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【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)




下面是具体的测试眼图


1Gbps码率的眼图



2Gbps码率的眼图



2.5Gbps码率的眼图


测试总结:


数据速率

4.5GHz带宽

上升时间

3.0GHz带宽

上升时间

1Gbps

175ps

198ps

2Gbps

121ps

144ps

3Gbps

102ps

135ps


➢1Gbps码率情况下,受制于信号本身的带宽限制,眼图的打开大小区别不大,4.5GHz带宽仅在上升时间上比3.0GHz快。


➢2Gbps码率情况下,眼图的打开大小趋于明显,4.5GHz带宽的信号质量更好。


➢2.5Gbps码率情况下,眼图的打开大小更加明显,4.5GHz高带宽的优势凸显,上升时间更短。


得益于4.5GHz高带宽的开关,相应输出信号的上升/下降时间更短,眼图张开的更大。



j9九游会真人游戏第一品牌通过严谨的市场调研,立足高起点,推出了高速四数据通道MIPI开关AW35646,具有业界领先的数据带宽4.5GHz,满足未来智能手机市场更高像素摄像头、更高数据传输速率的需求。


此款芯片集成了经过高速传输优化的10个单刀双掷开关(5个差分通道),非常适合2组4 lane或以下的MIPI数据传输和切换,低至25μA的静态功耗可满足手机等电子产品的低功耗要求。AW35646芯片提供晶圆级的封装WLCSP-36B。



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