isp圖像信號處理算法概述：工作原理、架構(gòu)、處理流程

ISP的主要內(nèi)部構(gòu)成：ISP內(nèi)部包含 CPU、SUP IP（各種功能模塊的通稱）、IF 等設(shè)備

ISP的控制結(jié)構(gòu)：1、ISP邏輯 ?? 2、運行在其上的firmware

ISP上的Firmware包含三部分：

AP對ISP的操控方式：外置：I2C/SPI。內(nèi)置：MEM MAP、MEM SHARE

ISP架構(gòu)方案：內(nèi)置、外置

ISP 處理流程：

Bayer、黑電平補償?（black level compensation）、鏡頭矯正（lens shading correction）、壞像素矯正（bad pixel correction）、顏色插值 （demosaic）、Bayer 噪聲去除、 白平衡（AWB） 矯正、 色彩矯正（color correction）、gamma 矯正、色彩空間轉(zhuǎn)換（RGB 轉(zhuǎn)換為 YUV）、在YUV 色彩空間上彩噪去除與邊緣加強、色彩與對比度加強，中間還要進(jìn)行自動曝光控制等， 然后輸出 YUV（或者RGB） 格式的數(shù)據(jù)， 再通過 I/O 接口傳輸?shù)?CPU 中處理。

概? ? ? ? 念

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ISP是Image Signal Processor 的簡稱，也就是圖像信號處理器。

DSP是Digital Signal Processor 的縮寫，也就是數(shù)字信號處理器。

ISP一般用來處理Image Sensor（圖像傳感器）的輸出數(shù)據(jù)，如做AEC（自動曝光控制）、AGC（自動增益控制）、AWB（自動白平衡）、色彩校正、Lens Shading、Gamma 校正、祛除壞點、Auto Black Level、Auto White Level等等功能的處理。

而DSP功能就比較多了，它可以做些拍照以及回顯（JPEG的編解碼）、錄像以及回放（Video 的編解碼）、H.264的編解碼、還有很多其他方面的處理，總之是處理數(shù)字信號了。ISP是一類特殊的處理圖像信號的DSP。

ISP架構(gòu)方案：分為獨立（外置）與集成（內(nèi)置）兩種形式。

CPU處理器包括：AP、BP、CP。其中BP：基帶處理器、AP：應(yīng)用處理器、CP：多媒體加速器。

ISP的主要內(nèi)部構(gòu)成

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如下圖所示，ISP內(nèi)部包含 CPU、SUP IP、IF 等設(shè)備，事實上，可以認(rèn)為 ISP 是一個 SOC（system of chip），可以運行各種算法程序，實時處理圖像信號。

CPU：CPU 即中央處理器，可以運行 AF、LSC 等各種圖像處理算法，控制外圍設(shè)備?，F(xiàn)代的 ISP 內(nèi)部的 CPU 一般都是 ARM Cortex-A 系列的，例如 Cortex-A5、Cortex-A7。

SUB IP：SUB IP 是各種功能模塊的通稱，對圖像進(jìn)行各自專業(yè)的處理。常見的 SUB IP 如 DIS、CSC、VRA 等。

圖像傳輸接口：圖像傳輸接口主要分兩種，并口 ITU 和串口 CSI。CSI 是 MIPI CSI 的簡稱，鑒于 MIPI CSI 的諸多優(yōu)點，在手機相機領(lǐng)域，已經(jīng)廣泛使用 MIPI-CSI 接口傳輸圖像數(shù)據(jù)和各種自定義數(shù)據(jù)。外置 ISP 一般包含 MIPI-CSIS 和 MIPI-CSIM 兩個接口。內(nèi)置 ISP 一般只需要 MIPI-CSIS 接口。

通用外圍設(shè)備：通用外圍設(shè)備指 I2C、SPI、PWM、UART、WATCHDOG 等。ISP 中包含 I2C 控制器，用于讀取 OTP 信息，控制 VCM 等。對于外置 ISP，ISP 本身還是 I2C 從設(shè)備。AP 可以通過 I2C 控制 ISP 的工作模式，獲取其工作狀態(tài)等。

ISP的控制結(jié)構(gòu)

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ISP包括：1、ISP邏輯 ?? 2、運行在其上的firmware

如圖所示，lens 將光信號投射到sensor 的感光區(qū)域后，sensor 經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換，將Bayer 格式的原始圖像送給ISP，ISP 經(jīng)過算法處理，輸出RGB空間域的圖像給后端的視頻采集單元。在這個過程中，ISP通過運行在其上的firmware（固件）對ISP邏輯，從而對lens 和sensor 進(jìn)行相應(yīng)控制，進(jìn)而完成自動光圈、自動曝光、自動白平衡等功能。其中，firmware的運轉(zhuǎn)靠視頻采集單元的中斷驅(qū)動。PQ Tools 工具通過網(wǎng)口或者串口完成對ISP 的在線圖像質(zhì)量調(diào)節(jié)。

ISP 由ISP邏輯及運行在其上的Firmware組成，邏輯單元除了完成一部分算法處理外，還可以統(tǒng)計出當(dāng)前圖像的實時信息。Firmware 通過獲取ISP 邏輯的圖像統(tǒng)計信息，重新計算，反饋控制lens、sensor 和ISP 邏輯，以達(dá)到自動調(diào)節(jié)圖像質(zhì)量的目的。

ISP上的Firmware包含三部分

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ISP 的Firmware包含三部分，一部分是ISP 控制單元和基礎(chǔ)算法庫，一部分是AE/AWB/AF 算法庫，一部分是sensor 庫。Firmware 設(shè)計的基本思想是單獨提供3A算法庫，由ISP控制單元調(diào)度基礎(chǔ)算法庫和3A 算法庫，同時sensor 庫分別向ISP 基礎(chǔ)算法庫和3A 算法庫注冊函數(shù)回調(diào)，以實現(xiàn)差異化的sensor 適配。ISP firmware 架構(gòu)如圖所示。

不同的sensor 都以回調(diào)函數(shù)的形式，向ISP 算法庫注冊控制函數(shù)。ISP 控制單元調(diào)度基礎(chǔ)算法庫和3A 算法庫時，將通過這些回調(diào)函數(shù)獲取初始化參數(shù)，并控制sensor，如調(diào)節(jié)曝光時間、模擬增益、數(shù)字增益，控制lens 步進(jìn)聚焦或旋轉(zhuǎn)光圈等。

AP對ISP的操控方式

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CPU處理器包括：AP、BP、CP。BP：基帶處理器、AP：應(yīng)用處理器、CP：多媒體加速器

這里所說的控制方式是AP 對 ISP 的操控方式?。

I2C/SPI：這一般是外置 ISP 的做法。SPI 一般用于下載固件、I2C 一般用于寄存器控制。在內(nèi)核的 ISP 驅(qū)動中，外置 ISP 一般是實現(xiàn)為 I2C 設(shè)備，然后封裝成 V4L2-SUBDEV。

MEM MAP：這一般是內(nèi)置 ISP 的做法。將 ISP 內(nèi)部的寄存器地址空間映射到內(nèi)核地址空間，

MEM SHARE：這也是內(nèi)置 ISP 的做法。AP 這邊分配內(nèi)存，然后將內(nèi)存地址傳給 ISP，二者實際上共享同一塊內(nèi)存。因此 AP 對這段共享內(nèi)存的操作會實時反饋到 ISP 端。

ISP架構(gòu)方案

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上文多次提到外置 ISP 和內(nèi)置 ISP，這實際上是 ISP的架構(gòu)方案。

外置 ISP 架構(gòu)

外置 ISP 架構(gòu)是指在 AP 外部單獨布置 ISP 芯片用于圖像信號處理。外置 ISP 的架構(gòu)圖一般如下所示：

外置 ISP 架構(gòu)的優(yōu)點主要有：

能夠提供更優(yōu)秀的圖像質(zhì)量：在激烈的市場競爭下，能夠存活到現(xiàn)在的外置 ISP 生產(chǎn)廠商在此領(lǐng)域一般都有很深的造詣，積累了豐富的影像質(zhì)量調(diào)試經(jīng)驗，能夠提供比內(nèi)置 ISP 更優(yōu)秀的性能和效果。因此，選用優(yōu)質(zhì)的外置 ISP 能提供專業(yè)而且優(yōu)秀的圖像質(zhì)量。

能夠支援更豐富的設(shè)計規(guī)劃：外置 ISP 的選型基本不受 AP 的影響，因此魅族可以從各個優(yōu)秀 ISP 芯片供應(yīng)商的眾多產(chǎn)品中甄選最合適的器件，從而設(shè)計出更多優(yōu)秀的產(chǎn)品。

能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品的差異化：內(nèi)置 ISP 是封裝在 AP 內(nèi)部的，是和 AP 緊密的聯(lián)系在一起，如果 AP 相同，那么 ISP 也就是一樣的。因此基于同樣 AP 生產(chǎn)出來的手機，其 ISP 的性能也是一樣的，可供調(diào)教的條件也是固定的，這樣就不利于實現(xiàn)產(chǎn)品的差異化。而如果選擇外置 ISP，那么同一顆 AP，可以搭配不同型號的 ISP，這樣可以實現(xiàn)產(chǎn)品的差異化，為給用戶提供更豐富和優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品。

外置 ISP 架構(gòu)的缺點主要有：

成本價格高：外置 ISP 需要單獨購買，其售價往往不菲，而且某些特殊功能還需要額外支付費用。使用外置 ISP，需要進(jìn)行額外的原理圖設(shè)計和 LAYOUT，需要使用額外的元器件。

開發(fā)周期長：外置 ISP 驅(qū)動的設(shè)計需要多費精力和時間。使用外置 ISP 時，AP 供應(yīng)商提供的 ISP 驅(qū)動就無法使用，需要額外設(shè)計編寫外置 ISP 驅(qū)動。另外，為了和 AP 進(jìn)行完美的搭配，將效果最大化，也往往需要付出更多的調(diào)試精力。上文也提到，使用外置 ISP，需要進(jìn)行額外的原理圖設(shè)計和 LAYOUT，需要使用額外的元器件，這也是需要花費時間進(jìn)行處理的。

內(nèi)置 ISP 架構(gòu)：

內(nèi)置 ISP 架構(gòu)是指在 AP 內(nèi)部嵌入了 ISP IP，直接使用 AP 內(nèi)部的 ISP 進(jìn)行圖像信號處理。內(nèi)置 ISP 的架構(gòu)圖一般如下所示：

內(nèi)置 ISP 架構(gòu)的優(yōu)點主要有：

能降低成本價格：內(nèi)置 ISP 內(nèi)嵌在 AP 內(nèi)部，因此無需像外置 ISP 一樣需要額外購買，且不占 PCB 空間，無需單獨為其設(shè)計外圍電路，這樣就能節(jié)省 BOM，降低成本。鑒于大多數(shù)用戶在選購手機時會將價格因素放在重要的位置，因此降低成本能有效的降低終端成品價格，有利于占領(lǐng)市場。

能提高產(chǎn)品的上市速度：內(nèi)置 ISP 和 AP 緊密結(jié)合，無需進(jìn)行原理圖設(shè)計和 LAYOUT 設(shè)計，因此可以減小開發(fā)周期，加快產(chǎn)品上市的速度。

能降低開發(fā)難度：如果使用內(nèi)置 ISP，那么 AP 供應(yīng)商能在前期提供相關(guān)資料，驅(qū)動開發(fā)人員可以有充足的時間熟悉相關(guān)資料，而且不會存在軟件版本適配問題，也不存在平臺架構(gòu)兼容性問題。但是，如果使用外置 ISP，那么 ISP 供應(yīng)商往往都不能提供針對某個平臺的代碼/資料，而且一般都存在軟件版本兼容問題，這就需要驅(qū)動開發(fā)人員付出額的經(jīng)歷和時間。

使用內(nèi)置 ISP 當(dāng)然也有相應(yīng)的不足之處，具體見上文的分析，這里就不贅述了。

事實上，鑒于 ISP 的重要性，為了推廣其 AP，提高其 AP 競爭力，現(xiàn)在 AP 內(nèi)置的 ISP 也越來越強大，其性能足以滿足手機市場的需求。再加上其一系列優(yōu)點，現(xiàn)在使用內(nèi)置 ISP 方案的手機越來越多。

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ISP 處理流程

圖像產(chǎn)生過程：景物通過 Lens 生成的光學(xué)圖像投射到 sensor 表面上， 經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換為模擬電信號， 消噪聲后經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換后變?yōu)閿?shù)字圖像信號， 再送到數(shù)字信號處理芯片（ DSP） 中加工處理。

所以，從 sensor 端過來的圖像是 Bayer 圖像，經(jīng)過黑電平補償?（black level compensation）、鏡頭矯正（lens shading correction）、壞像素矯正（bad pixel correction）、顏色插值 （demosaic）、Bayer 噪聲去除、 白平衡（awb） 矯正、 色彩矯正（color correction）、gamma 矯正、色彩空間轉(zhuǎn)換（RGB 轉(zhuǎn)換為 YUV）、在YUV 色彩空間上彩噪去除與邊緣加強、色彩與對比度加強，中間還要進(jìn)行自動曝光控制等， 然后輸出 YUV（或者RGB） 格式的數(shù)據(jù)， 再通過 I/O 接口傳輸?shù)?CPU 中處理。

1.Bayer（拜耳濾波器得到彩色）

圖像在將實際的景物轉(zhuǎn)換為圖像數(shù)據(jù)時， 通常是將傳感器分別接收紅、 綠、 藍(lán)三個分量的信息， 然后將紅、 綠、 藍(lán)三個分量的信息合成彩色圖像。該方案需要三塊濾鏡， 這樣價格昂貴，且不好制造， 因為三塊濾鏡都必須保證每一個像素點都對齊。

通過在黑白 cmos 圖像傳感器的基礎(chǔ)上， 增加彩色濾波結(jié)構(gòu)和彩色信息處理模塊就可以獲得圖像的彩色信息， 再對該彩色信息進(jìn)行處理， 就可以獲得色彩逼真的彩色圖像。通常把彩色圖像傳感器表面覆蓋的濾波稱為彩色濾波陣列（Color Filter Arrays，CFA）。

目前最常用的濾鏡陣列是棋盤格式的， 已經(jīng)有很多種類的， 其中絕大多數(shù)的攝像產(chǎn)品采用的是原色貝爾模板彩色濾波陣列（Bayer Pattern CFA）。R、G、B 分別表示透紅色、透綠色和透藍(lán)色的濾鏡陣列單元。由于人的視覺對綠色最為敏感，所以在 Bayer CFA 中G分量是 R和B 的二倍，在每個像素點上只能獲取一種色彩分量的信息，然后根據(jù)該色彩分量的信息通過插值算法得到全色彩圖像。

2.BLC(Black level Correction)（黑電平補償）

a.暗電流

物理器件不可能是理想的， 由于雜質(zhì)、 受熱等其他原因的影響， 即使沒有光照射到象素，象素單元也會產(chǎn)生電荷， 這些電荷產(chǎn)生了暗電流。而且， 暗電流與光照產(chǎn)生的電荷很難進(jìn)行區(qū)分。公眾號：OpenFPGA

b.Black Level

Black Level 是用來定義圖像數(shù)據(jù)為0時對應(yīng)的信號電平。由于暗電流的影響， 傳感器出來的實際原始數(shù)據(jù)并不是我們需要的黑平衡（數(shù)據(jù)不為0）。所以，為減少暗電流對圖像信號的影響，可以采用的有效的方法是從已獲得的圖像信號中減去參考暗電流信號。一般情況下， 在傳感器中，實際像素要比有效像素多， 如下圖所示， 像素區(qū)頭幾行作為不感光區(qū)（ 實際上，這部分區(qū)域也做了RGB 的 color filter），用于自動黑電平校正，其平均值作為校正值， 然后在下面區(qū)域的像素都減去此矯正值，那么就可以將黑電平矯正過來了。

做了black level 矯正與沒做black level 矯正的對比，沒做black level矯正的圖片會比較亮，影響圖像的對比度。

3.LSC(Lens Shading Correction)（鏡頭矯正）

由于鏡頭本身的物理性質(zhì)， 造成圖像四周亮度相對中心亮度逐漸降低，以及，由于圖像光照在透過鏡頭照射到 pixel 上時，邊角處的焦點夾角大于中心焦點夾角，造成邊角失光。表現(xiàn)在圖像上的效果就是亮度從圖像中心到四周逐漸衰減， 且離圖像中心越遠(yuǎn)亮度越暗。為了補償四周的亮度， 需要進(jìn)行 Lens Shading 的矯正。

Lens Shading 的矯正的方法是根據(jù)一定的算法計算每個像素對應(yīng)的亮度矯正值，從而補償周邊衰減的亮度。?

矯正方法有二次項矯正、 四次項矯正。

4.BPC(Bad Pixel Correction)（壞點矯正）

a.壞點

壞點為全黑環(huán)境下輸出圖像中的白點，高亮環(huán)境下輸出圖像中的黑點。

b.壞點修復(fù)方法

一般情況下， RGB 信號應(yīng)與景物亮度呈線性響應(yīng)關(guān)系， 但由于 Senor 部分 pixel 不良導(dǎo)致輸出的信號不正常， 出現(xiàn)白點或黑點。

壞點修復(fù)方法通常有兩種：

一種是自動檢測壞點并自動修復(fù)， 另一種是建立壞點像素鏈表進(jìn)行固定位置的壞像素點修復(fù)， 這種方式是 OTP 的方式。

5.Demosaic顏色插值 （抵馬賽克）

當(dāng)光線通過 Bayer型 CFA（Color Filter Arrays） 陣列之后， 單色光線打在傳感器上，每個像素都為單色光，從而理想的Bayer 圖是一個較為昏暗的馬賽克圖。

首先需要說明的就是demosaiced并不是和字面的意思一樣是為了去除電影中的一些打馬賽克的圖像，而是數(shù)字圖像處理中用來從不完整的color samples插值生成完整的color samples的方法(因為bayer pattern看起來像一個個馬賽克，因此稱為去馬賽克)。在sensor端通常需要使用CFA濾鏡來得到Bayer pattern，而在后面的處理中需要把bayer pattern變成完整的RGB444(真彩色)圖像。在ISP中需要有這么一個模塊來做。

在傳統(tǒng)的ISP中有很多算法可以來做這個插值，包括最近鄰域法，bilinear 插值，cubic 插值等。

6.Bayer Denoise（去噪聲）

使用 cmos sensor獲取圖像，光照程度和傳感器問題是生成圖像中大量噪聲的主要因素。同時， 當(dāng)信號經(jīng)過ADC 時， 又會引入其他一些噪聲。這些噪聲會使圖像整體變得模糊， 而且丟失很多細(xì)節(jié)， 所以需要對圖像進(jìn)行去噪處理空間去噪傳統(tǒng)的方法有均值濾波、 高斯濾波等。

但是， 一般的高斯濾波在進(jìn)行采樣時主要考慮了像素間的空間距離關(guān)系， 并沒有考慮像素值之間的相似程度， 因此這樣得到的模糊結(jié)果通常是整張圖片一團模糊。所以， 一般采用非線性去噪算法， 例如雙邊濾波器， 在采樣時不僅考慮像素在空間距離上的關(guān)系， 同時加入了像素間的相似程度考慮， 因而可以保持原始圖像的大體分塊， 進(jìn)而保持邊緣。

7.AWB(Automatic White Balance)（自動白平衡）

白平衡的基本原理是在任意環(huán)境下， 把白色物體還原成白色物體， 也就是通過找到圖像中的白塊， 然后調(diào)整R/G/B 的比例， 如下關(guān)系：

R’= R * R_Gain

G’ = G * G_Gain

B’ = B * B_Gain

R’ = G’= B’

AWB 算法通常包括的步驟如下：

(1)色溫統(tǒng)計：根據(jù)圖像統(tǒng)計出色溫；

(2)計算通道增益：計算出R 和B 通道的增益；

(3)進(jìn)行偏色的矯正：根據(jù)給出的增益， 算出偏色圖像的矯正。

8.Color Correction（顏色矯正）

由于人類眼睛可見光的頻譜響應(yīng)度和半導(dǎo)體傳感器頻譜響應(yīng)度之間存在差別，還有透鏡等的影響， 得到的RGB 值顏色會存在偏差， 因此必須對顏色進(jìn)行校正， 通常的做法是通過一個3x3 的顏色變化矩陣來進(jìn)行顏色矯正。?

9.Gamma Correction（伽馬矯正）

人眼對外界光源的感光值與輸入光強不是呈線性關(guān)系的， 而是呈指數(shù)型關(guān)系的。在低照度下，人眼更容易分辨出亮度的變化， 隨著照度的增加，人眼不易分辨出亮度的變化。而攝像機感光與輸入光強呈線性關(guān)系， 為方便人眼辨識圖像， 需要將攝像機采集的圖像進(jìn)行g(shù)amma 矯正。

Gamma 矯正是對輸入圖像灰度值進(jìn)行的非線性操作， 使輸出圖像灰度值與輸入圖像灰度值呈指數(shù)關(guān)系：

out = Vin ^ gamma

這個指數(shù)就是 gamma， 橫坐標(biāo)是輸入灰度值， 縱坐標(biāo)是輸出灰度值， 藍(lán)色曲線是 gamma 值小于 1 時的輸入輸出關(guān)系， 紅色曲線是 gamma 值大于 1 時的輸入輸出關(guān)系?？梢杂^察到， 當(dāng) gamma 值小于 1 時(藍(lán)色曲線)， 圖像的整體亮度值得到提升， 同時低灰度處的對比度得到增加， 更利于分辯低灰度值時的圖像細(xì)節(jié)。

10.色彩空間轉(zhuǎn)換

YUV 是一種基本色彩空間， 人眼對亮度改變的敏感性遠(yuǎn)比對色彩變化大很多， 因此， 對于人眼而言， 亮度分量Y 要比色度分量U、V 重要得多。所以， 可以適當(dāng)?shù)貟仐壊糠諹、V分量， 達(dá)到壓縮數(shù)據(jù)的目的。

YCbCr 其實是YUV 經(jīng)過縮放和偏移的改動版，Y 表示亮度，Cr、Cb 表示色彩的色差，RGB信號亮度值之間的差異，分別是紅色和藍(lán)色的分量。在YUV 家族中，YCbCr 是在計算機系統(tǒng)中應(yīng)用最多的成員， 其應(yīng)用領(lǐng)域很廣泛，JPEG、MPEG 均采用此格式。一般人們所講的YUV 大多是指YCbCr。YCbCr有許多取樣格式，如 4∶4∶4，4∶2∶2， 4∶1∶1和 4∶2∶0。

Cb：反映的是RGB輸入信號藍(lán)色部分與RGB信號亮度值之間的差異。 Cr：反映了RGB輸入信號紅色部分與RGB信號亮度值之間的差異。

在以下兩個公式中RGB和YCbCr各分量的值的范圍均為0-255。

RGB轉(zhuǎn)換為Ycbcr公式：

Y = 0.257*R+0.564*G+0.098*B+16

Cb = -0.148*R-0.291*G+0.439*B+128

Cr = 0.439*R-0.368*G-0.071*B+128

YCbCr轉(zhuǎn)換為RGB公式：

R = 1.164*(Y-16)+1.596*(Cr-128)

G = 1.164*(Y-16)-0.392*(Cb-128)-0.813*(Cr-128)

B =1.164*(Y-16)+2.017*(Cb-128)

色彩空間轉(zhuǎn)換這個模塊， 是將RGB 轉(zhuǎn)換為 YUV444， 然后在YUV 色彩空間上進(jìn)行后續(xù)的彩色噪聲去除、 邊緣增強等， 也為后續(xù)輸出轉(zhuǎn)換為jpeg 圖片提供方便。

11.Color Denoise

為了抑制圖像的彩色噪聲， 一般采用低通濾波器進(jìn)行處理。例如使用M×N的高斯低通濾波器在色度通道上進(jìn)行處理。

編輯：黃飛

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