手机硬件知识摄像头系列之传感器与ISP介绍

2017-01-04 10:51:30
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拍摄景物通过手机摄像镜头,将生成的光学图像投射到传感器上,然后光学图像被转换成电信号,电信号再经过模数转换变为数字信号,数字信号经过DSP加工处理,再被送到手机处理器中进行处理,最终转换成手机屏幕上能够看到的图像。

 

 

手机摄像头成像原理

传感器是决定手机摄像头成像品质最为重要的一部份,也经常被手机厂商作为宣传的重点,厂商也习惯采用传感器的分类,来对手机摄像头的类型进行分类。

 

常见的摄像头传感器类型主要有两种,一种是CCD传感器,一种是CMOS传感器。

 

两者区别在于:CCD的优势在于成像质量好,但是由于制造工艺复杂,导致制造成本居高不下,特别是大型CCD,价格非常高昂,且耗电高,并不适合在移动设备上使用。在相同分辨率下,CMOS价格比CCD便宜,但是CMOS器件产生的图像质量相比CCD来说要低一些。

 

但由于CMOS影像传感器相对CCD具有耗电低的优势,加上随着工艺技术的进步,CMOS的画质水平也不断地在提高,所以目前市面上的手机摄像头都采用CMOS传感器。

 

而CMOS传感器视工艺和具体技术的不同,也有着不同的分类。目前市场上效果较好的主流摄像头CMOS传感器主要有背照式CMOS传感器和堆栈式CMOS传感器两种,在厂家宣传时,也通常用这两种传感器类型对于产品的摄像头性能进行宣传。

 

背照式CMOS传感器

背照式CMOS传感器这一名称是与传统正照式CMOS传感器区分开来的。像我们所熟知的iPhone 4/4S、小米2S、魅族MX2、索尼LT26i等热销机型,都采用了背照式CMOS传感器。

 

早在2008年,索尼就开发出了背照式CMOS传感器,其最大的优化之处就是将元件内部的结构改造了,即将感光层的元件调转方向,让光能从背面直射进去,避免了在传统传感器结构中,光线会受到微透镜和光电二极管之间的电路和晶体管的影响。

 

此外,把与感光无关的走线与光电二极管分开到芯片的两边或下面,这样不仅可以增加光电元件曝光面积,而且减少光线经过布线层时的损失,从而显著提高光的效能,大大改善低光照条件下的拍摄效果。

 

堆栈式CMOS传感器

堆栈式CMOS传感器目前是索尼独家的传感器产品,索尼将其命名为Exmor RS CMOS传感器,是背照式CMOS传感器的衍生产物,也是目前手机摄像头当中,较为先进的一种CMOS传感器,被广泛应用用在三得Galaxy S4、索尼Xperia Z等旗舰级产品当中,而国产的OPPO Find 5是世界上首款采用堆栈式CMOS传感器的手机。

 

其具体原理是,使用有信号处理电路的芯片替代了原来背照CMOS图像传感器的支持基板,在芯片上重叠形成背照CMOS元件的像素部分,从而实现了在较小的芯片尺寸上形成大量像素点的工艺。由于像素部分和电路部分分别独立,因此像素部分可针对高画质优化,电路部分可针对高性能优化。

 

简单点说,堆栈式CMOS传感器就是将原来放置于传感器正面的电路改为放置在传器感背面,使得传感器的感光面积更大,画质更好。

 

常见的传感器有,传统CMOS传感器,背照式CMOS传感器(BIS CMOS),堆栈式CMOS传感器。 高端机上一般采用堆栈式CMOS传感器(Exmor RS CMOS)。

 

CMOS传感器厂商有,Sony,OmniVision,Agilent,Aptina,panavision,其中以索尼最为出名。

 

目前在CMOS传感器的摄像头中,其DSP芯片已经集成到CMOS中,从外观上来看,它们就是一个整体。而采用CCD传感器的摄像头则分为CCD和DSP两个独立部分。

 

关于ISP介绍

ISP 是Image Signal Processor 的简称,也就是图像信号处理器。而DSP是Digital Signal Processor 的缩写,也就是数字信号处理器。

 

ISP一般用来处理Image Sensor(图像传感器)的输出数据,如做AEC(自动曝光控制)、AGC(自动增益控制)、AWB(自动白平衡)、色彩校正、Lens Shading、Gamma 校正、祛除坏点、Auto Black Level、Auto White Level 等等功能的处理。

 

独立ISP芯片是独立于处理器而存在的,虽然成本较高,但优势也是比较明显的。除了运算能力、成像质量更优秀外,一般的独立ISP芯片都是手机商向ISP提供商定制的,所以与相机其他组件的契合度更佳,成像也有属于自己的风格、特色。富士通的独立ISP不错,锤子用的就是他的。

 

集成的ISP会在手机CPU里,ISP的驱动程序可以说是手机成像算法,这与手机成像的好坏,有着关键因素。大家经常说,索尼自家的手机拍照不好,原因就是出现在这个问题上。 苹果使用800W像素镜头拍照的比2000W的好也是这个原因。

 
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