CMOS圖像傳感器的調(diào)試

    目前，包括移動(dòng)設(shè)備在內(nèi)的很多多媒體設(shè)備上都使用了攝像頭，而且還在以很快的速度更新?lián)Q代。 

    目前使用的攝像頭分為兩種：CCD（Charge Couple Device電荷偶合器件）和CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)。這兩種各有優(yōu)劣：目前CCD主要使用高質(zhì)量的DC、DV和高檔手機(jī)上，其圖像質(zhì)量較好，但是整個(gè)驅(qū)動(dòng)模組相對(duì)比較復(fù)雜，而且目前只有日本一些企業(yè)掌握其生產(chǎn)技術(shù)，對(duì)于選用的廠商來說成本會(huì)比較高昂，而且一些設(shè)備對(duì)與圖像質(zhì)量沒有很苛刻的要求，對(duì)體積要求會(huì)高一些；而CMOS正好滿足這樣的要求，CMOS模組則比較簡單，目前很多廠商已經(jīng)把驅(qū)動(dòng)和信號(hào)處理的ISP（Image Signal Processor）集成在模組內(nèi)部，這樣體積就更小，而且其生產(chǎn)技術(shù)要求相對(duì)簡單、工藝比較成熟、成本較低、外圍電路簡單、圖像質(zhì)量也可以滿足一般的要求，所以在嵌入式市場中占有很大份額，目前一些高端的CMOS Sensor的質(zhì)量已經(jīng)可以和CCD的質(zhì)量相媲美。 


    我這里要介紹的就是CMOS攝像頭的一些調(diào)試經(jīng)驗(yàn)。 

    首先，要認(rèn)識(shí)CMOS攝像頭的結(jié)構(gòu)。我們通常拿到的是集成封裝好的模組，一般由三個(gè)部分組成：鏡頭、感應(yīng)器和圖像信號(hào)處理器構(gòu)成。一般情況下，集成好的模組我們只看到外面的鏡頭、接口和封裝殼,這種一般是固定焦距的。有些廠商只提供芯片，需要自己安裝鏡頭，鏡頭要選擇合適大小的鏡頭，如果沒有夜視要求的話，最好選擇帶有紅外濾光的鏡頭，因?yàn)橐话愕膕ensor都能感應(yīng)到紅外光線，如果不濾掉，會(huì)對(duì)圖像色彩產(chǎn)生影響，另外要注意在PCB設(shè)計(jì)時(shí)要保證鏡頭的聚焦中心點(diǎn)要設(shè)計(jì)在sensor的感光矩陣中心上。除了這點(diǎn)CMOS Sensor硬件上就和普通的IC差不多了，注意不要弄臟或者磨花表面的玻璃。 

    其次，CMOS模組輸出信號(hào)可以是模擬信號(hào)輸出和數(shù)字信號(hào)輸出。模擬信號(hào)一般是電視信號(hào)輸出，PAL和NTSC都有，直接連到電視看的；數(shù)字輸出一般會(huì)有并行和串行兩種形式，由于圖像尺寸大小不同，所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不同，數(shù)據(jù)的頻率差異也很大，但是串行接口的pixel clock頻率都要比并行方式高（同樣的數(shù)據(jù)量下這不難理解），較高的頻率對(duì)外圍電路也有較高的要求；并行方式的頻率就會(huì)相對(duì)低很多，但是它需要更多引腳連線；所以這應(yīng)該是各有裨益。（筆者測試使用的系統(tǒng)是8bit并行接口）另外輸出信號(hào)的格式有很多種，視頻輸出的主要格式有：RGB、YUV、BAYER PATTERN等。一般CMOS Sensor模組會(huì)集成ISP在模組內(nèi)部，其輸出格式可以選擇，這樣可以根據(jù)自己使用的芯片的接口做出較適合自己系統(tǒng)的選擇。其中，部分sensor為了降低成本或者技術(shù)問題，sensor部分不帶ISP或者功能很簡單，輸出的是BAYER PATTERN，這種格式是sensor的原始圖像，因此需要后期做處理，這需要有專門的圖像處理器或者連接的通用處理器有較強(qiáng)的運(yùn)算能力（需要運(yùn)行圖像處理算法）。不管sensor模組使用何種數(shù)據(jù)格式，一般都有三個(gè)同步信號(hào)輸出：幀同步/場同步（Frame synchronizing）、行同步（Horizontal synchronizing）和像素時(shí)鐘（pixel clock）。要保證信號(hào)的有效狀態(tài)與自己系統(tǒng)一致，如都是場同步上升（下降）沿觸發(fā)、行同步高（低）電平有效等。 

    通過以上介紹，我們就可以根據(jù)自己的使用的系統(tǒng)選擇適合的sensor模組。要選擇接口對(duì)應(yīng)（如果并行接口，sensor模組輸出數(shù)據(jù)bit位多于接受端，可以用丟棄低位的數(shù)據(jù)的方法連接）、數(shù)據(jù)格式可以接受或處理、pixel clock沒有超過可接受的最高頻率（有的是可調(diào)的，但幀率會(huì)受影響）、場同步和行同步可以調(diào)節(jié)到一致的sensor模組，這樣才可以保證可以使用。 

    保證這些條件的正確性下，還要符合它的硬件電路要求，首要的是確定它的電源、時(shí)鐘、RESET等信號(hào)是否符合芯片要求，其次要看所有的引腳是否連接正確，這樣保證外圍的電路沒有錯(cuò)誤情況下才可能正確顯示圖像。各個(gè)廠商生產(chǎn)的產(chǎn)品各不相同，一些廠商的sensor模組在默認(rèn)狀態(tài)下就可以輸出圖像，而有些廠商的sensor模組必須要設(shè)置一些寄存器以后才可以得到圖像。區(qū)別是否可以直接輸出圖像，可以通過檢測sensor的輸出腳，如果三個(gè)同步信號(hào)都有，數(shù)據(jù)線上也有數(shù)據(jù)，那一般就會(huì)有默認(rèn)圖像輸出，另外也可以跟廠商聯(lián)系獲得有關(guān)信息。如果沒有默認(rèn)輸出就需要設(shè)置寄存器了，一般都是通過兩線串行方式（IIC總線使用頻率很高）設(shè)置寄存器。寄存器設(shè)置是整個(gè)調(diào)試過程中最復(fù)雜的過程，當(dāng)然要設(shè)置寄存器要先保證主芯片跟sensor模組之間通信是正確無誤的，然后才是具體設(shè)置值的問題。保證通信無誤，簡單的方法就是讀寫一致（排除部分動(dòng)態(tài)變化的寄存器），就是說保證能夠每次寫進(jìn)去的數(shù)據(jù)都能正確讀出來。寄存器設(shè)置方面，一般都會(huì)有很多寄存器，其中一些是關(guān)鍵的：例如軟件RESET、工作狀態(tài)、輸出大小、輸出格式、輸出信號(hào)有效性、像素頻率等，另外一些對(duì)細(xì)調(diào)圖像質(zhì)量很有用處的寄存器暫時(shí)可以不管，還有部分寄存器比如自動(dòng)暴光、自動(dòng)白平衡這些建議都選擇auto，這些功能對(duì)圖像質(zhì)量影響很大，一般模組集成了ISP的都會(huì)有這個(gè)功能。當(dāng)然不管是默認(rèn)圖像還是設(shè)置以后輸出的，都需要細(xì)調(diào)，這時(shí)如果有可能，可以聯(lián)系sensor模組廠商，請(qǐng)他們給出推薦配置或者做一些技術(shù)支持，因?yàn)橐话鉺ensor內(nèi)部都有一些寄存器是不對(duì)外公布的，只有廠商的FAE才這些寄存器的定義；自己調(diào)節(jié)圖像時(shí)，可以從對(duì)比度、亮度、飽和度、銳化程度、Gamma校正、消除flicker等方面進(jìn)行調(diào)節(jié)。如果sensor沒有集成ISP的話，如前面提到的它的輸出是BAYER PATTERN，這種格式就是直接將感應(yīng)到的數(shù)據(jù)傳輸過來，需要處理器端進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，同時(shí)還需要做白平衡、暴光控制，另外還要進(jìn)行上面提到的對(duì)比度、亮度、飽和度等等的改進(jìn)，這些改進(jìn)要想得到比較好的圖像質(zhì)量，算法會(huì)比較復(fù)雜，不僅需要處理器有較強(qiáng)的處理能力，也對(duì)調(diào)試者有一定的要求，但是這樣的sensor一般會(huì)比較便宜，所以根據(jù)自己的情況做選擇比較好；不過目前有廠商設(shè)計(jì)做圖像處理的芯片，其實(shí)這就是將ISP拿出來單獨(dú)作為一顆芯片了，它的調(diào)試就跟sensor模組差不多了，只是大一些而已。 

    調(diào)試過程中，我們還要注意一些問題，例如YUV格式輸出時(shí)中YUV的順序、BAYER PATTERN中第一行數(shù)據(jù)的格式、sensor模組輸出圖像的大小、顯示圖像的大小等。一般YUV順序不對(duì)圖像是可以看到的，只是色彩和亮度轉(zhuǎn)換了；BAYER PATTERN第一行數(shù)據(jù)格式錯(cuò)了，也就是RGB三種顏色亂了，都是可以看到圖像的；圖像輸出大小則比較重要，因?yàn)槿绻O(shè)置輸入的圖像大小大于實(shí)際輸出的大小，處理器可能會(huì)因?yàn)閿?shù)據(jù)不夠一場而無法顯示，如果小于實(shí)際大小則只能輸出圖像的一部分，但是還是可以顯示的，當(dāng)然這也可以在顯示面積不夠時(shí)做成局部放大的效果。 

    圖像出來以后，就需要檢驗(yàn)一些模組的質(zhì)量，個(gè)人覺得可以從下面幾個(gè)方面觀察：幀率、有無壞點(diǎn)、噪聲、暗光下的圖像、白平衡、色彩還原能力、暴光、邊緣等?，F(xiàn)在一般的sensor廠商的30萬像素的產(chǎn)品都可以VGA（640*480）30幀，2M像素做到SVGA（800*600）30幀的幀率，一般應(yīng)用已經(jīng)足夠，拖影現(xiàn)象也控制得比較好；壞點(diǎn)是比較嚴(yán)重的問題，一般是sensor硬件上有問題，而且它自身的修復(fù)算法沒有能夠修復(fù)的，這樣對(duì)圖像會(huì)有很大的影響，一般打開sensor工作5分鐘就還沒有的話，基本上就可以放心了，要指出的是有的時(shí)候在一些物體的邊緣會(huì)出現(xiàn)“壞點(diǎn)”這是sensor算法的問題，一般移動(dòng)一下物體或者模組就沒有了；噪聲問題是CMOS Sensor無法躲避的問題，由于感光部分結(jié)構(gòu)跟CCD的差異，注定了同樣大小的感光面積下CMOS Sensor圖像噪聲要比CCD嚴(yán)重，但是各個(gè)廠商技術(shù)的差異還是會(huì)噪聲控制上也會(huì)有所不同，這時(shí)只要給個(gè)深色的背景就會(huì)看到了，同樣CMOS Sensor在低光條件下噪聲問題也比較突出，當(dāng)然可以使用一些技術(shù)加以改進(jìn)；白平衡是最基礎(chǔ)的問題，但是白平衡算法好壞也會(huì)影響sensor的表現(xiàn)，一些sensor遇到大片某個(gè)單色的畫面時(shí)可以明顯看到背景圖像顏色改變，這就是算法不好的原因；色彩還原可以照在標(biāo)準(zhǔn)色板上，看與原來的區(qū)別就可以看出sensor色彩還原能力了，也有一些sensor會(huì)某些顏色過了；若沒有色板也可以用色彩明亮豐富的紙來測試，關(guān)鍵是看sensor能否真實(shí)表現(xiàn)這些色彩；暴光控制現(xiàn)在一般都的模組都集成了，對(duì)著暗處和強(qiáng)光看它是否能夠調(diào)節(jié)到比較理想的狀態(tài)，一般不會(huì)有問題，但是也有例外，筆者曾經(jīng)碰到一顆sensor在強(qiáng)光照射下啟動(dòng)時(shí)沒有辦法正確暴光，畫面很暗；邊緣好壞是一個(gè)sensor細(xì)節(jié)表現(xiàn)能力證明，一些sensor在邊緣部分會(huì)有鋸齒或者就是很模糊不清，這都是細(xì)節(jié)表現(xiàn)的問題；如果整個(gè)畫面比較灰，那就是sensor對(duì)比度出了問題。 

    調(diào)試sensor是一件非常有趣的事情，很多時(shí)候它跟一般的IC沒有太大區(qū)別，其實(shí)上我們也是把它當(dāng)成一般IC來調(diào)試的，但是收獲卻很多。當(dāng)然，調(diào)試的時(shí)候可能會(huì)遇到很多問題，有些可能會(huì)比較棘手，問題的解決也需要很多的經(jīng)驗(yàn)，但是辦法總比問題多，問題的解決就是經(jīng)驗(yàn)累積的過程、成長的過程。

 
    以上是筆者一些調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，拿出來與各位分享，由于剛剛接觸CMOS不到兩年時(shí)間，文中難免片面之處。