CMOS Sensor的曝光与读出时序
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May 30, 2022
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2022-05-30-cmos-image-sensor-exposure-readout-timing
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Image Sensor
硬件
音视频
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通过对网络上收集资料的学习，整理了CMOS Image Sensor的曝光和读出的时序。
很长时间没有自己动手调试CMOS Sensor的驱动程序了，这两天开始配合调试Sony IMX662和IMX585两个Sensor DOL HDR模式下的驱动，关于CMOS工作时序的概念有点模糊了，在这里重新基于对网上资料的学习总结一下。
首先要搞清楚一个对于CMOS Sensor而言很重要的一个概念：Line Time。
所谓的Line Time实际上很简单：实际上就是Sensor向ISP输出一行图像数据（包括每行前面和后面的Blank）所用的时间。这个时间与很多因素有关，包括pixel clock、分辨率大小（尤其是图像宽度包含多少列像素）、每行前后blank数量多少、MIPI Lane的数量等等。
- Line Time最简单的计算公式：line_time = line_length / pclk。
Line Time之所以重要，是因为后续的曝光时间都是以Line Time为单位的，而不是以实际的us、ms等绝对时间为单位的。
自动曝光的AE算法因为要保证算法本身的通用性，所以一般AE算法计算出来的曝光时间都是以us等为单位的绝对时间。但是这个绝对时间要设置到Sensor的寄存器中，就需要做一个us到Line time的转换才行。
下图（来自参考文档1）就是CMOS Sensor像素曝光和读出的示意图，横坐标的T正是以上面介绍的Line Time为单位，而纵坐标则是图像的每一行：
可以看到对于CMOS图像而言，每一行像素的起始曝光时间、终止曝光时间和读出时间的时隙都是不同的。但是各行像素的曝光时长是一致的。
- 首先是第一行像素开始曝光，曝光时间长度为5个Line Time（T0-T5）；从T5开始这行像素向ISP的输出，输出时间就是1个Line time。因此在T6时间第一行时间完成向ISP的输出。
- 第一行像素开始曝光后的一个Line Time后，第二行像素开始曝光（T1），第二行像素的曝光时间窗口是T1-T6；第二行像素从T6时间开始向ISP输出（这个时候第一行像素刚好输出完成），经过一个Line Time后在T7时间完成向ISP的输出。
- 后面的像素行依次类推。
因此，总结起来，CMOS Sensor曝光和读出的时序就是：
- 每一行像素的开始曝光时间和停止曝光时间都是不同的，但是每一行像素的曝光时长是一样的，这就确保了在光源稳定的情况下各行得到的曝光量基本上是一致的。
- 每一行像素的开始曝光时间都比前一行像素晚一个Line Time，终止曝光时间同样比前一行像素晚一个Line Time；
- 每一行像素曝光完成后立即向ISP输出，每一行像素的输出时间都是固定的一个Line time。