ISP基本框架及算法介紹
[導(dǎo)讀]???ISP(ImageSignalProcessor)，即圖像處理，主要作用是對(duì)前端圖像傳感器輸出的信號(hào)做后期處理，主要功能有線性糾正、噪聲去除、壞點(diǎn)去除、內(nèi)插、白平衡、自動(dòng)曝光控制等，依賴于ISP才能在不同的光學(xué)條件下都能較好的還原現(xiàn)場(chǎng)細(xì)節(jié)，ISP技術(shù)在很大程度上決定了攝像機(jī)...
? ? ? ISP(Image Signal Processor)，即圖像處理，主要作用是對(duì)前端圖像傳感器輸出的信號(hào)做后期處理，主要功能有線性糾正、噪聲去除、壞點(diǎn)去除、內(nèi)插、白平衡、自動(dòng)曝光控制等，依賴于ISP才能在不同的光學(xué)條件下都能較好的還原現(xiàn)場(chǎng)細(xì)節(jié)，ISP技術(shù)在很大程度上決定了攝像機(jī)的成像質(zhì)量。它可以分為獨(dú)立與集成兩種形式。
ISP 的Firmware 包含三部分，一部分是ISP 控制單元和基礎(chǔ)算法庫(kù)，一部分是AE/AWB/AF 算法庫(kù)，一部分是sensor 庫(kù)。Firmware 設(shè)計(jì)的基本思想是單獨(dú)提供3A 算法庫(kù)，由ISP 控制單元調(diào)度基礎(chǔ)算法庫(kù)和3A 算法庫(kù)，同時(shí)sensor 庫(kù)分別向ISP 基礎(chǔ)算法庫(kù)和3A 算法庫(kù)注冊(cè)函數(shù)回調(diào)，以實(shí)現(xiàn)差異化的sensor 適配。ISP firmware 架構(gòu)如下圖所示。不同的sensor 都以回調(diào)函數(shù)的形式，向ISP 算法庫(kù)注冊(cè)控制函數(shù)。ISP 控制單元調(diào)度基礎(chǔ)算法庫(kù)和3A 算法庫(kù)時(shí)，將通過(guò)這些回調(diào)函數(shù)獲取初始化參數(shù)，并控制sensor，如調(diào)節(jié)曝光時(shí)間、模擬增益、數(shù)字增益，控制lens 步進(jìn)聚焦或旋轉(zhuǎn)光圈等。
1. TestPattern------測(cè)試圖像? ? Test Pattern主要用來(lái)做測(cè)試用。不需要先在片上ROM存儲(chǔ)圖片數(shù)據(jù)，直接使用生成的測(cè)試圖像，用生成的測(cè)試圖像進(jìn)行后續(xù)模塊的測(cè)試驗(yàn)證。以下是常用的兩種測(cè)試圖像。
2. BLC(BlackLevel Correction)------黑電平校正
? ? ? ?Black Level 是用來(lái)定義圖像數(shù)據(jù)為 0 時(shí)對(duì)應(yīng)的信號(hào)電平。由于暗電流的影響， 傳感器出來(lái)的實(shí)際原始數(shù)據(jù)并不是我們需要的黑平衡（ 數(shù)據(jù)不為0） 。所以，為減少暗電流對(duì)圖像信號(hào)的影響，可以采用的有效的方法是從已獲得的圖像信號(hào)中減去參考暗電流信號(hào)，或者更確切是：模擬信號(hào)很微弱的時(shí)候，有可能不能被A/D轉(zhuǎn)換出來(lái)，導(dǎo)致光線很暗的時(shí)候，圖像暗區(qū)細(xì)節(jié)丟失。因此，sensor一般會(huì)在A/D轉(zhuǎn)換之前，給模擬信號(hào)一個(gè)偏移量，以確保輸出的圖像保留足夠多的細(xì)節(jié)。而黑電平校正主要是通過(guò)標(biāo)定的方式確定這個(gè)偏移量。使得后續(xù)ISP模塊的處理在保持線性一致性的基礎(chǔ)上進(jìn)行。
? ? ? ? 一般情況下， 在傳感器中，實(shí)際像素要比有效像素多， 像素區(qū)頭幾行作為不感光區(qū)（ 實(shí)際上， 這部分區(qū)域也做了 RGB 的 color filter） ， 用于自動(dòng)黑電平校正， 其平均值作為校正值， 然后在下面區(qū)域的像素都減去此矯正值， 那么就可以將黑電平矯正過(guò)來(lái)了。如下圖所示，左邊是做黑電平校正之前的圖像，右邊是做了黑電平校正之后的圖像。
? ? ? ? 黑電平校正是在一倍系統(tǒng)增益的情況下標(biāo)定計(jì)算而來(lái)，有些sensor在高倍增益和低倍增益時(shí)，OB相差會(huì)比較大。這個(gè)時(shí)候就需要獲取不同增益環(huán)境下的遮黑RAW數(shù)據(jù)，分析R/Gr/Gb/B四個(gè)通道下的mean值。分析出來(lái)的均值即為各個(gè)通道的OB值。如果需要微調(diào)，即可在標(biāo)定的OB上進(jìn)行。例如：低照度下偏藍(lán)，即可根據(jù)所在的ISO范圍將B通道的幅度增加，減輕偏藍(lán)現(xiàn)象。
? ? ?BLC原理及具體算法可以參考：ISP——BLC(Black Level Correction)
3.LSC(Lens Shade Correction)------鏡頭陰影校正? ? ?由于相機(jī)在成像距離較遠(yuǎn)時(shí)，隨著視場(chǎng)角慢慢增大，能夠通過(guò)照相機(jī)鏡頭的斜光束將慢慢減少，從而使得獲得的圖像中間比較亮，邊緣比較暗，這個(gè)現(xiàn)象就是光學(xué)系統(tǒng)中的漸暈。由于漸暈現(xiàn)象帶來(lái)的圖像亮度不均會(huì)影響后續(xù)處理的準(zhǔn)確性。因此從圖像傳感器輸出的數(shù)字信號(hào)必須先經(jīng)過(guò)鏡頭矯正功能塊來(lái)消除漸暈給圖像帶來(lái)的影響。同時(shí)由于對(duì)于不同波長(zhǎng)的光線透鏡的折射率并不相同，因此在圖像邊緣的地方，其R、G、B的值也會(huì)出現(xiàn)偏差，導(dǎo)致CA(chroma aberration)的出現(xiàn)，因此在矯正漸暈的同時(shí)也要考慮各個(gè)顏色通道的差異性。
? ? 常用的鏡頭矯正的具體實(shí)現(xiàn)方法是，首先確定圖像中間亮度比較均勻的區(qū)域，該區(qū)域的像素不需要做矯正；以這個(gè)區(qū)域?yàn)橹行?，?jì)算出各點(diǎn)由于衰減帶來(lái)的圖像變暗的速度，這樣就可以計(jì)算出相應(yīng)R、G、B通道的補(bǔ)償因子(即增益)。下圖左邊圖像是未做鏡頭陰影校正的，右邊圖像是做了鏡頭陰影校正的。
? ? 出于節(jié)約成本的考慮以及尺寸方面的原因，手機(jī)相機(jī)鏡頭向小型化和低成本方向發(fā)展。由于攝像頭尺寸小，制造材料品質(zhì)低，拍攝的圖像在靠近邊緣處會(huì)出現(xiàn)亮度衰減的現(xiàn)象。因此要對(duì) Bayer raw 圖像進(jìn)行鏡頭衰減校正，以降低計(jì)算負(fù)荷。使用 LUT 分段線性近似法代替模擬曲線和多項(xiàng)式運(yùn)算。每種顏色都有自己的 LUT，因此亮度衰減和色偏問(wèn)題可同時(shí)得到解決。
? ?針對(duì)不同增益下的LSC校正強(qiáng)度也會(huì)有所不一樣。低照度下相對(duì)會(huì)比正常光照情況下校正強(qiáng)度要小一些。因此，ISP會(huì)預(yù)留接口以便對(duì)不同增益下的LSC強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)整。抑或者預(yù)留接口控制圖像不同區(qū)域的LSC校正強(qiáng)度。例如：從中心區(qū)域開始往圖像四周校正強(qiáng)度逐級(jí)減弱。
? ? ?具體算法原理可以參考：ISP之LSC? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? LSC校準(zhǔn)原理? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? LSC校準(zhǔn)前后結(jié)果對(duì)比
4.DPC(Bad Point Correction)------壞點(diǎn)校正? ? ?所謂壞點(diǎn)，是指像素陣列中與周圍像素點(diǎn)的變化表現(xiàn)出明顯不同的像素，因?yàn)閳D像傳感器是成千上萬(wàn)的元件工作在一起，因此出現(xiàn)壞點(diǎn)的概率很大。一般來(lái)講，壞點(diǎn)分為三類：第一類是死點(diǎn)，即一直表現(xiàn)為最暗值的點(diǎn)；第二類是亮點(diǎn)，即一直表現(xiàn)為最亮值的點(diǎn)：第三類是漂移點(diǎn)，就是變化規(guī)律與周圍像素明顯不同的像素點(diǎn)。由于圖像傳感器中CFA的應(yīng)用，每個(gè)像素只能得到一種顏色信息，缺失的兩種顏色信息需要從周圍像素中得到。如果圖像中存在壞點(diǎn)的話，那么壞點(diǎn)會(huì)隨著顏色插補(bǔ)的過(guò)程往外擴(kuò)散，直到影響整幅圖像。因此必須在顏色插補(bǔ)之前進(jìn)行壞點(diǎn)的消除。
? ? 鹽椒噪聲是一種在圖像中產(chǎn)生黑點(diǎn)或白點(diǎn)的脈沖噪聲，這類噪聲往往和圖像信號(hào)內(nèi)容不相關(guān)，與鄰域周邊像素灰度值差別明顯。中值濾波能夠較好的濾除鹽椒噪聲（沖激噪聲）。對(duì)于Sensor壞點(diǎn)來(lái)說(shuō)，在一定程度上也可以看做是鹽椒噪聲，因此，壞點(diǎn)校正也可以使用中值濾波進(jìn)行濾除。
? ?算法基本原理：
? ? ? 以圖1．10中P4點(diǎn)為例，壞點(diǎn)消除基本過(guò)程為：首先計(jì)算該像素點(diǎn)與周圍像素點(diǎn)像素值的差：? ? ? 設(shè)定一個(gè)閾值，作為判斷的標(biāo)準(zhǔn)。判斷各個(gè)方向上的差值跟閾值的關(guān)系，如果都大于閾值的話，就表明該點(diǎn)像素值與周圍像素點(diǎn)的差別較大，就可以確定該像素點(diǎn)為壞點(diǎn)，否則該像素就為正常的像素點(diǎn)，可以進(jìn)行下一個(gè)像素點(diǎn)的處理。
? ? ? 若判斷出某點(diǎn)為壞點(diǎn)，接下來(lái)進(jìn)行對(duì)其的校正，過(guò)程如下：計(jì)算該點(diǎn)各個(gè)方向上的導(dǎo)數(shù)：? ? ?確定出該值最小的方向，表明該像素點(diǎn)需要在該方向上進(jìn)行補(bǔ)償，則按照下面的公式對(duì)該像素進(jìn)行補(bǔ)償，即若假設(shè)有
((DV<=DH)
ISP 的Firmware 包含三部分，一部分是ISP 控制單元和基礎(chǔ)算法庫(kù)，一部分是AE/AWB/AF 算法庫(kù)，一部分是sensor 庫(kù)。Firmware 設(shè)計(jì)的基本思想是單獨(dú)提供3A 算法庫(kù)，由ISP 控制單元調(diào)度基礎(chǔ)算法庫(kù)和3A 算法庫(kù)，同時(shí)sensor 庫(kù)分別向ISP 基礎(chǔ)算法庫(kù)和3A 算法庫(kù)注冊(cè)函數(shù)回調(diào)，以實(shí)現(xiàn)差異化的sensor 適配。ISP firmware 架構(gòu)如下圖所示。不同的sensor 都以回調(diào)函數(shù)的形式，向ISP 算法庫(kù)注冊(cè)控制函數(shù)。ISP 控制單元調(diào)度基礎(chǔ)算法庫(kù)和3A 算法庫(kù)時(shí)，將通過(guò)這些回調(diào)函數(shù)獲取初始化參數(shù)，并控制sensor，如調(diào)節(jié)曝光時(shí)間、模擬增益、數(shù)字增益，控制lens 步進(jìn)聚焦或旋轉(zhuǎn)光圈等。
1. TestPattern------測(cè)試圖像? ? Test Pattern主要用來(lái)做測(cè)試用。不需要先在片上ROM存儲(chǔ)圖片數(shù)據(jù)，直接使用生成的測(cè)試圖像，用生成的測(cè)試圖像進(jìn)行后續(xù)模塊的測(cè)試驗(yàn)證。以下是常用的兩種測(cè)試圖像。
2. BLC(BlackLevel Correction)------黑電平校正
? ? ? ?Black Level 是用來(lái)定義圖像數(shù)據(jù)為 0 時(shí)對(duì)應(yīng)的信號(hào)電平。由于暗電流的影響， 傳感器出來(lái)的實(shí)際原始數(shù)據(jù)并不是我們需要的黑平衡（ 數(shù)據(jù)不為0） 。所以，為減少暗電流對(duì)圖像信號(hào)的影響，可以采用的有效的方法是從已獲得的圖像信號(hào)中減去參考暗電流信號(hào)，或者更確切是：模擬信號(hào)很微弱的時(shí)候，有可能不能被A/D轉(zhuǎn)換出來(lái)，導(dǎo)致光線很暗的時(shí)候，圖像暗區(qū)細(xì)節(jié)丟失。因此，sensor一般會(huì)在A/D轉(zhuǎn)換之前，給模擬信號(hào)一個(gè)偏移量，以確保輸出的圖像保留足夠多的細(xì)節(jié)。而黑電平校正主要是通過(guò)標(biāo)定的方式確定這個(gè)偏移量。使得后續(xù)ISP模塊的處理在保持線性一致性的基礎(chǔ)上進(jìn)行。
? ? ? ? 一般情況下， 在傳感器中，實(shí)際像素要比有效像素多， 像素區(qū)頭幾行作為不感光區(qū)（ 實(shí)際上， 這部分區(qū)域也做了 RGB 的 color filter） ， 用于自動(dòng)黑電平校正， 其平均值作為校正值， 然后在下面區(qū)域的像素都減去此矯正值， 那么就可以將黑電平矯正過(guò)來(lái)了。如下圖所示，左邊是做黑電平校正之前的圖像，右邊是做了黑電平校正之后的圖像。
? ? ? ? 黑電平校正是在一倍系統(tǒng)增益的情況下標(biāo)定計(jì)算而來(lái)，有些sensor在高倍增益和低倍增益時(shí)，OB相差會(huì)比較大。這個(gè)時(shí)候就需要獲取不同增益環(huán)境下的遮黑RAW數(shù)據(jù)，分析R/Gr/Gb/B四個(gè)通道下的mean值。分析出來(lái)的均值即為各個(gè)通道的OB值。如果需要微調(diào)，即可在標(biāo)定的OB上進(jìn)行。例如：低照度下偏藍(lán)，即可根據(jù)所在的ISO范圍將B通道的幅度增加，減輕偏藍(lán)現(xiàn)象。
? ? ?BLC原理及具體算法可以參考：ISP——BLC(Black Level Correction)
3.LSC(Lens Shade Correction)------鏡頭陰影校正? ? ?由于相機(jī)在成像距離較遠(yuǎn)時(shí)，隨著視場(chǎng)角慢慢增大，能夠通過(guò)照相機(jī)鏡頭的斜光束將慢慢減少，從而使得獲得的圖像中間比較亮，邊緣比較暗，這個(gè)現(xiàn)象就是光學(xué)系統(tǒng)中的漸暈。由于漸暈現(xiàn)象帶來(lái)的圖像亮度不均會(huì)影響后續(xù)處理的準(zhǔn)確性。因此從圖像傳感器輸出的數(shù)字信號(hào)必須先經(jīng)過(guò)鏡頭矯正功能塊來(lái)消除漸暈給圖像帶來(lái)的影響。同時(shí)由于對(duì)于不同波長(zhǎng)的光線透鏡的折射率并不相同，因此在圖像邊緣的地方，其R、G、B的值也會(huì)出現(xiàn)偏差，導(dǎo)致CA(chroma aberration)的出現(xiàn)，因此在矯正漸暈的同時(shí)也要考慮各個(gè)顏色通道的差異性。
? ? 常用的鏡頭矯正的具體實(shí)現(xiàn)方法是，首先確定圖像中間亮度比較均勻的區(qū)域，該區(qū)域的像素不需要做矯正；以這個(gè)區(qū)域?yàn)橹行?，?jì)算出各點(diǎn)由于衰減帶來(lái)的圖像變暗的速度，這樣就可以計(jì)算出相應(yīng)R、G、B通道的補(bǔ)償因子(即增益)。下圖左邊圖像是未做鏡頭陰影校正的，右邊圖像是做了鏡頭陰影校正的。
? ? 出于節(jié)約成本的考慮以及尺寸方面的原因，手機(jī)相機(jī)鏡頭向小型化和低成本方向發(fā)展。由于攝像頭尺寸小，制造材料品質(zhì)低，拍攝的圖像在靠近邊緣處會(huì)出現(xiàn)亮度衰減的現(xiàn)象。因此要對(duì) Bayer raw 圖像進(jìn)行鏡頭衰減校正，以降低計(jì)算負(fù)荷。使用 LUT 分段線性近似法代替模擬曲線和多項(xiàng)式運(yùn)算。每種顏色都有自己的 LUT，因此亮度衰減和色偏問(wèn)題可同時(shí)得到解決。
? ?針對(duì)不同增益下的LSC校正強(qiáng)度也會(huì)有所不一樣。低照度下相對(duì)會(huì)比正常光照情況下校正強(qiáng)度要小一些。因此，ISP會(huì)預(yù)留接口以便對(duì)不同增益下的LSC強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)整。抑或者預(yù)留接口控制圖像不同區(qū)域的LSC校正強(qiáng)度。例如：從中心區(qū)域開始往圖像四周校正強(qiáng)度逐級(jí)減弱。
? ? ?具體算法原理可以參考：ISP之LSC? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? LSC校準(zhǔn)原理? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? LSC校準(zhǔn)前后結(jié)果對(duì)比
4.DPC(Bad Point Correction)------壞點(diǎn)校正? ? ?所謂壞點(diǎn)，是指像素陣列中與周圍像素點(diǎn)的變化表現(xiàn)出明顯不同的像素，因?yàn)閳D像傳感器是成千上萬(wàn)的元件工作在一起，因此出現(xiàn)壞點(diǎn)的概率很大。一般來(lái)講，壞點(diǎn)分為三類：第一類是死點(diǎn)，即一直表現(xiàn)為最暗值的點(diǎn)；第二類是亮點(diǎn)，即一直表現(xiàn)為最亮值的點(diǎn)：第三類是漂移點(diǎn)，就是變化規(guī)律與周圍像素明顯不同的像素點(diǎn)。由于圖像傳感器中CFA的應(yīng)用，每個(gè)像素只能得到一種顏色信息，缺失的兩種顏色信息需要從周圍像素中得到。如果圖像中存在壞點(diǎn)的話，那么壞點(diǎn)會(huì)隨著顏色插補(bǔ)的過(guò)程往外擴(kuò)散，直到影響整幅圖像。因此必須在顏色插補(bǔ)之前進(jìn)行壞點(diǎn)的消除。
? ? 鹽椒噪聲是一種在圖像中產(chǎn)生黑點(diǎn)或白點(diǎn)的脈沖噪聲，這類噪聲往往和圖像信號(hào)內(nèi)容不相關(guān)，與鄰域周邊像素灰度值差別明顯。中值濾波能夠較好的濾除鹽椒噪聲（沖激噪聲）。對(duì)于Sensor壞點(diǎn)來(lái)說(shuō)，在一定程度上也可以看做是鹽椒噪聲，因此，壞點(diǎn)校正也可以使用中值濾波進(jìn)行濾除。
? ?算法基本原理：
? ? ? 以圖1．10中P4點(diǎn)為例，壞點(diǎn)消除基本過(guò)程為：首先計(jì)算該像素點(diǎn)與周圍像素點(diǎn)像素值的差：? ? ? 設(shè)定一個(gè)閾值，作為判斷的標(biāo)準(zhǔn)。判斷各個(gè)方向上的差值跟閾值的關(guān)系，如果都大于閾值的話，就表明該點(diǎn)像素值與周圍像素點(diǎn)的差別較大，就可以確定該像素點(diǎn)為壞點(diǎn)，否則該像素就為正常的像素點(diǎn)，可以進(jìn)行下一個(gè)像素點(diǎn)的處理。
? ? ? 若判斷出某點(diǎn)為壞點(diǎn)，接下來(lái)進(jìn)行對(duì)其的校正，過(guò)程如下：計(jì)算該點(diǎn)各個(gè)方向上的導(dǎo)數(shù)：? ? ?確定出該值最小的方向，表明該像素點(diǎn)需要在該方向上進(jìn)行補(bǔ)償，則按照下面的公式對(duì)該像素進(jìn)行補(bǔ)償，即若假設(shè)有
((DV<=DH)
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