sensor曝光基本原理

sensor曝光分为逐行曝光和全局曝光。逐行曝光的sensor 技术难度较全局曝光sensor 低,价格便宜,且分辨率较大,对于一些静态图像拍摄是不错的选择。

先看看,什么是帧?

简单来说,一帧就是一副图像。显示器上面我们看到的画面就是一帧一帧的显示的。只不过显示的速度足够快,人眼以为画面是运动的。

(说个现实中的例子,我们看武打片经常看到慢动作或者快动作,它们都是怎么实现的呢?简单来说就是,比如导演拍摄的时候以一秒30帧来拍摄的,播放给观众看的时候,如果以一秒15帧的速度播放,观众看起来就是快放;如果以每秒60帧的速度播放,观众看起来就是慢放。)

具体地,在将光信号转换为电信号的扫描过程中,扫描总是从图像的左上角开始,水平向前行进,同时扫描点也以较慢的速率向下移动。当扫描点到达图像右侧边缘时,扫描点快速返回左侧,重新开始在第1行的起点下面进行第2行扫描,行与行之间的返回过程称为水平消隐(也叫行消隐,H_BLANK)。一幅完整的图像扫描信号,是由水平消隐间隔分开的行信号序列构成,称为一帧。

如下图所示,是一帧的结构图,在最下面部分有一部分是V_BLANK。V_BLANK的由来是因为扫描点扫描完一帧后,要从图像的右下角返回到图像的左上角,开始新一帧的扫描,会有一段间隔时间,这一时间间隔,叫做垂直消隐(也称场消隐,V_BLANK),V_BLANK的作用通常用来调节帧率。

帧结构示意图

sensor逐行曝光基本原理

sensor逐行曝光从第一行开始曝光,一个行周期结束之后第二行才开始曝光。依次类推,经过N-1 行后第N 行开始曝光。第一行曝光结束后开始读出数据,读出一行需要一行周期时间(含行消隐时间,即H_Blank)。至第一行完全读出后,第二行刚好开始读出,依次类推,当第N-1 行读完后,第N 行开始读出,直到整幅图像完全读出。

sensor逐行曝光过程

sensor全局曝光基本原理

全局曝光Sensor的所有行同时开始曝光,并同时结束曝光,在曝光结束后,Sensor将所有电子从感光区转到存储区,之后逐行地读出像素数据。 这样曝光的好处是获得图像每一行的曝光时间比较一致,并且在拍摄运动物体时图像不会出现偏移和歪斜。

sensor全局曝光过程

与sensor曝光相关的计算

1. line_time的计算:

line_time的计算公式:line_time = line_length / pclk

和这个公式相关的是下面三个变量的定义先说下

    a). line_length: 一行的长度(包含h_blank, h_blank变化,line_time也会变化,帧率也会变化)

    b). pclk: 是控制像素输出的时钟,即pixel采样时钟,一个clk采集一个像素点 , 单位MHz。表示是每个单位时间内(每秒)采样的pixel数量

    c). line_time: 曝光一行的时间

所以,曝光一行的时间等于一行的长度除以曝光一个像素需要的时间。

如果你不能理解,简单类比一下我们小学学过的距离计算公式:路程 = 速度 × 时间。要计算小明跑完400米操场花了多长时间,是不是可以拿小明跑步的路程400米除以小明每秒钟跑步的距离来计算。那么,把跑道换成一个个排列起来的像素不也是一样的吗?linetime就相当于上面要计算的小明跑完400米要花的时间,line_length就相当于400米的路程,pclk就相当于跑步的速度,每个单位时间小明能跑多远。

2. exposure_time的计算:

exposure_time的计算公式:exposure_time = exposure_line * line_time

同样和这个公式有关的几个定义先说下:

    a). exposure_time: 曝光时间。指这一帧曝光了多长时间。

    b). exposure_line: 字面意思是曝光行。值得注意的是,曝光行不是指一次性曝光多少行,对于逐行曝光的sensor来说,永远都是一次曝光一行。所以,曝光行是指这一帧曝光了多少行。

    c): line_time: 曝光一行的时间

所以,可以用line_time即曝光一行的时间,乘以曝光了的行数exposure_line,等于整个曝光花费的时间。

注:

1) 调节exposure_time曝光时间是通过写exposure_line寄存器实现的;

2) 曝光时间以行长为单位

3) 一般我们要求曝光时间是10ms的整数倍,不然会有flicker现象。原因是我国的交流电的频率是50Hz, 一个完整的正弦波周期的时间20ms, 正弦波的上下均一样,取一半,所以曝光时间要是10ms的整数倍

3. fps帧率的计算:

frame_length = Vsync = Dummy Line = VTotal = VTS = V_Size + V_Blank  // 帧长;  不占用曝光时间,即可以通过调节V_Blank,调节帧长,从而改变帧率,但不会改变画面的亮度(曝光)

line_length = Hsync = Dummy Pixel = HTotal = HTS = H_Size + H_Blank // 行长;    会占用曝光时间,即可以通过调节H_Blank, 调节行长

fps的计算公式:fps =  pclk / (VTS * HTS )= pclk / (frame_length * line_length) = 1 / (frame_length * line_time)

注:fps即表示1秒内帧数,此公式中line_time单位是秒

同样和这个公式有关的几个定义先说下:

    a). pclk: 是控制像素输出的时钟,即pixel采样时钟,单位MHz。表示是每个单位时间内采样的pixel数量

    b). frame_length:  一帧的行数(包含v_blank)

    c). line_length: 一行的长度(包含h_blank)

这里frame_length * line_length的意思是用一帧的行数乘以一行的长度,即相乘得到一帧图像总共有多少像素。pclk是像素时钟,单位是MHz。如100MHz,就表示每秒钟可以采集100M个像数。用pclk除以frame_length * line_length两者之积,即是算1秒钟内采集的100M个像数点可以分成多少帧(frame_length * line_time = 一帧的时间)。

注:

1). line_time一组setting只有一个值,一般是不变的,可看做常数,所以调节帧率是通过写frame_length寄存器,即调节frame_length实现的。

2). 同理,回到上一个知识点 2. exposure_time的计算:可以发现,exposure_time = exposure_line * line_time,而line_time一般是常数。所以,调节exposure_time曝光时间是通过写exposure_line寄存器实现的,即通过写曝光实现。

4.其他相关(V_Blank、dummy_line、frame_offset)

dummy_line:用来填充v_blank的行。

frame_offset:最小的dummy_line,是指一帧曝光结束到下次准备好重新开始曝光的时间

1. 几个公式

frame_length = exposure_line + dummy_line

frame_length ≥ exposure_line +frame_offset

min_shutter<= shutter <= frame_length- frame_offset

5.帧长的计算方式

回顾上述几点,我们知道一帧的计算方式:

1). frame_length(帧长) = exposure_line(曝光行) + dummy_line

2). frame_offset是指最小的dummy_line。

dummy_line = dummy_line > frame_offset? > dummy _line : frame_offset

3). Max Exposure = VTS - frame_offset

6. 索尼sony也有自己的计算方式,但是本质是一样的: (IMX307为例)

1). VMAX(帧长,同VTS一个概念) = exposure_line(曝光行)  + (SHS1 + 1)

2). SHS1本意是表示Shutter释放的时机,以XVS信号为参照系,SHS1的值越大,说明Shutter释放得越晚,即dummy_line越大,曝光行越少. 该公式及说明记载于Datasheet p.77

3). 结合第5点和第6点,我们可以知道。dummy_line = SHS1+1

4). 对于IMX307这颗sensor来说,SHS1的范围为1~(VMAX-2),记载于Datasheet p.78的表格

即dummy_line的范围为2 ~ (VMAX-1), 即frame_offset的值为2。

7. 其他说明

1). MIPI rate与PCLK无关

2). MIPI rate只与有效像素点有关。

比如,在4K(3840*2160) 60fps场景中,使用3Trio CPHY,可以使用的最小的mipi rate为:726Msps/trio

公式: Mipi rate =每个trio每秒传输的数量量 = 每秒的有效数据量 / 每个trio的symbol / 3 trio 。

每秒的有效数据量 = 3840 × 2160 × 60 × 10bit = 4976Mbit;

每个symbol = 16 / 7 bit,即1 Sym = 16 / 7 bit;

对于3 Trio的CPHY,每Trio每秒的传输速率 = 4976Mbit  / (16 / 7) bit  per sym / 3 trio / 秒 = 726M  per sym / 秒  per Trio = 726Msps / Trio

注:

1). A MIPI C-PHY lane is known as a Trio.

2). 16 / 7 的含义:C-PHY传输单位是symbol,16bit编码成7个symbol,所以1个symbol=16/7 bits.

3). MIPI C-PHY在走3条lane传输的情况下,每条lane使用3线的传输模式,速率为2.5G symbol/s(V1.0),这样的模式可以实现每个symbol传输2.28个bits,可实现高达2.28×2.5×3=17.1G bps的带宽

4). 实例:

MIPI rate配置相关寄存器为:0x0312(分频)和 0x0310(倍频)

当前配置:{0x0312, 0x0001},   {0x0310, 0x015E}

注:写入0x0312寄存器的值是2的次方倍,这里是1,所以是2倍分频。

主输入时钟(MCLK)为24MHz,分频后为12MHz,倍频后为12MHz × 0x15E = 4200MHz = 4200MHz,转换成mipi rate, 除以2 就是2100Msps

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