再次梳理ISP的大致流程

前言：

随着智能手机的普及，相机与我们的生活越来越紧密相关。在日常生活中，我们只需要轻轻按下手机上的拍照按钮，就能记录下美好时刻。那么问题来了：从我们指尖按下拍照按钮到一张色彩丰富的照片呈现在我们面前，这期间到底经历了什么？

当我们按下拍照按钮，传感器所输出的原始数据（raw data）实际与我们想象的大不相同。由于镜头和传感器的特性，这些原始图像通常噪声大、颜色暗淡、亮度低，并不符合人眼的视觉特性。因此，需要手机的图像信号处理器（image signal processor，ISP）对原始数据进行处理。

▲ ISP处理前效果图

▲ ISP处理后效果图

本文将介绍手机是如何一步步将原始数据转换为大家所看到的彩色图像的，即ISP处理流程。

▲ ISP流程图1

▲ ISP流程图2 

▲ ISP流程图3  

这些都是典型的ISP流程图，但实际上ISP可以不同的顺序实施这些步骤，甚至可能更加复杂，但是都会以某种方式完成这些处理模块。

ISP是Image Signal Processor的缩写，全称是影像处理器。在相机成像的整个环节中，它负责接收感光元件（Sensor）的原始信号数据，可以理解为整个相机拍照、录像的第一步处理流程，对图像质量起着非常重要的作用。

ISP(ISP PipeLine)的功能比较杂，基本上跟图像效果有关的它都有份。它内部包含多个图像算法处理模块，其中比较有代表性的是：扣暗电流（去掉底电流噪声），线性化（解决数据非线性问题），shading（解决镜头带来的亮度衰减与颜色变化），去坏点（去掉sensor中坏点数据），去噪（去除噪声），demosaic（raw数据转为RGB数据），3A（自动白平衡，自动对焦，自动曝光），gamma（亮度映射曲线，优化局部与整体对比度），旋转（角度变化），锐化（调整锐度），缩放（放大缩小），色彩空间转换（转换到不同色彩空间进处理），颜色增强（可选，调整颜色），肤色增强（可选，优化肤色表现）等。

 图像成像过程：

景物通过 Lens 生成的光学图像投射到 sensor 表面上， 经过光电转换为模拟电信号， 消噪声后经过 A/D 转换后变为数字图像信号， 再送到数字信号处理芯片(DSP) 中加工处理。所以，从 sensor 端过来的图像是 Bayer 图像，经过黑电平补偿 (black level compensation)、镜头矫正 (lens shading correction)、坏像素矫正(bad pixel correction)、颜色插值 (demosaic)、Bayer 噪声去除、 白平衡(awb) 矫正，色彩矫正(color correction) 、 gamma 矫正、 色彩空间转换(RGB 转换为 YUV)、 在 YUV 色彩空间上彩噪去除与边缘加强、 色彩与对比度加强，中间还要进行自动曝光控制等， 然后输出 YUV(或者 RGB) 格式的数据， 再通过 I/O 接口传输到 CPU 中处理。

 ISP(Image Signal Processor)，即图像处理，主要作用是对前端图像传感器输出的信号做后期处理，主要功能有线性纠正、噪声去除、坏点去除、内插、白平衡、自动曝光控制等，依赖于ISP才能在不同的光学条件下都能较好的还原现场细节，ISP技术在很大程度上决定了摄像机的成像质量。它可以分为独立与集成两种形式。

上图，lens 将光信号投射到sensor 的感光区域后，sensor 经过光电转换，将Bayer 格式的原始图像送给ISP，ISP 经过算法处理，输出RGB空间域的图像给后端的视频采集单元。在这个过程中，ISP通过运行在其上的firmware（固件）对ISP逻辑，从而对lens 和sensor 进行相应控制，进而完成自动光圈、自动曝光、自动白平衡等功能。其中，firmware的运转靠视频采集单元的中断驱动。PQ Tools 工具通过网口或者串口完成对ISP 的在线图像质量调节。

ISP 由ISP逻辑及运行在其上的Firmware组成，逻辑单元除了完成一部分算法处理外，还可以统计出当前图像的实时信息。Firmware 通过获取ISP 逻辑的图像统计信息，重新计算，反馈控制lens、sensor 和ISP 逻辑，以达到自动调节图像质量的目的。

ISP 的Firmware 包含三部分，一部分是ISP 控制单元和基础算法库，一部分是AE/AWB/AF 算法库，一部分是sensor 库。Firmware 设计的基本思想是单独提供3A 算法库，由ISP 控制单元调度基础算法库和3A 算法库，同时sensor 库分别向ISP 基础算法库和3A 算法库注册函数回调，以实现差异化的sensor 适配。ISP firmware 架构如下图所示。

不同的sensor 都以回调函数的形式，向ISP 算法库注册控制函数。ISP 控制单元调度基础算法库和3A 算法库时，将通过这些回调函数获取初始化参数，并控制sensor，如调节曝光时间、模拟增益、数字增益，控制lens 步进聚焦或旋转光圈等。

AP对ISP的操控方式：
CPU处理器包括：AP、BP、CP。 BP：基带处理器、AP：应用处理器、CP：多媒体加速器

这里所说的控制方式是AP 对 ISP 的操控方式 。

I2C/SPI：这一般是外置 ISP 的做法。SPI 一般用于下载固件、I2C 一般用于寄存器控制。在内核的 ISP 驱动中，外置 ISP 一般是实现为 I2C 设备，然后封装成 V4L2-SUBDEV。

MEM MAP：这一般是内置 ISP 的做法。将 ISP 内部的寄存器地址空间映射到内核地址空间，

MEM SHARE：这也是内置 ISP 的做法。AP 这边分配内存，然后将内存地址传给 ISP，二者实际上共享同一块内存。因此 AP 对这段共享内存的操作会实时反馈到 ISP 端。

ISP的主要内部构成：

如下图所示，ISP内部包含 CPU、SUP IP、IF 等设备，事实上，可以认为 ISP 是一个 SOC（system of chip），可以运行各种算法程序，实时处理图像信号。

CPU：CPU 即中央处理器，可以运行 AF、LSC 等各种图像处理算法，控制外围设备。现代的 ISP 内部的 CPU 一般都是 ARM Cortex-A 系列的，例如 Cortex-A5、Cortex-A7。

SUB IP：SUB IP 是各种功能模块的通称，对图像进行各自专业的处理。常见的 SUB IP 如 DIS、CSC、VRA 等。

图像传输接口：图像传输接口主要分两种，并口 ITU 和串口 CSI。CSI 是 MIPI CSI 的简称，鉴于 MIPI CSI 的诸多优点，在手机相机领域，已经广泛使用 MIPI-CSI 接口传输图像数据和各种自定义数据。外置 ISP 一般包含 MIPI-CSIS 和 MIPI-CSIM 两个接口。内置 ISP 一般只需要 MIPI-CSIS 接口。

通用外围设备：通用外围设备指 I2C、SPI、PWM、UART、WATCHDOG 等。ISP 中包含 I2C 控制器，用于读取 OTP 信息，控制 VCM 等。对于外置 ISP，ISP 本身还是 I2C 从设备。AP 可以通过 I2C 控制 ISP 的工作模式，获取其工作状态等。