解讀主流品牌手機相機背后的圖像處理器

　　進(jìn)入八月底，手機市場(chǎng)變得異常熱鬧，大有你方唱罷我登場(chǎng)的陣勢——魅族MX3剛發(fā)布，小米3、索尼XperiaZ1、GalaxyNoteIII、iPhone5S/C、OPPON1陸續熱鬧登場(chǎng)……幾乎無(wú)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(chǎng)商在產(chǎn)品宣傳上重點(diǎn)進(jìn)行差異化的焦點(diǎn)之一，防抖動(dòng)、高速連拍、美顏……各種功能特性扯足眼球。

　　正所謂外行熱鬧，內行看門(mén)道，各種宣傳說(shuō)辭背后，是軟硬件技術(shù)實(shí)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碼相機一樣的出色，因此作為數碼相機功能的關(guān)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(kāi)采用了富士通4通道ISP芯片。無(wú)獨有偶，在當前國內外多個(gè)主流品牌的熱門(mén)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)現富士通ISP技術(shù)的身影。為此，筆者近日特別采訪(fǎng)了富士通半導體公司圖像處理技術(shù)負責人Holmes沈，期待挖掘出手機相機ISP的“那些事”。

　　解析主流數碼相機ISPMilbeaut的技術(shù)基因

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

　　近年來(lái)，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(kāi)始替代500萬(wàn)像素時(shí)代的集成ISP，這類(lèi)獨立ISP開(kāi)始走向手機應用的舞臺。當前智能手機廠(chǎng)商大都傾向于采用專(zhuān)用的ISP，因為這樣能實(shí)現可以與高端數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數碼相機市場(chǎng)領(lǐng)先優(yōu)勢的圖像處理器Milbeaut開(kāi)發(fā)了針對手機相機應用的MilbeautMobileISP系列，成功地將其在數碼相機ISP芯片上的領(lǐng)先技術(shù)成功復制到手機相機應用上。據悉，在日本廠(chǎng)商生產(chǎn)的配備800萬(wàn)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碼相機中成功應用的功能，如靜態(tài)圖像拍照的連續自動(dòng)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)連續自動(dòng)對焦，以及市場(chǎng)需求視頻處理器。”在采訪(fǎng)中，Holmes對Milbeaut的領(lǐng)先功能特性如數家珍：“MBG046基本的功能特性包括實(shí)時(shí)轉換和校正來(lái)自傳感器的信號，并輸出到應用處理器。ISP針對手機相機系統進(jìn)行了優(yōu)化，能使應用處理器直接顯示接收到的圖像數據，并無(wú)需修改直接存儲這些數據……”按照Holmes的詳細介紹，MilbeautMobileISPMBG046主要功能特性可以總結如下：

　　高速圖像處理。MBG046圖像處理器執行基本的圖像處理功能，可以實(shí)現每秒24幀、每幀8MB的圖像處理，以及每秒超過(guò)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(shí)現，從而可以實(shí)現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(lái)自傳感器的數據不能及時(shí)轉換以及進(jìn)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(lái)說(shuō)，就會(huì )存在延時(shí)的問(wèn)題。MilbeautMobileISP通過(guò)將由圖像處理器單元處理過(guò)的圖像數據直接發(fā)送到圖像輸出單元，而不是通常方案中經(jīng)由SDRAM進(jìn)行各種插值處理，從而實(shí)現了快速處理，消除了信號轉換、校正處理導致的延時(shí)。

　　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碼相機媲美的相機鏡頭，要保證圖像質(zhì)量具有挑戰性，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碼相機更強大的機制來(lái)保證對亮度噪聲和色彩噪聲的消除。為消除噪聲同時(shí)不降低分辨率，在MBG046中采用了最新的技術(shù)，從而可以同時(shí)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中的一個(gè)重要部分，是硬件序列控制和“3A”(自動(dòng)白平衡調整、自動(dòng)曝光調整、自動(dòng)對焦調整)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(wù)轉移到軟件實(shí)現，而將運算量很大的圖像數據處理由專(zhuān)用硬件實(shí)現。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(dòng)補償、人臉識別等)，從而可以讓系統更靈活，也能將更多資源用于實(shí)現先進(jìn)的處理性能。

　　定制化設計服務(wù)帶來(lái)差異設計機會(huì )

　　芯片的技術(shù)特性之外，Holmes還非常強調富士通針對客戶(hù)需求提供定制化設計服務(wù)的價(jià)值。“技術(shù)支持是客戶(hù)看重富士通的另外一個(gè)方面，我們可以根據客戶(hù)對相機功能、性能的定義，結合我們的專(zhuān)業(yè)Knowhow去幫助客戶(hù)最快實(shí)現產(chǎn)品市場(chǎng)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(shù)專(zhuān)家組成的技術(shù)支持團隊就參與進(jìn)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(shí)現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(shí)拍照技術(shù)、第四代白平衡算法，MX3采用的富士通四通道ISP芯片與傳統的雙通道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(guān)鍵技術(shù)的設計探討和創(chuàng )新探索，如在魅族公開(kāi)宣傳中提到的針對第四代白平衡算法進(jìn)行了數萬(wàn)次優(yōu)化;“零延時(shí)拍照”技術(shù)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(huà)面，從而避開(kāi)快門(mén)抖動(dòng)。

　　富士通強調的三大核心競爭力：品質(zhì)、生態(tài)系統和技術(shù)支持

　　Holmes還提到另外一個(gè)定制化的設計細節——在MX3的相機方案中，富士通工程師團隊通過(guò)與魅族設計團隊聯(lián)合設計，實(shí)現了前置200萬(wàn)像素攝像頭與后置800萬(wàn)像素攝像頭共享同一顆ISP，這樣確保了前后相機拍照時(shí)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置ISP進(jìn)行前拍圖像處理，照片的一致性通常難以保證。

　　“事實(shí)上，這樣的定制化設計服務(wù)在很多主要客戶(hù)中進(jìn)行，這種貼身的定制化設計合作，可以幫助客戶(hù)借用我們的專(zhuān)業(yè)經(jīng)驗彌補他們的不足。”Holmes指出，“數碼相機設計涉及到大量的專(zhuān)業(yè)技術(shù)知識和IP，這不僅是很多手機廠(chǎng)商所欠缺的，甚至也是很多ISP廠(chǎng)商所難以具備的，因為這背后是需要大量的案例和時(shí)間的技術(shù)積累。”據悉，富士通目前負責Milbeaut產(chǎn)品的工程師團隊超過(guò)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(hù)的設計團隊一起工作，他們豐富的經(jīng)驗能滿(mǎn)足絕大部分的客戶(hù)需求，對于更深層的技術(shù)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(shuō)道。

　　未來(lái)發(fā)展趨勢對ISP要求更多

　　近日，有專(zhuān)業(yè)分析人士認為，2014年業(yè)界將推出1600萬(wàn)像素手機，2015年手機可能出現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(gè)永遠的話(huà)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(shù)來(lái)實(shí)現低功耗都是ISP供應商必須解決的挑戰。”據悉，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(lái)我們可能借助40nm甚至20nm及以下的半導體工藝實(shí)現更低的功耗。”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(shù)授權，采用該技術(shù)可以將芯片功耗進(jìn)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，與現有產(chǎn)品相比就實(shí)現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(shù)能力帶來(lái)很大的挑戰。”Holmes指出。據Holmes透露，富士通支持諸多領(lǐng)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(guān)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(wèn)題，Holmes沒(méi)有透露更多技術(shù)細節，我們拭目以待吧。