近年來,拍照手機、電腦攝像頭(PC-CAM)、監(jiān)控等領域飛速發(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,其設計、生產、測試、封裝以及最終應用與傳統(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)模化生產的企業(yè),近幾年開發(fā)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(jiān)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(xiàn)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(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)就是針對這種應用設計的。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(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(shù)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(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換功能,主要包含以下處理:灰度補償、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、GAMMA校正、色彩校正、亮度、飽和度和對比度調節(jié)、圖像尺寸變換、色彩空間轉換、圖像數(shù)據(jù)打包輸出。控制模塊完成自動曝光控制,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(xiàn)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(shù)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(shù)十件以上,SuperPix技術具體體現(xiàn)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(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(shù)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(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)碼相機的解決方案一樣,而多媒體處理器則類似于數(shù)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(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(tǒng)設計的角度講是合理的。高像素的拍照手機為了取代傳統(tǒng)數(shù)碼相機,對圖像質量的要求已經達到專業(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(xiàn),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(tǒng)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(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(fā)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(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(shù)據(jù)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(tài)范圍,在各種光照條件的復雜環(huán)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(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(yōu)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(fā)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(xiàn)的“免驅動”的PC-CAM,則有可能成為未來的主流產品。
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 傳感器技術的發(fā)展,CMOS的品質已經達到CCD相當?shù)乃健６O(jiān)控系統(tǒng)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(jiān)控系統(tǒng)上應用的趨勢已經非常明顯。圖4是采用CMOS 傳感器的監(jiān)控系統(tǒng)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(shù)據(jù)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(fā)送出去。因為監(jiān)控系統(tǒng)的應用環(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)這類產品,預計在年內推出新一代寬動態(tài)范圍,高靈敏度的傳感器,滿足監(jiān)控領域的應用需求。
思比科的產品完全根據(jù)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(shù)客戶的需求。
表1: 思比科系列產品指標。
北京思比科微電子技術有限公司供稿
