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基于Blackfin的圖像處理及其性能與CMOS傳感器中ISP的比較

2011-05-29

                                基于Blackfin的圖像處理及其性能與CMOS傳感器中ISP的比較

       在這里，傳統的處理器供應商如ADI、TI、NXP等具有不可替代的競爭力。其中ADI公司專為滿足當今嵌入式音視頻和通信應用的計算要求及功耗約束條件而設計的新型嵌入式處理器Blackfin系列以其突出的性能表現而格外搶眼。

      圖像是人類獲取和交換信息的主要來源，因此，圖像處理的應用領域必然涉及到人類生活和工作的方方面面。隨著人類活動范圍的不斷擴大，圖像處理的應用領域也將隨之不斷擴大。遍布航天航空、醫療設備、通信工程、軍事安防、文化藝術等眾多方面。近年來，隨著消費類產品尤其是拍照手機、數碼相機、數碼攝像機等一系列數碼產品的問世，這些視頻設備中蘊含的圖像信號處理功能也逐漸被人們所認知和關注。而伴隨近年來數字電視、IP攝像機、網絡攝像頭以及監控攝像頭這類安防產品的迅速發展，更表明市場對智能監控需求的不斷增長，這也是圖像信號處理技術不斷豐富和完善的過程。在這些圖像信號處理中，包括自動對焦、自動曝光、自動白平衡以及顏色變換、背光補償等都是一些基本的圖像處理算法。

      傳統的圖像信號處理是通過專用的圖像處理器完成的。而隨著CMOS技術的不斷發展，也出現了將圖像信號處理（ISP）內置于CMOS圖像傳感器中的單芯片產品，這類傳感器產品可借助其內部集成的功能模塊完成一些圖像信號處理的算法，包括自動曝光、自動白平衡、顏色變換等這些基本的算法。這類ASIC產品的出現曾一度頗具爭議，因為雖然將ISP內置于傳感器中具有降低功耗和節省占用面積的優點，但單就手機應用而言，從成本來講，將ISP集成在傳感器上的成本比ISP集成在移動多媒體處理器或基帶上要高很多。隨著傳感器分辨率的提高，越來越多的傳感器將只整合輸出數字信號所必需的電路，而將圖像處理及壓縮等功能集成于移動多媒體處理器或基帶中。而從成像質量來看，在移動多媒體處理器中集成功能強大的圖像處理功能效果更佳，而且此趨勢隨分辨率的提高會愈加明顯。所以業界一直有ISP與CMOS傳感器將背離集成的趨勢預言。但從近年來的CMOS傳感器供應商推出的新產品線來看，這一預言未能兌現。因為我們看到，不斷有一線的CMOS傳感器供應商如Aptina、OmniVision推出新的內置ISP的CMOS圖像傳感器單芯片產品，并在不斷完善其功能、擴展其應用領域。目前已推出的這類單芯片產品除擁有包括曝光控制、伽瑪校正、白平衡、色彩飽和度調節以及灰度控制等多種圖像處理功能外，還可提供出色的低照度性能，在夜視環境下還具有優異的近紅外響應性能，能為攝像頭制造商提供更完善的自動白平衡和自動曝光功能，圖像性能毫不遜色。一系列優異性能使其已由初始的拍照手機、數碼相機、數碼攝像機應用逐漸發展到網絡攝像頭、監控攝像頭等新興安防產品領域，其擴張態勢仍在繼續，大有星火燎原之勢。

      應該說在數碼相機等追求小巧輕薄的消費類產品應用中，內置ISP的CMOS傳感器存在一定的競爭優勢，低功耗和小面積的表現以及隨生產規模而不斷降低的成本使其成為眾多應用廠商的寵兒。在這同時我們要看到，這種內置ISP的CMOS傳感器方案目前還只能完成一些不太復雜的算法，而隨著智能化要求的不斷提高，消費類產品，尤其是視頻監控等安防產品都要求更高的視頻處理功能，也就要求更復雜的算法，而復雜的算法對主芯片的處理能力提出更高的要求。如傳統上許多監控攝像機基于像素分辨率為NTSC(352×240)或PAL(352×288)的準普通媒體格式(CIF)，同時在壓縮格式方面主要采用了不太復雜的M-JPEG格式，從而對DSP處理性能要求不高。但是隨著視頻監控市場的迅速發展，人們期待更高的圖像清晰度和更高的幀率。在分辨率方面，業界期待D1（704×576）或者更高的解析度；在編解碼方面，則期待采用復雜的MPEG-4壓縮格式。同時，隨著網絡互聯的發展，當DVR、DVS或者IP攝像機作為網絡終端時，還需要考慮如何在傳輸過程中占用更少的帶寬，因此MPEG-4正在向壓縮比更高的H.264和AVS的編碼格式演進。而這些更為先進的視頻信號分辨率和壓縮格式則會大大提高對核心處理器中處理能力的需求。除了強大的處理能力之外，還需要處理器平臺提供足夠的靈活性。從目前來看，在壓縮格式方面雖然H.264受業界青睞，有望成為未來幾年的的主流。但是，由于M-JPEG、H.263、MPEG4和H.264等編解碼算法各有優勢，再加上市場需求的多元化，這些標準將會在一段時間內共存。要使方案具有競爭力，必須對盡可能多的標準給予支持。同時，媒體處理格式和算法也在不斷更新，當更為先進的算法出現時，工程師希望只需在原有解決方案基礎上進行基于軟件的簡便的升級，而不是重新設計。同時，視頻監控又有其對保密性等安全技術的特殊要求，無論是商業還是家庭應用，設備本身都存在著被非法侵入和黑客攻擊的威脅，要充分保障設備的安全性對產品設計無疑是很大的挑戰。在這時，內置ISP的單芯片CMOS傳感器產品就顯示出先天不足的缺點，因其尚不能完成如此復雜的功能，而要配備單獨的圖像處理器才能滿足要求。ASIC雖然具有成本優勢，但是在應對媒體格式、算法的改進和升級方面則具有天生的弊端，在音視頻標準不斷演進以及算法不斷改進的視頻監控市場，ASIC顯得遜色很多。