CMOS Sensor的曝光与读出时序

date
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
summary
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。
type
Post
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:
notion image
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。

参考文档:


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