是攝像頭模組的核心器件，占據(jù)了攝像頭模組50%的價值。目前CIS芯片行業(yè)的企業(yè)有安森美、豪威科技等。以美企為主。

我去這兩家官網(wǎng)逛了一下，有很多的型號可以選擇，像素從30萬像素到5000萬像素，也有不同的輸出幀率可選。下面對關(guān)鍵屬性參數(shù)進(jìn)行說明：

CFA：Color Filter Array，色彩濾波陣列， 圖像傳感器一個非常重要的屬性，CFA的格式?jīng)Q定了我們所能看到的圖像顏色。

由于光電傳感器并不能區(qū)分光的波長（即不同的顏色），僅能感知光的強(qiáng)度。當(dāng)前方法是在像素點(diǎn)上覆蓋色彩濾鏡（R、G、B中的一種），用于獲取圖像的顏色。每個像素點(diǎn)僅接收RGB三個分量中的一個分量，這也導(dǎo)致光線的能量的大量損耗。

色彩濾鏡有多種類型，有單色mono、RGGB、RCCB、RCCC等。

左：單色傳感器平面。右：帶有拜耳陣列的彩色傳感器平面

MONO：即單色傳感器。由于濾光會帶來亮度上的損失，沒有濾光片亮度會大大提高，100%透傳。如果不需要識別顏色，可以使用這種黑白圖像傳感器。

RGGB：為了適應(yīng)人眼，手機(jī)攝影常用的是RGGB格式。這是因為人眼的視錐細(xì)胞對綠色更敏感，選擇50%空間安裝綠透鏡，剩下25%安裝紅和藍(lán)濾鏡。這種標(biāo)準(zhǔn)陣列也叫拜爾陣列RGB Bayer。

RGB-IR：IR是Infrared，即紅外線，其波長（約760nm~1mm）比紅光長，是不可見光。在光線比較暗的情況下，使用IR攝像頭增強(qiáng)現(xiàn)實效果。在RGB陣列中，修改部分像素點(diǎn)為IR像素點(diǎn)，只允許紅外光通過。

使用RGB-Ir技術(shù)可以通過一個傳感器設(shè)備同時捕捉到RGB彩圖和IR圖，也就是同時擁有白天和夜間的可視能力。

RGB-IR 適合于車內(nèi)監(jiān)控DMS?？梢栽诠饩€條件受限的情況下觀察駕駛員和乘客。

RCCB： RCCB 中的C為Clear，即白色濾鏡。這樣可以在不喪失顏色的情況下得到更多的亮度信息。

RCCC:75%部分為透傳，其余25%為感受紅光的濾波器。適合紅色交通燈和汽車尾燈的檢測。

分辨率：Resolution

CFA參數(shù)決定了圖像的色域空間，傳感器的分辨率決定了圖像的分辨能力。如前視ADAS攝像頭的800萬像素（3840x2160），環(huán)視攝像頭300萬像素（1920x1536），1080P（1920x1080）、720P（1280x720）等。在對焦的情況下，像素點(diǎn)越多，圖片的分辨能力越強(qiáng)。但過大的分辨率會增加硬件成本，并給圖像后處理帶來挑戰(zhàn)。

這里的分辨率并不能直接等同于像素點(diǎn)的數(shù)量，像素點(diǎn)Pixel需要經(jīng)過插值后才能成為真正的圖片，這部分內(nèi)容后面再說。 像素點(diǎn)越多，圖像的分辨率才能越大。

以人臉識別為例，如果像素過低，將無法分辨出人臉甚至人類

像素大?。篜ixel size

像素點(diǎn)越大，單個點(diǎn)能接收到的光線越多，信號質(zhì)量越高。在相同分辨率下，照相機(jī)比手機(jī)的像素點(diǎn)可以設(shè)計的更大，照片質(zhì)量更好。車載攝像頭的像素的尺寸大概在2.1um左右。

幀率：Frame per second，fps

即每秒鐘更新的圖像幀的個數(shù)。通常從30fps 到60fps不等。

圖像的刷新采用Rolling shutter，即逐行邊曝光邊掃描，導(dǎo)致拍攝快速運(yùn)動目標(biāo)時，會出現(xiàn)果凍效應(yīng)，物體看上去發(fā)生變形傾斜。

而高速相機(jī)會采用Global Shutter全局曝光后掃描的方式，但掃描時間會壓縮曝光時間，相同幀率下有效曝光時間更短。

圖像原始格式：經(jīng)過Image sensor 得到的數(shù)字底片的格式為RAW。無論視頻最后轉(zhuǎn)成什么格式，都需要從RAW格式轉(zhuǎn)。

RAW 格式：是未經(jīng)處理過的數(shù)據(jù)，代表了各種顏色光的強(qiáng)度。8bit RAW即用8個bit描述一個像素點(diǎn)的亮度值，20bit RAW就是用20bit 來表示一個像素點(diǎn)。顯然bit位越多，越能分辨出顏色的細(xì)節(jié)。不過這種數(shù)據(jù)格式需要經(jīng)過潤色處理才能使用。

圖像后處理：ISP （Image Signal Processing ）圖形信號處理器

ISP 相比于CPU，是專業(yè)的圖形信號處理芯片。圖像傳感器采集到的原始數(shù)據(jù)交由ISP進(jìn)行處理后，最后傳輸給外部設(shè)備使用。

ISP作用：對圖像進(jìn)行PS處理。包括噪點(diǎn)去除、顏色插值、白平衡校正、曝光矯正、HDR 等處理工作。并進(jìn)一步的壓縮編碼，輸出外接設(shè)備所需要的圖像格式。

CIS芯片集成了ISP芯片，但功能受限，如果圖像處理性能無法滿足要求，還可以選擇獨(dú)立的ISP芯片進(jìn)行圖像信號處理。

輸出格式：Output formats

經(jīng)過Image sensor 測量得到的像素點(diǎn)信息將按照一定的格式進(jìn)行格式化輸出。常見的格式有20bit RAW， 8/10 bit RAW， 8/10 bit YUV422等。

CIS芯片結(jié)構(gòu)和信號處理流程

輸出接口：Output interfaces

經(jīng)過ISP處理后的數(shù)據(jù)，最終按照Camera芯片的接口傳輸協(xié)議進(jìn)行傳輸，目前采用的傳輸格式有MIPI CSI-2協(xié)議，LVDS協(xié)議等。

寫到這里關(guān)于CIS成像器芯片的介紹基本結(jié)束，關(guān)于芯片的具體參數(shù)可以根據(jù)芯片的數(shù)據(jù)手冊進(jìn)行查找。

例：OmniVision_OX08B40芯片 技術(shù)參數(shù)

只有明白這些芯片的屬性，成像特點(diǎn)，才能在攝像頭仿真測試時，有效的發(fā)現(xiàn)問題和找出差異。這也是我作為仿真測試工程師去探究傳感器工作原理的初衷。