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Camera Sensor基礎知識

1. 感光原理

Camera Sensor是由數百萬上千萬數量小方塊的CCD或CMOS感光元件(簡稱像素),以平面陣列方式排列組成,其感光原理是于感光元件表層上整合RGB(紅、綠、藍)三原色的濾鏡,通過對一個一個的感光點對光進行采樣和量化形成圖像。Sensor中每一個感光點隻對應一個彩色濾光片,是以隻能感光RGB中的一種顔色。通常所說的30萬像素或130萬像素等,指的是有30萬或130萬個感光點。如果一台擁有一千二百萬像素的數位相機,明顯地就是最少12,000,000小方塊的感光元件了

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Sensor的彩色濾鏡陣列元件,基本上是采用了Bayer圖樣(RGRG/GBGB排列如上圖)的排列方式,實作RGB三原色濾鏡依序,以Striped Array(條狀陣列)形式,紅、藍、綠互相交替,各施其職,分别去 "捕捉" 三原色的光能量。以光學的角度而言,應該說成是光線通過鏡頭的不同鏡片組,投射抵達至整合了Bayer圖樣的條狀陣列RGB濾鏡的圖像傳感器,而圖像傳感器記錄了進光量的電荷,轉成數字參數,成為了RAW檔案的圖像資訊即RAW DATA。

 綠色濾鏡元件,是紅、藍的2倍,隻因人類眼睛識别顔色不是線性的,我們的眼睛對于綠色,顯然是比較敏感。是以護眼常識都在鼓勵人們多看綠色的緣故。理論上RGB的3原色濾鏡數量比例是1: 2: 1。

Bayer RGB是屬于 RGB RAW data的,但是 RGB RAW data不一定是Bayer pattern。Sensor輸出的RAW格式圖像大小取決于自身特性與配置,例如某款Sensor配置為10-bit RGB RAW并且圖像尺寸為1024*768,那麼單幀圖像大小為1024*768*10bit=7680kb。

當然也有些Sensor内置格式轉換單元,可以直接輸出YUV資料或者RGB資料。

2. 輸出接口-DVP

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DVP(Digital Video Port) 是傳統的sensor輸出接口,采用并行輸出方式,資料位寬有8bit、10bit、12bit、16bit等,是CMOS電平信号(重點是非差分信号)。

幾個信号:

PCLK:pixel clock ,像素時鐘,每個時鐘對應一個像素資料;

HSYNC:horizonal synchronization,行同步信号;

VSYNC:vertical synchronization,幀同步信号;

DATA:像素資料,視訊資料,具體位寬要看ISP是否支援;

MCLK:或者XCLK,ISP輸出驅動sensor的時鐘;

SCL,SDA:I2C用來讀寫sensor的寄存器,配置sensor。

PCLK、HSYNC、VSYNC對應關系

ISP與Sensor通過DVP接口連接配接,ISP首先會給Snsor一個MCLK,sensor内部的PLL會對計算,産生PCLK,PCLK由幅面(F_W、F_H)、幀率(FPS)決定,并存在如下關系:

PCLK = F_W * F_H * FPS

以F_W = 3556,F_H = 1125,A_W = 1920, A_H = 1080,FPS = 25(1080P25)為例,說明幾個對應關系:

- PCLK是一個像素傳輸的時間,是以HSYNC時間是PCLK的3556倍;

- 在這3556個像素中,隻有1920個像素是有效的(A_W大小),在剩下的1636個像素點時間内sensor是不傳輸資料的;

- VSYNC是幀同步信号,是以VSYNC時間是PCLK的3556*1125倍;

- 同樣隻有在1920*1080個有效像素時間内,sensor在傳輸資料;

3. 輸出接口-MIPI

MIPI=Mobile Industry Processor Interface, 是類似SMIA的一個LVDS的一種接口,其規範在不斷修改和改進,目前比較成熟的接口應用有DSI(顯示接口)和CSI(攝像頭接口)。

CSI/DSI的實體層(Phy Layer)由專門的WorkGroup負責制定,其目前的标準是D-PHY。

D-PHY采用1對源同步的差分時鐘和1~4對差分資料線來進行資料傳輸。資料傳輸采用DDR方式,即在時鐘的上下邊沿都有資料傳輸。

相比于DVP,主要優點有:

(1)Camera子產品布線大大減少。并口的資料接口,如果是YUV輸出至少為8個資料Bit、2個Clock(MCLK和PCLK)、I2C兩個、同步信号2個,再加地和電源等,如果換成MIPI的序列槽,

可以減少2個同步信号,8個資料Bit變為DOUT_P、DOUT_N、CLK_P、CLK_N,PCLK也可以不要,布線自然友善許多。

(2)Noise的減少。走線越多被幹擾的可能就越多,走線少了于是幹擾就少了,同時MIPI信号是DOUT_N和DOUT_P成對走線,需要考慮impedance,兩根線從波形

看是成反相,是以有外部幹擾過來,就會被抵消很大部分,同時MIPI的信号屬于LVDS(Low Voltage Differential Signaling:低壓差分信号傳輸)底到MV的等級,本身對于外部的幹擾也是很小的。

(3)傳輸速度極快,從并口到序列槽,當然要足夠大的速度,MIPI最大支援4通道資料傳輸、單線傳輸速度高達1Gb/s(DPHY),而傳統的并口再高也不過600MB/s。

(4)功耗低。并口的Camera,隻要上電,給Clock于是PCLK就有輸出,Data也會由輸出,抓不到同步就成不了像,但是資料還是輸出,于是就要功耗。而MIPI理論上靜态是沒有功耗的。

4. 調試注意點

 需要根據Sensor的Spec安排上電時序,例如:

The OV13850 uses three power supplies: 2.8V AVDD, 1.8V DOVDD and 1.2V DVDD.

To avoid any glitch from a strong external noise source, OmniVision recommends controlling XSHUTDOWN or PWDNB

by GPIO and tying the other pin to DOVDD.

Whether or not XSHUTDOWN is controlled by GPIO, the XSHUTDOWN rising cannot occur before AVDD or DOVDD.

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