【技术帖】MIPI开关在智能手机变焦上的应用

2019-07-02

作者 |无梁之材

随着智能手机的迅猛发展，手机的拍照功能似乎已经成为各大手机厂商的竞争热点和营销点。

究其原因，除了日常的语音、扫码等功能应用，最大原因就在于很多手机用户都习惯性用手机相机来记录生活。依托于小体积属性和网络平台，手机拍照的便利性是专业相机无法比拟的。

旗舰级手机的主摄像头现在已经有了非常不错的拍摄效果，但比之专业相机，还有很大的差距。其原因就在于微型摄像头模组体积有限，以现有技术，几乎无法实现光圈和焦距的物理变化。

这些年，来自全球的智能手机厂商在拍照这方面投入了很大的精力，取得了很多不错的创新成果，抛开一些花边的玩法，其实这些创新都在往一个方向努力：无限缩减智能手机拍照和单反的差距（尽管还有很长路要走）。目前手机厂商们将这个目标大体拆分为三个小目标：

➢成像基本素质

➢光圈虚化

➢ 变焦

实现这三个小目标，目前主要的解决方案分别是传感器+拍照算法、AI抠图算法、摄像头。这三个小目标中，前两个已经基本满足普通手机用户的拍照需求，唯有变焦，其实还有一些距离。说起变焦，其实这也是智能手机拍照长期存在的老大难问题了。变焦分为光学变焦和数码变焦两种。

光学变焦

光学变焦就是依靠光学镜头结构来实现变焦，即通过镜片移动来放大与缩小需要拍摄的景物，它是在通过镜头、物体和焦点三方的位置发生变化而产生的。镜头焦距越长，景物的成像也越大，换言之就是能拍到更远的景物，即能实现更大倍数的变焦，自然，它就需要镜头内部镜片和感光器件移动空间更大。所以，实现变焦的倍数越大，镜头的体积也越大，在智能手机上装上很大的镜头，这很困难，所以手机上基本不采用光学变焦。

数码变焦

在智能手机上，普遍采用的是数码变焦，名为"变焦"，但焦距实际上并没有发生改变，它是通过手机内的处理器，增大原画面两个像素之间的距离，然后再根据对已有像素周边的色彩进行判断，把传感器上的一部份像素使用"插值"算法放大到整个画面。这种手法就如同用图像处理软件把图片的面积改大，是对像素进行有损裁剪为代价的，尽管数码变焦会利用插值等方式来改善成像质量，但图像色彩和质量却大大下降。因此，数码变焦在照片细节上和光学变焦的差距很大，尤其是对于远距离拍摄，这一劣势会非常突出。

光学变焦与数码变焦的成像对比

混合变焦

而双摄甚至多摄手机的出现，为智能手机的变焦带来了新的方向，也是目前主流的变焦方案。这种方案说白了就是采用不同焦距的摄像头，当变焦达到该焦段时，切换摄像头，其他过程仍以数码变焦来代替。这是一个混合的变焦方案，并不是真正意义上的光学变焦，优缺点都很明显，优点是达到固定的变焦倍数时，确实也是无损的；缺点嘛，除了固定倍数，其他仍然是有损的。

九游会J9·(中国)真人游戏第一品牌以华为Mate20 Pro为例来解释“手机光学变焦”的工作原理。

Mate20 Pro配备了“浴霸式”的三颗后置摄像头：

1）4000万像素主摄像头，27mm广角

2）2000万像素超广角摄像头，16mm超广角

3）800万像素长焦摄像头，80mm长焦

华为宣称Mate20 Pro具备3×光学变焦（80/27=2.96≈3），而不是5×光学变焦（80/16=5），因此可以推测Mate20 Pro在变焦过程中超广角摄像头参与度不会很高。进一步研究了Mate20 Pro具体的“光学变焦”原理：

1）当画面0.6×至1×时，使用2000万超广角实现数码变焦；

2）当画面在1×时，使用4000万广角主摄像头拍摄，产生无损照片；

3）当画面在1×至3×时，使用主摄像头的数码变焦实现变焦；

4）当画面达到3×时，利用主摄像头和长焦摄像头，产生3×无损照片；

5）当画面在3×至5×时，采用主摄像头和长焦摄像头配合的数码变焦实现工作；

6）当画面在5×时，使用800万长焦摄像头单独工作拍摄无损照片；

7）当画面在5×至10×时，仍然单独使用800万长焦摄像头实现数码变焦。

虽然从定义上，双/多定焦摄像头实现“光学变焦”本质上并不是光学变焦，但是从结果上达到了输出与光学变焦相同场景的效果。而局限于手机的特征，未来中短期内智能手机光学变焦仍将在双/多摄“光学变焦”上做创新。为了输出更高倍数的无损照片，未来势必会加入焦距更长的长焦摄像头，再通过算法实现与光学变焦素质相等的变焦。

今年4月上市的华为旗舰P30 Pro使用了一颗潜望式长焦摄像头，实现令人惊叹的10倍混合变焦与最高50倍数码变焦，无论是悬于树梢的明月，抑或海平线上的夕阳，以往遥不可及的美景，如今触手可得。九游会J9·(中国)真人游戏第一品牌预测，未来“超广角+广角或标准焦距+TOF+多个定焦长焦摄像头”将会成为趋势。

MIPI开关的作用

如前所述，手机变焦时需要在几个摄像头中切换，实现焦距从超广角到长焦的覆盖，满足用户一机走天下的要求。这其中摄像头的切换需要由MIPI开关来完成。一般手机平台的CSI(Camera Serial Interface)接口有限，不可能给每个摄像头都分配CSI接口，通过MIPI开关可以共享平台的CSI接口。

下面是MIPI开关在D-PHY协议下的典型应用：

MIPI开关也能应用于DSI (Display Serial Interface)接口，实现两个显示屏的切换。

MIPI开关的重要参数----带宽(-3dB)

高带宽在高像素摄像头上的优势

选择多大带宽的MIPI开关需要根据实际使用的摄像头的像素来确定，通用的算法如下(以2000万摄像头为例)：

每个像素点：10bit (比较通用)，2000万像素的输出采用D-PHY 4条数据通道，输出帧率为30fps，可以计算出每条数据通道的传输速率：

业界通常要求通道上MIPI开关的带宽(-3dB)要大于数据传输速率。当然MIPI开关的带宽越高，通过的信号衰减越小。同样的，可以得到摄像头像素与MIPI开关带宽要求的对比表：

AW35646的带宽高达4.5GHz，可以完美支持6000万超高像素。

一般来说30fps是可以接受的，基本上感觉不到画面的迟钝。但是如果将帧率提升至60fps，可以得到更流畅的画面，明显提升交互感和逼真感，所以现在的摄像头都提供几种不同帧率。

对于2000万像素的摄像头，根据上面的公式，可以计算帧率与带宽的关系：

对于2000万像素的摄像头，AW35646可以完美支持90fps的帧率。

高带宽对于板级设计的好处

在摄像头和AP图像信号处理单元(ISP)之间的传输线互连结构(TLIS)中，插入的模拟开关可被视为一个媒体信道，作为传输线互连结构的一部分。作为传输线互连结构的一种实现----印刷电路板(PCB)，是高速数据传输完整性设计中更重要、更困难的环节，需要尽量减少不连续点，从而实现阻抗匹配。

若传输线互连结构被允许的最大衰减为-6dB，如果使用3.0GHz带宽的开关，那么在3.0GHz的频率下，MIPI开关的衰减为-3dB，则传输线互连结构剩余部分允许的最大衰减仅为-3dB。但是如果使用4.5GHz带宽的开关AW35646，同样在3GHz的频率下，MIPI开关的衰减仅为-2dB，则传输线互连结构剩余部分允许的最大衰减为-4dB，为PCB的高速传输设计留下足够的余量，满足整个通道信号完整性的需要。

高带宽在眼图上的优势

通过对比3.0GHz、4.5GHz带宽的开关，在1Gbps、2Gbps、2.5Gbps数据速率下的眼图，并测量上升时间，说明高带宽开关在眼图上的优势。

仿真原理图如下：(原始信号上升/下降时间为0.2*UI)