硬核干货：|专栏|所谓的定制/独占/联合研发的 CMOS 都是怎么来的

摘要：本文研究了移动成像中所使用的图像传感器的选择流程与标准。其主要挑战来自于在模组目标体积严格受限的情况下使其依旧具有良好的相机功能。图像传感器的选择是一个从对未来技术的预估到对最终产品进行基准测试的连续过程。

1、 介绍
带有相机的手机产品份额一直在快速增长，而不断增长的移动成像市场正在推动许多图像传感器供应商。
和传统数码照相机相比，拍照手机的主要优势在于终端用户几乎总是把手机带在身边，并随时可用。这对设备的尺寸和可靠性提出了很大挑战。此外，相机包含的功能越来越复杂、图像传感器的分辨率也越来越高。由于严格的尺寸要求限制，更高的分辨率往往会导致更小的像素，例如[1]。
手机上使用的相机并不是完全相同的一组设备，而是从小尺寸的泛焦设备到复杂的自动对焦乃至变焦设备。实现图像传感器的技术还包括各种类型的 CCD 和 CMOS 型设备，都拥有大量的供应商。
为指定的产品选择最合适的图像传感器是让相机达到目标的关键之一。充满挑战的手机环境以及琳琅满目的选择使得挑选图像传感器成为了一项艰巨的任务，本文对此进行了研究。
下一章节将研究图像传感器的跟踪和选择流程，而在第三章节中则阐明了在移动成像应用中的选择标准和挑战，第四章节为全文总结。

3、 选择标准
手机的相机大致可以分为主流和高端两个类别。在这两种情况下基础的挑战和标准是相同的，只是每个参数的重要性不同。
对于以影像为导向的高端产品，画质是第一要务，而对于大批量出货的主流产品，产能和价格可能更重要。当然，最终目标还是能够兼具良好的图像质量和有竞争力的价格。
3.1、分辨率和视频性能
照片分辨率和视频性能——例如像素数量和帧率——在营销手册中是相机所用图像传感器相关的典型参数。
手机中的相机正面临传感器像素数量的竞争，为了能够满足严苛的尺寸目标，往往会使用越来越小的像素——这个需求。小像素也对光学系统提出了很高的要求，同时衍射极限为光学系统的分辨率设定了上限。
随着用来看视频的设备越来越先进以及存储介质的容量越来越大，视频分辨率也变得越来越高。另一方面，目前主流的视频帧速率为 15fps 和 30fps，但是即使是 60fps 也有助于减少 CMOS 的滚动快门失真。
为了满足高分辨率和帧速率的要求，可能需要在图像传感器中加入合并采样或数字缩放功能——例如标准移动影像架构配置文件 2。如果图像传感器支持缩放，那么还应包括对图像进行窗口或裁切处理以实现高素质的数码变焦。
3.2、图像质量
终端用户所能感知到的最终图像质量是由以下几个因素综合决定：图像传感器和光学系统的性能、算法（例如[3]）以及显示质量。本文主要着重于讨论图像传感器的选择。
在评估图像质量时，噪声水平和色彩还原方面的问题对用户来说的感知是最明显的。由于缺乏高出力的闪光灯（会太大）以及小像素，移动成像在低光照条件下的噪声水平是一个特殊的问题。另外由于小像素的满阱容量较低，在明亮环境下的噪声水平也成为了一个更具挑战性的问题。
问卷（表 1）中如下几个参数主要侧重于弱光性能：读出噪声、灵敏度、量子效率和暗信号非均匀性。而另一方面，满阱容量以及光响应非均匀性则会影响图像在亮部区域的噪声水平。
在移动成像中的色彩还原问题往往是因为需要以牺牲色彩性能为代价来提升其他参数（例如噪声水平）。色彩性能是使用信号非线性、滤色片响应以及测试图像来评估的。
动态范围不足在户外摄影中尤为明显。动态范围也是与小像素相关的挑战。当像素尺寸变小时，很难保持满阱容量与噪声级的比值。
暗角是移动成像中的一大挑战。光学系统高度越小导致越大的主光线角和图像传感器的暗角。而在当光学系统可以移动时这个问题会更加明显。在这种情况下，主光线角不恒定，优化微透镜的位移变得更加困难。像素的堆叠高度和最大传感器接受角是用于测量给定光学系统暗角的参数。
随着像素尺寸变小，像素串扰则是另一个越来越重要的参数。像素串扰可能会导致特殊形式伪像的图像模糊。在图像传感器问卷中会涵盖串扰部分。而更详细的信息，包括电气、光学和滤色片串扰之间的占比，必须包含在完整的传感器特性报告中。
最后，一些特殊技术限制也包含在画面质量评估中，例如涂抹和滚动快门失真。
对于每个参数的数值本身并没有严格要求。考虑到图像质量的主观性，为每个参数设定限制是不现实的。
3.3、系统层面
对于电磁兼容性而言，手机是一个严峻的环境。因此，所有的产品组件都应尽可能地使用串行总线，例如 CCP2[4]。串行总线地另一个好处在于节约了相机模组的输入输出引脚。
无论是在高端还是主流产品中，图像处理都是在图像传感器芯片之外完成的。因此，图像传感器需要支持原始数据（RAW）输出。如果图像传感器拥有缩放器——我们在 3.1 章节讨论过——那么它必须是原始（RAW）图像缩放器。将图像传感器和图像处理器当作互相独立的芯片来处理，可以为这两个部件选择最优的选项。
3.4、时间表、生产能力以及价格
在考虑哪些图像传感器应该成为给定产品的候选者时，它的时间表应当是需要首先考虑的参数。供应商能在图像传感器路线图方面提供良好的透明度也有助于产品规划和调度。
主流产品的产量通常远高于高端产品。由于主流产品产量大，每个图像传感器至少需要两个来源，真正能够实现这个目标的是标准移动影像架构标准[5]，主流产品只考虑能完全兼容标准移动影像架构的产品。
由于高端产品的优先级不同，因此不需要考虑标准移动影像架构的兼容性。然而，即使在功能上的选择更加灵活，高端产品的图像质量也不能妥协。
手机市场对价格非常敏感，尤其是主流产品。然而，高端产品用的图像传感器也需要具有竞争力的价格。

4、 结论
本文研究了移动成像用图像传感器的选择过程和标准。其中大多数挑战来自在要求小相机尺寸的同时仍具有良好的相机功能。此外，还需要产能高和有竞争力的价格——尤其在主流产品中。图像传感器的选择是一个连续的，有众多步骤的过程：包括未来技术评估、路线图探索、初始性能研究、完整功能描述报告、内部测试评估、产品集成以及最终产品的基准测试。

译者：这是我第四次翻译英文文献，但是是第三次出于爱好翻译一篇非自身专业的文献，可能在一些专业概念和专有名词的使用上还会有一些偏差和错误，欢迎各位大佬指正。
本译文鸣谢：
@LycheeLi荔枝荔、@光的白龙 提供帮助。
参考资料：
^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.
^Nokia and ST, SMIA 1.0 Part 5: Camera Characterization Specification, 2004.
^Nokia，Camera Imaging Chain, 2004, http://www.nokia.com/nokia/0,8764,54238,00.html
^Nokia and ST, SMIA 1.0 Part 2: CCP2 Specification, 2004.
^Nokia and ST, SMIA 1.0 Part 1: Introduction and overview, 2004.