譯者按：大家好，我是 Laze Sun ，諾基亞于 2005 年發(fā)布了這篇論文，在文中詳細介紹了其為自家產(chǎn)品選擇圖像傳感器的流程，所以我順便花時間把這篇論文翻譯成中文供各位參考（部分文字有演繹）。這篇譯文也許是中文圈里首個完全以利益相關(guān)方的角度來系統(tǒng)描述手機廠商是如何選擇圖像傳感器的內(nèi)容，如果你想知道廠商常說的定制 CMOS 究竟代表著什么，那么這篇文章非常值得一看。

原文作者：Juha Alakarhu, Eero Salmelin, and Jarkko Viinikanoja

Nokia, Technology Platforms, P.O. Box 1000, FI-33721 Tampere

juha.alakarhu@nokia.com (+358 50 4860226), eero.salmelin@nokia.com, Jarkko.viinikanoja@nokia.com

摘要：本文研究了移動成像中所使用的圖像傳感器的選擇流程與標準。其主要挑戰(zhàn)來自于在模組目標體積嚴格受限的情況下使其依舊具有良好的相機功能。圖像傳感器的選擇是一個從對未來技術(shù)的預(yù)估到對最終產(chǎn)品進行基準測試的連續(xù)過程。

1、 介紹

帶有相機的手機產(chǎn)品份額一直在快速增長，而不斷增長的移動成像市場正在推動許多圖像傳感器供應(yīng)商。

和傳統(tǒng)數(shù)碼照相機相比，拍照手機的主要優(yōu)勢在于終端用戶幾乎總是把手機帶在身邊，并隨時可用。這對設(shè)備的尺寸和可靠性提出了很大挑戰(zhàn)。此外，相機包含的功能越來越復(fù)雜、圖像傳感器的分辨率也越來越高。由于嚴格的尺寸要求限制，更高的分辨率往往會導(dǎo)致更小的像素，例如[1]。

手機上使用的相機并不是完全相同的一組設(shè)備，而是從小尺寸的泛焦設(shè)備到復(fù)雜的自動對焦乃至變焦設(shè)備。實現(xiàn)圖像傳感器的技術(shù)還包括各種類型的 CCD 和 CMOS 型設(shè)備，都擁有大量的供應(yīng)商。

為指定的產(chǎn)品選擇最合適的圖像傳感器是讓相機達到目標的關(guān)鍵之一。充滿挑戰(zhàn)的手機環(huán)境以及琳瑯滿目的選擇使得挑選圖像傳感器成為了一項艱巨的任務(wù)，本文對此進行了研究。

下一章節(jié)將研究圖像傳感器的跟蹤和選擇流程，而在第三章節(jié)中則闡明了在移動成像應(yīng)用中的選擇標準和挑戰(zhàn)，第四章節(jié)為全文總結(jié)。

2、 跟蹤和選擇流程

由于產(chǎn)品的開發(fā)周期緊張，所以有時在樣品可用之前就需要對圖像傳感器進行初步選擇。解決這個矛盾的關(guān)鍵在于和供應(yīng)商保持開放和持續(xù)的溝通以及相互理解。圖像傳感器的性能和路線圖應(yīng)當(dāng)可以公開交流。

選擇流程的第一步是跟蹤幾年后可能出現(xiàn)在產(chǎn)品中的新技術(shù)。

下一步是通過使用圖像傳感器路線圖調(diào)查問卷來探索路線圖。供應(yīng)商將被要求填寫一張表格，其中需要包含圖像傳感器的路線圖及其與其參數(shù)。該表格包括技術(shù)、圖像質(zhì)量和系統(tǒng)級參數(shù)。主要參數(shù)如表 1 （見文末）所示。新產(chǎn)品所使用的初步候選者是通過路線圖數(shù)據(jù)以及供應(yīng)商以往的成果和經(jīng)驗來決定的。調(diào)查的結(jié)果還提供了對市場接下來將要發(fā)生的事情的理解。

而對于已經(jīng)可用的芯片或者相機模組，供應(yīng)商需提供一系列測試圖像。圖 1 總結(jié)了拍攝測試圖像的指南。測試圖像存儲在內(nèi)部數(shù)據(jù)庫中，并使用分析工具進行可視化分析。測試結(jié)果會將特性展現(xiàn)出來，例如在不同光照條件下的色彩表現(xiàn)和噪聲變化。為了生成用于可視化分析的縮略圖，首先對原圖像應(yīng)用自動對比度（直方圖從 0 拉伸到最大值）調(diào)整，然后進行二次采樣來生成調(diào)整尺寸后的圖像。這種方式減少了圖像中的相對亮度差異，并能夠在小尺寸的縮略圖中觀察原始圖像的噪點。

當(dāng)物理芯片可用時，該流程將繼續(xù)對最合適的圖像傳感器進行詳細評估。在這個步驟里，供應(yīng)商將被要求提供圖像傳感器的完整特性報告。報告內(nèi)容必須包括諸如：測量的性能參數(shù)、光子傳輸曲線、暗電流分布和濾色器響應(yīng)。光子傳輸曲線必須能體現(xiàn)在最小和最大增益下的時間和空間噪聲。而標準移動影像架構(gòu)傳感器[2]也需要聲明支持該標準。

在樣品可用時還需要進行內(nèi)部評估。在這一步，將對供應(yīng)商提供的數(shù)據(jù)進行驗證，并對圖像傳感器運行一些內(nèi)部測試，例如圖 2 中演示的動態(tài)范圍測試。產(chǎn)品的實際集成也可以從這個階段開始。

流程的最后一步則是對實際產(chǎn)品進行基準測試并與競爭對手的產(chǎn)品進行比較——包括拍照手機和數(shù)碼照相機。最后階段包含了通過一組測試人員來評估測試圖像的測試——通過這種方式來制定描述主觀畫質(zhì)的參數(shù)。同時，最終產(chǎn)品的測試并不會僅專注于圖像傳感器的性能，反而會使用產(chǎn)品的所有特性和功能：例如，如果產(chǎn)品具有閃光燈，則會在測試中使用它。測試結(jié)果將會為設(shè)計階段下的決策提供反饋。

3、 選擇標準

手機的相機大致可以分為主流和高端兩個類別。在這兩種情況下基礎(chǔ)的挑戰(zhàn)和標準是相同的，只是每個參數(shù)的重要性不同。

對于以影像為導(dǎo)向的高端產(chǎn)品，畫質(zhì)是第一要務(wù)，而對于大批量出貨的主流產(chǎn)品，產(chǎn)能和價格可能更重要。當(dāng)然，最終目標還是能夠兼具良好的圖像質(zhì)量和有競爭力的價格。

3.1、分辨率和視頻性能

照片分辨率和視頻性能——例如像素數(shù)量和幀率——在營銷手冊中是相機所用圖像傳感器相關(guān)的典型參數(shù)。

手機中的相機正面臨傳感器像素數(shù)量的競爭，為了能夠滿足嚴苛的尺寸目標，往往會使用越來越小的像素——這個需求。小像素也對光學(xué)系統(tǒng)提出了很高的要求，同時衍射極限為光學(xué)系統(tǒng)的分辨率設(shè)定了上限。

隨著用來看視頻的設(shè)備越來越先進以及存儲介質(zhì)的容量越來越大，視頻分辨率也變得越來越高。另一方面，目前主流的視頻幀速率為 15fps 和 30fps，但是即使是 60fps 也有助于減少 CMOS 的滾動快門失真。

為了滿足高分辨率和幀速率的要求，可能需要在圖像傳感器中加入合并采樣或數(shù)字縮放功能——例如標準移動影像架構(gòu)配置文件 2。如果圖像傳感器支持縮放，那么還應(yīng)包括對圖像進行窗口或裁切處理以實現(xiàn)高素質(zhì)的數(shù)碼變焦。

3.2、圖像質(zhì)量

終端用戶所能感知到的最終圖像質(zhì)量是由以下幾個因素綜合決定：圖像傳感器和光學(xué)系統(tǒng)的性能、算法（例如[3]）以及顯示質(zhì)量。本文主要著重于討論圖像傳感器的選擇。

在評估圖像質(zhì)量時，噪聲水平和色彩還原方面的問題對用戶來說的感知是最明顯的。由于缺乏高出力的閃光燈（會太大）以及小像素，移動成像在低光照條件下的噪聲水平是一個特殊的問題。另外由于小像素的滿阱容量較低，在明亮環(huán)境下的噪聲水平也成為了一個更具挑戰(zhàn)性的問題。

問卷（表 1）中如下幾個參數(shù)主要側(cè)重于弱光性能：讀出噪聲、靈敏度、量子效率和暗信號非均勻性。而另一方面，滿阱容量以及光響應(yīng)非均勻性則會影響圖像在亮部區(qū)域的噪聲水平。

在移動成像中的色彩還原問題往往是因為需要以犧牲色彩性能為代價來提升其他參數(shù)（例如噪聲水平）。色彩性能是使用信號非線性、濾色片響應(yīng)以及測試圖像來評估的。

動態(tài)范圍不足在戶外攝影中尤為明顯。動態(tài)范圍也是與小像素相關(guān)的挑戰(zhàn)。當(dāng)像素尺寸變小時，很難保持滿阱容量與噪聲級的比值。

暗角是移動成像中的一大挑戰(zhàn)。光學(xué)系統(tǒng)高度越小導(dǎo)致越大的主光線角和圖像傳感器的暗角。而在當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)可以移動時這個問題會更加明顯。在這種情況下，主光線角不恒定，優(yōu)化微透鏡的位移變得更加困難。像素的堆疊高度和最大傳感器接受角是用于測量給定光學(xué)系統(tǒng)暗角的參數(shù)。

隨著像素尺寸變小，像素串?dāng)_則是另一個越來越重要的參數(shù)。像素串?dāng)_可能會導(dǎo)致特殊形式偽像的圖像模糊。在圖像傳感器問卷中會涵蓋串?dāng)_部分。而更詳細的信息，包括電氣、光學(xué)和濾色片串?dāng)_之間的占比，必須包含在完整的傳感器特性報告中。

最后，一些特殊技術(shù)限制也包含在畫面質(zhì)量評估中，例如涂抹和滾動快門失真。

對于每個參數(shù)的數(shù)值本身并沒有嚴格要求。考慮到圖像質(zhì)量的主觀性，為每個參數(shù)設(shè)定限制是不現(xiàn)實的。

3.3、系統(tǒng)層面

對于電磁兼容性而言，手機是一個嚴峻的環(huán)境。因此，所有的產(chǎn)品組件都應(yīng)盡可能地使用串行總線，例如 CCP2[4]。串行總線地另一個好處在于節(jié)約了相機模組的輸入輸出引腳。

無論是在高端還是主流產(chǎn)品中，圖像處理都是在圖像傳感器芯片之外完成的。因此，圖像傳感器需要支持原始數(shù)據(jù)（RAW）輸出。如果圖像傳感器擁有縮放器——我們在 3.1 章節(jié)討論過——那么它必須是原始（RAW）圖像縮放器。將圖像傳感器和圖像處理器當(dāng)作互相獨立的芯片來處理，可以為這兩個部件選擇最優(yōu)的選項。

3.4、時間表、生產(chǎn)能力以及價格

在考慮哪些圖像傳感器應(yīng)該成為給定產(chǎn)品的候選者時，它的時間表應(yīng)當(dāng)是需要首先考慮的參數(shù)。供應(yīng)商能在圖像傳感器路線圖方面提供良好的透明度也有助于產(chǎn)品規(guī)劃和調(diào)度。

主流產(chǎn)品的產(chǎn)量通常遠高于高端產(chǎn)品。由于主流產(chǎn)品產(chǎn)量大，每個圖像傳感器至少需要兩個來源，真正能夠?qū)崿F(xiàn)這個目標的是標準移動影像架構(gòu)標準[5]，主流產(chǎn)品只考慮能完全兼容標準移動影像架構(gòu)的產(chǎn)品。

由于高端產(chǎn)品的優(yōu)先級不同，因此不需要考慮標準移動影像架構(gòu)的兼容性。然而，即使在功能上的選擇更加靈活，高端產(chǎn)品的圖像質(zhì)量也不能妥協(xié)。

手機市場對價格非常敏感，尤其是主流產(chǎn)品。然而，高端產(chǎn)品用的圖像傳感器也需要具有競爭力的價格。

4、 結(jié)論

本文研究了移動成像用圖像傳感器的選擇過程和標準。其中大多數(shù)挑戰(zhàn)來自在要求小相機尺寸的同時仍具有良好的相機功能。此外，還需要產(chǎn)能高和有競爭力的價格——尤其在主流產(chǎn)品中。圖像傳感器的選擇是一個連續(xù)的，有眾多步驟的過程：包括未來技術(shù)評估、路線圖探索、初始性能研究、完整功能描述報告、內(nèi)部測試評估、產(chǎn)品集成以及最終產(chǎn)品的基準測試。

表 1：部分圖像傳感器參數(shù)問卷：

譯者：這是我第四次翻譯英文文獻，但是是第三次出于愛好翻譯一篇非自身專業(yè)的文獻，可能在一些專業(yè)概念和專有名詞的使用上還會有一些偏差和錯誤，歡迎各位大佬指正。

本譯文鳴謝： @LycheeLi荔枝荔 @光的白龍 提供幫助。

參考

1. ^Masahiro Oda, Takayuki Kaida, Shinichiro Izawa, Takahiko Ogo, Kazutaka Itsumi, Yoshihiro Okada, Kazuhiro Sasada, “A 1/4.5in 3.1M Pixel FT-CCD with 1.56μm Pixel Size for Mobile Applications”, in Digest International Solid-State Circuits Conference, San Francisco, CA, USA, February 2005, pp. 346 – 347.

2. ^Nokia and ST, SMIA 1.0 Part 5: Camera Characterization Specification, 2004.

3. ^Nokia，Camera Imaging Chain, 2004, http://www.nokia.com/nokia/0,8764,54238,00.html

4. ^Nokia and ST, SMIA 1.0 Part 2: CCP2 Specification, 2004.

5. ^Nokia and ST, SMIA 1.0 Part 1: Introduction and overview, 2004.