解讀主流品牌手機相機背后的圖像處理器

　　進入八月底，手機市場變得異常熱鬧，大有你方唱罷我登場的陣勢——魅族MX3剛發(fā)布，小米3、索尼XperiaZ1、GalaxyNoteIII、iPhone5S/C、OPPON1陸續(xù)熱鬧登場……幾乎無一例外，相機功能成為了這些業(yè)界矚目的明星產(chǎn)品主要功能訴求之一。在智能手機日趨同質(zhì)化的今天，相機也成為了廠商在產(chǎn)品宣傳上重點進行差異化的焦點之一，防抖動、高速連拍、美顏……各種功能特性扯足眼球。

　　正所謂外行熱鬧，內(nèi)行看門道，各種宣傳說辭背后，是軟硬件技術實力的比拼。手機相機受尺寸限制，難免先天不足——鏡頭必須盡量小以適應手機相機的封裝，這導致圖像傳感器獲取的圖像信號難以像數(shù)碼相機一樣的出色，因此作為數(shù)碼相機功能的關鍵功能模塊的圖像處理器(ISP)擔當起了提升圖像傳感器捕獲的圖像質(zhì)量的“重任”。

　　在這些“明星”產(chǎn)品中，魅族MX3手機相機公開采用了富士通4通道ISP芯片。無獨有偶，在當前國內(nèi)外多個主流品牌的熱門機型中，包括魅族MX2、三星GalaxyNoteII和GalaxyZOOM，以及OPPO的幾款主流主流手機產(chǎn)品中，我們也能發(fā)現(xiàn)富士通ISP技術的身影。為此，筆者近日特別采訪了富士通半導體公司圖像處理技術負責人Holmes沈，期待挖掘出手機相機ISP的“那些事”。

　　解析主流數(shù)碼相機ISPMilbeaut的技術基因

　　富士通數(shù)碼相機ISP產(chǎn)品家族基于其2000年開始推出的圖像處理器Milbeaut技術，目前已經(jīng)發(fā)展到第六代。作為數(shù)碼相機產(chǎn)品的核心器件，Milbeaut算是實實在在的“幕后英雄”，其名號并不為大多數(shù)人所知，甚至網(wǎng)上也難以搜到太多相關介紹。但Holmes拋出的第一個數(shù)據(jù)就讓人不得不對Milbeaut刮目相看：“Milbeaut占據(jù)全球數(shù)碼相機ISP市場超過50%的份額，全球知名數(shù)碼相機廠商幾乎都與我們有合作，在單反數(shù)碼相機中同樣有大量的成功應用。”

　　近年來，高像素相機逐漸成為中高端手機的主流配置，而獨立ISP具有的突出圖形處理能力，開始替代500萬像素時代的集成ISP，這類獨立ISP開始走向手機應用的舞臺。當前智能手機廠商大都傾向于采用專用的ISP，因為這樣能實現(xiàn)可以與高端數(shù)碼相機媲美的圖像質(zhì)量和性能。而富士通半導體公司基于其占據(jù)數(shù)碼相機市場領先優(yōu)勢的圖像處理器Milbeaut開發(fā)了針對手機相機應用的MilbeautMobileISP系列，成功地將其在數(shù)碼相機ISP芯片上的領先技術成功復制到手機相機應用上。據(jù)悉，在日本廠商生產(chǎn)的配備800萬像素以上攝像頭的終端中，富士通的圖像處理LSI確保了近80%的份額。

　　“在2008年，第三代MilbeautMobileISP就率先采用了多種在數(shù)碼相機中成功應用的功能，如靜態(tài)圖像拍照的連續(xù)自動對焦、人臉識別、。”Holmes指出，“第六代MilbeautMobileISPMBG046就采用了幾乎所有的相機功能，而且還具有高清視頻(1920x1080像素)連續(xù)自動對焦，以及市場需求視頻處理器。”在采訪中，Holmes對Milbeaut的領先功能特性如數(shù)家珍：“MBG046基本的功能特性包括實時轉(zhuǎn)換和校正來自傳感器的信號，并輸出到應用處理器。ISP針對手機相機系統(tǒng)進行了優(yōu)化，能使應用處理器直接顯示接收到的圖像數(shù)據(jù)，并無需修改直接存儲這些數(shù)據(jù)……”按照Holmes的詳細介紹，MilbeautMobileISPMBG046主要功能特性可以總結(jié)如下：

　　高速圖像處理。MBG046圖像處理器執(zhí)行基本的圖像處理功能，可以實現(xiàn)每秒24幀、每幀8MB的圖像處理，以及每秒超過30幀的高清圖像處理。幾乎所有的基本圖像處理功能由硬件實現(xiàn)，從而可以實現(xiàn)很高的處理速度和低功耗。此外，由于應用處理器是手機相機在圖像處理的流程中的下一級，如果來自傳感器的數(shù)據(jù)不能及時轉(zhuǎn)換以及進行校準處理，對于拍攝視頻這種對響應速度很敏感的應用來說，就會存在延時的問題。MilbeautMobileISP通過將由圖像處理器單元處理過的圖像數(shù)據(jù)直接發(fā)送到圖像輸出單元，而不是通常方案中經(jīng)由SDRAM進行各種插值處理，從而實現(xiàn)了快速處理，消除了信號轉(zhuǎn)換、校正處理導致的延時。

　　超強的噪聲消除功能。由于MilbeautMobileISP產(chǎn)品面對的相機應用一般不可能采用可與數(shù)碼相機媲美的相機鏡頭，要保證圖像質(zhì)量具有挑戰(zhàn)性，特別是處理圖像噪聲非常重要。因此，MBG046圖像處理器采用了比數(shù)碼相機更強大的機制來保證對亮度噪聲和色彩噪聲的消除。為消除噪聲同時不降低分辨率，在MBG046中采用了最新的技術，從而可以同時采用不同的噪聲消除方法以匹配圖像質(zhì)量。

　　優(yōu)化的軟件配置。軟件處理是相機系統(tǒng)中的一個重要部分，是硬件序列控制和“3A”(自動白平衡調(diào)整、自動曝光調(diào)整、自動對焦調(diào)整)運算不可或缺的部分。設計上，富士通將那些涉及復雜處理，但是運算量輕的任務轉(zhuǎn)移到軟件實現(xiàn)，而將運算量很大的圖像數(shù)據(jù)處理由專用硬件實現(xiàn)。這樣的配置能讓更多的CPU資源用于額外的軟件圖像處理(運動補償、人臉識別等)，從而可以讓系統(tǒng)更靈活，也能將更多資源用于實現(xiàn)先進的處理性能。

　　定制化設計服務帶來差異設計機會

　　芯片的技術特性之外，Holmes還非常強調(diào)富士通針對客戶需求提供定制化設計服務的價值。“技術支持是客戶看重富士通的另外一個方面，我們可以根據(jù)客戶對相機功能、性能的定義，結(jié)合我們的專業(yè)Knowhow去幫助客戶最快實現(xiàn)產(chǎn)品市場化。”Holmes指出，“比如最新發(fā)布的魅族MX3手機，在產(chǎn)品定義的階段，我們的十多位技術專家組成的技術支持團隊就參與進去了。”

　　魅族MX3發(fā)布獲得業(yè)界廣泛好評，尤其其相機功能采用四通道富士通ISP，實現(xiàn)了同等配置下諸多突破性的性能設計——每秒20張連拍、零延時拍照技術、第四代白平衡算法，MX3采用的富士通四通道ISP芯片與傳統(tǒng)的雙通道ISP相比傳輸速度快兩倍……而這些獨特的功能特性背后是大量對關鍵技術的設計探討和創(chuàng)新探索，如在魅族公開宣傳中提到的針對第四代白平衡算法進行了數(shù)萬次優(yōu)化;“零延時拍照”技術在按下拍照鍵的瞬間，巧妙地從前面1/8秒中挑選出最佳的畫面，從而避開快門抖動。

　　富士通強調(diào)的三大核心競爭力：品質(zhì)、生態(tài)系統(tǒng)和技術支持

　　Holmes還提到另外一個定制化的設計細節(jié)——在MX3的相機方案中，富士通工程師團隊通過與魅族設計團隊聯(lián)合設計，實現(xiàn)了前置200萬像素攝像頭與后置800萬像素攝像頭共享同一顆ISP，這樣確保了前后相機拍照時照片品質(zhì)的一致性。而此前，很多前置攝像頭采用了傳感器模塊內(nèi)置ISP進行前拍圖像處理，照片的一致性通常難以保證。

　　“事實上，這樣的定制化設計服務在很多主要客戶中進行，這種貼身的定制化設計合作，可以幫助客戶借用我們的專業(yè)經(jīng)驗彌補他們的不足。”Holmes指出，“數(shù)碼相機設計涉及到大量的專業(yè)技術知識和IP，這不僅是很多手機廠商所欠缺的，甚至也是很多ISP廠商所難以具備的，因為這背后是需要大量的案例和時間的技術積累。”據(jù)悉，富士通目前負責Milbeaut產(chǎn)品的工程師團隊超過150人，這其中大部分都具有8、9年的研發(fā)經(jīng)驗。“大陸的研發(fā)團隊與客戶的設計團隊一起工作，他們豐富的經(jīng)驗能滿足絕大部分的客戶需求，對于更深層的技術定制化需求，富士通日本的核心團隊可以參與提供支持。”Holmes說道。

　　未來發(fā)展趨勢對ISP要求更多

　　近日，有專業(yè)分析人士認為，2014年業(yè)界將推出1600萬像素手機，2015年手機可能出現(xiàn)2k、4k需求，人臉識別以及手勢功能即將成為高端手機的標配……除了更高的像素，這些發(fā)展趨勢對相機模塊主要特性提出更高的要求，例如更高幀率，更突出的3A性能、更具挑戰(zhàn)性的低功耗設計等等。

　　“對于智能手機應用而言，低功耗特性是個永遠的話題。”Holmes指出，“如何利用軟硬件優(yōu)化，甚至借助獨特的工藝技術來實現(xiàn)低功耗都是ISP供應商必須解決的挑戰(zhàn)。”據(jù)悉，目前富士通M10MOISP在1080P@30FPS下的平均功耗約280mW，是業(yè)界很低的水平。“未來我們可能借助40nm甚至20nm及以下的半導體工藝實現(xiàn)更低的功耗。”Holmes表示。在低功耗方面，富士通擁有SuVolta公司的深度耗盡溝道(DDC)技術授權，采用該技術可以將芯片功耗進一步降低15~20%。富士通最新推出的MB86S22AAMilbeau圖像處理器就是業(yè)界首款基于DDC晶體管的芯片，與現(xiàn)有產(chǎn)品相比就實現(xiàn)了約兩倍的處理性能，而功耗卻降低了30%。

　　“另外值得指出的是，更高像素的圖像處理以及2K、4K視頻將與當前的圖像處理方式存在很大的差異，將要求更高的帶寬，成本、功耗也將面臨很大壓力，這都對圖像處理器供應商的技術能力帶來很大的挑戰(zhàn)。”Holmes指出。據(jù)Holmes透露，富士通支持諸多領先新特性的ISP產(chǎn)品預計今年年底或明年初面市，將支持16M@30FPS拍照、H.264視頻壓縮格式、1080P@60FPS視頻功能等等。而且在算法上將有新的升級，包括采用新的噪聲消除算法、新的CI算法。

　　關于即將面市的MilbeautMobileISP新品還有哪些突出功能和性能?電路設計和算法上將有哪些創(chuàng)新思路?對手機相機將產(chǎn)生哪些影響?對于這些問題，Holmes沒有透露更多技術細節(jié)，我們拭目以待吧。