【導(dǎo)讀】在談到成像或具體到手機(jī)拍照時(shí)，通常市場(chǎng)更關(guān)注的是攝像頭模組本身，或者其中最核心的 CMOS 圖像傳感器（CIS）。當(dāng)前，智能手機(jī) CIS 市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)仍然非常激烈，更多需求正從 8 英寸 wafer 轉(zhuǎn)向 12 英寸，同時(shí)隨著 4000 萬(wàn)像素以上的 CIS 需求提升，像素工藝節(jié)點(diǎn)也在變小。
在談到成像或具體到手機(jī)拍照時(shí)，通常市場(chǎng)更關(guān)注的是攝像頭模組本身，或者其中最核心的 CMOS 圖像傳感器（CIS）。當(dāng)前，智能手機(jī) CIS 市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)仍然非常激烈，更多需求正從 8 英寸 wafer 轉(zhuǎn)向 12 英寸，同時(shí)隨著 4000 萬(wàn)像素以上的 CIS 需求提升，像素工藝節(jié)點(diǎn)也在變小。
這一改變，這對(duì)于手機(jī) CIS 市場(chǎng)份額第一的索尼而言，恐怕算不上是一個(gè)好消息。今年 8 月，Twitter 上出現(xiàn)一組消息源未經(jīng)考證的數(shù)據(jù)，指出今年第一、二季度，三星與索尼的圖像傳感器市場(chǎng)份額縮短到有史以來(lái)的最接近。索尼圖像傳感器在今年第二季度的市場(chǎng)份額下探至 42.5%，三星上升到 21.7%。在《國(guó)際電子商情》來(lái)看，這與三星乃至更多市場(chǎng)參與者，如 SK 海力士，在高像素相關(guān)的制程工藝上的優(yōu)勢(shì)有關(guān)。
成像市場(chǎng)的價(jià)值恐怕正在發(fā)生一場(chǎng)轉(zhuǎn)變。由于智能手機(jī)在成像領(lǐng)域占據(jù)了最大市場(chǎng)份額（Yole Developpement 去年年中的數(shù)據(jù)顯示，移動(dòng) CIS 占到整個(gè) CIS 銷售額的 70%），本文主要以智能手機(jī)這個(gè)門(mén)類的應(yīng)用為例，來(lái)談成像市場(chǎng)正在發(fā)生的轉(zhuǎn)變——原本以 CIS 為主的市場(chǎng)正逐步轉(zhuǎn)至以圖像 / 視覺(jué)處理器，如 AI 專核、ISP（圖像處理器）等為主，這種變化將創(chuàng)造更大的市場(chǎng)價(jià)值。
另外，智能手機(jī)成像的特殊性在于，其他領(lǐng)域的成像，如醫(yī)療成像、工業(yè)領(lǐng)域的機(jī)器視覺(jué)等，在圖像傳感器層面是以“拍得到”為主要目標(biāo)，并且更注重圖像數(shù)據(jù)的后處理與計(jì)算。而手機(jī)拍照向來(lái)以“拍得好”為主要目標(biāo)，它對(duì)圖像傳感器的重視由來(lái)已久。
智能手機(jī)制造商在宣傳其拍照的賣(mài)點(diǎn)時(shí)，仍然更傾向于 CIS 本身的高像素和大尺寸。但成像質(zhì)量的決定因素已經(jīng)從 CIS，向圖像數(shù)據(jù)的處理與計(jì)算環(huán)節(jié)傾斜，它體現(xiàn)的也正是數(shù)字芯片本身的技術(shù)發(fā)展以及 AI 技術(shù)的快速推進(jìn)對(duì)傳統(tǒng)光學(xué)技術(shù)發(fā)展的挑戰(zhàn)。
前兩年就開(kāi)始出現(xiàn)的苗頭
聯(lián)發(fā)科在 2018 年提出了“真 AI 相機(jī)”的概念。該概念包含了三個(gè)主要的因素：1. 高像素、大尺寸 CIS；2. 多核 ISP；3. 高性能的 AI 專核。其中，第一點(diǎn)是成像領(lǐng)域的共識(shí)，而后兩點(diǎn)都與圖像數(shù)據(jù)的后處理（Post Processing）相關(guān)。
如果說(shuō) ISP 是處理（Processing）數(shù)據(jù)，那么 AI 及其他視覺(jué)處理器就是對(duì)數(shù)據(jù)做更深度的計(jì)算（Computing）。ISP 的重要性在過(guò)去總被反復(fù)提及，但其在成像領(lǐng)域，尤其是手機(jī)拍照上的地位遠(yuǎn)不及 CIS。此外，AI 專核也是成像領(lǐng)域這兩年的香餑餑。在此基礎(chǔ)上，“真 AI 相機(jī)”這一營(yíng)銷概念的提出，本質(zhì)上是為了吸引終端設(shè)備制造商來(lái)采用聯(lián)發(fā)科的 SoC 產(chǎn)品，不過(guò)它卻真正將 ISP 與 AI 專核提到了與 CIS 相同的高度。
無(wú)論是專為攝像頭配備的 ISP，還是 AI 處理單元，它們?cè)谂恼罩械膽?yīng)用都可以認(rèn)為是這兩年頗流行的 Computational Photography（計(jì)算攝影）。普羅大眾對(duì)于“AI 拍照”的理解，恐怕還停留在美顏、人臉識(shí)別、去背景或者讓天空更藍(lán)、草地更綠這樣的層面。實(shí)際上，AI 對(duì)于成像的協(xié)助，已經(jīng)深入到了拍照的方方面面，這部分將在下文探討。
除了聯(lián)發(fā)科這樣的芯片廠商之外，谷歌的表現(xiàn)也值得關(guān)注。據(jù)《國(guó)際電子商情》了解，谷歌在 2017 年為其 Pixel 2 手機(jī)配備了專門(mén)的 Pixel Visual Core（Pixel 視覺(jué)核心，圖 1），這是由該公司自主設(shè)計(jì)的基于 Arm 系統(tǒng)的 SiP 封裝圖像 / 視覺(jué)處理器。這枚處理器可以看作是一個(gè)完全可編程的圖像、視覺(jué)與 AI 多核專用架構(gòu)（domain-specific architecture）芯片，其應(yīng)用在 Pixel 4 之上迭代為 Pixel Neural Core（Pixel 神經(jīng)核心）。
當(dāng)然，谷歌 Pixel 系列手機(jī)在移動(dòng)領(lǐng)域普遍更具有前瞻性和試水性質(zhì)。谷歌在 Computational Photography 領(lǐng)域有著多年的沉淀，他們認(rèn)為與高通在 SoC 內(nèi)部提供 ISP 與 AI Engine 能力相比，針對(duì)拍照來(lái)自研專用的圖像處理硬件更加高效。
圖 1，Pixel 手機(jī)的 Pixel Visual Core 內(nèi)部
在前智能手機(jī)時(shí)代，外置 ISP/DSP 是個(gè)常見(jiàn)的概念，但隨著芯片集成大趨勢(shì)的到來(lái)，當(dāng)代圖像處理硬件已很少以獨(dú)立的形態(tài)存在于 SoC 之外。谷歌的這種做法進(jìn)一步提升了圖像 / 視覺(jué)處理器的地位：雖然外置一顆獨(dú)立圖像 / 視覺(jué)芯片的方案未必會(huì)成為趨勢(shì)，但是在拍照的各環(huán)節(jié)中，后處理已經(jīng)成為更重要的組成部分。
谷歌 Pixel 手機(jī)有個(gè)更有趣的傳統(tǒng)：相同型號(hào)的 CIS 可以連續(xù)用在兩代 Pixel 手機(jī)上，比如 Pixel 3 和 Pixel 4 的主攝都采用疑似索尼 IMX363 的 CIS。即便如此，手機(jī)的拍照表現(xiàn)仍然會(huì)有飛躍，這個(gè)特點(diǎn)一直為人們所津津樂(lè)道。這也表明，谷歌在成像上非常重視圖像處理，而不僅只關(guān)注圖像傳感。
再回過(guò)頭來(lái)看今年的高通驍龍 865 針對(duì)成像的堆料：驍龍 865 的 ISP 部分支持每秒 2 GigaPixel 的速度，同時(shí)也支持 4K HDR、8K 視頻拍攝以及最大 2 億像素的照片拍攝。在與第五代 AI Engine 合作的情況下，這顆 ISP 能夠快速識(shí)別不同的拍攝背景、人、對(duì)象。如今，高通會(huì)著重宣傳每一代驍龍旗艦中的成像。
再看看蘋(píng)果今年發(fā)布的 A14，其 CPU、GPU 性能提升的幅度并不算大，但 AI 專核部分的 Neural Engine（神經(jīng)引擎）增加到 16 個(gè)核心，這讓其算力提升到了 11TOPS；A14 CPU 內(nèi)部還特別包含了升級(jí)過(guò)的機(jī)器學(xué)習(xí) AMX 模塊（矩陣乘法加速器）。如今，手機(jī)上的 AI 處理器總被人詬病沒(méi)有太多應(yīng)用場(chǎng)景，但它們?cè)?Computational Photography 上正默默發(fā)揮作用。
愈發(fā)明確的市場(chǎng)現(xiàn)狀
索尼在今年 5 月推出了兩款“智能視覺(jué)傳感器”——IMX500 與 IMX501。該公司宣稱，這是全球最早加入了 AI 處理能力的圖像傳感器。這兩顆芯片的傳感器部分，是比較典型的背照式 CIS；而集成的邊緣 AI 處理部分，包含了 DSP 的邏輯芯片，也包括了 AI 模型所需的臨時(shí)存儲(chǔ)空間，屬于比較典型的邊緣 AI 系統(tǒng)。更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)卣f(shuō)，IMX500/501 恐怕不應(yīng)僅定義為“傳感器”。
這兩顆芯片在配合云服務(wù)的情況下，在數(shù)據(jù)處理階段僅獲取元數(shù)據(jù)作為輸出，這樣能夠降低數(shù)據(jù)傳輸延遲，減少功耗與通訊的成本。這類設(shè)計(jì)的本質(zhì)是：將部分“后處理”的能力集成到圖像傳感器上。這樣一來(lái)，錄制視頻時(shí)就能進(jìn)行更高精度、實(shí)時(shí)的對(duì)象追蹤。目前，這兩款傳感器主要應(yīng)用于零售、工業(yè)設(shè)備。
另外，在配套解決方案上，索尼也推出了用于這類集成 AI 能力的 CIS 的軟件訂閱服務(wù)。加入了 AI 數(shù)據(jù)分析的潛在市場(chǎng)價(jià)值大于傳感器市場(chǎng)本身。雖然索尼并不期望這項(xiàng)服務(wù)能夠在短期內(nèi)盈利，但是它非常看好其長(zhǎng)期發(fā)展。即便 IMX500/501 并不面向智能手機(jī)產(chǎn)品，這一步也能體現(xiàn)索尼在 CIS 業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)的思路轉(zhuǎn)變：即開(kāi)始從單純的圖像傳感，往圖像 / 視覺(jué)處理做擴(kuò)展。畢竟傳統(tǒng) CIS 市場(chǎng)的增長(zhǎng)速度正在放緩。
今年年中，Yole Developpement 發(fā)布了一份題為《2019 圖像信號(hào)處理器與視覺(jué)處理器市場(chǎng)與技術(shù)趨勢(shì)》的報(bào)告。該報(bào)告明確提到：“AI 徹底改變了視覺(jué)系統(tǒng)中的硬件，對(duì)整個(gè)行業(yè)都造成了影響。”
“圖像分析增加了很多價(jià)值。圖像傳感器供應(yīng)商們開(kāi)始對(duì)將軟件層集成到系統(tǒng)中感興趣。如今圖像傳感器必須跳出單純的捕獲圖像這一能力之外，再對(duì)圖像做分析。”
“但要跑這樣的軟件，就意味著高算力和存儲(chǔ)需求，也就有了視覺(jué)處理器的出現(xiàn)。ISP 市場(chǎng) 2018-2024 年的年復(fù)合增長(zhǎng)率穩(wěn)定在 3%，即 ISP 的市場(chǎng)價(jià)值到 2024 年會(huì)達(dá)到 42 億美元。與此同時(shí)，視覺(jué)處理器市場(chǎng)也會(huì)迎來(lái)爆發(fā)增長(zhǎng)，2018-2024 年的年復(fù)合增長(zhǎng)率為 18%，到 2024 年，其市場(chǎng)價(jià)值會(huì)達(dá)到 145 億美元。”
圖 2，2018-2024 年,圖像 / 視覺(jué)處理器的出貨量與市場(chǎng)規(guī)模預(yù)期
來(lái)源：Yole Developpement
這個(gè)值當(dāng)然仍未達(dá)到 CIS 年度總價(jià)值，上述兩個(gè)市場(chǎng)相加才大約超過(guò)今年的 CIS 市場(chǎng)規(guī)模（今年 CIS 行業(yè)產(chǎn)值預(yù)計(jì)為 172 億美元）。這還需要注意，CIS 市場(chǎng)的增速正在放緩以及此處并未考慮視覺(jué)處理芯片配套的軟件市場(chǎng)。起碼索尼認(rèn)定，其長(zhǎng)期的市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿Υ笥?CIS 市場(chǎng)本身。Yole Developpement 的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，ISP 在市場(chǎng)中所占比重將逐步降低，而更注重計(jì)算的視覺(jué)處理器顯然更為緊俏（圖 2）。
“值得注意的是，很多傳統(tǒng)的行業(yè)參與者，在應(yīng)對(duì) AI 趨勢(shì)時(shí)顯得比較局促。這也讓其他更多參與者加入到業(yè)務(wù)競(jìng)爭(zhēng)中，比如蘋(píng)果、華為，Mobileye 這樣的初創(chuàng)公司，甚至其他領(lǐng)域的企業(yè)，像是英偉達(dá)。”這是成像市場(chǎng)擴(kuò)展了縱深的表現(xiàn)。
AI 究竟為手機(jī)拍照帶來(lái)了什么？
今年 3 月，法國(guó)知名影像實(shí)驗(yàn)室 DxOMark 曾刊文提到，近 10 余年來(lái)，智能手機(jī)拍照的畫(huà)質(zhì)提升超過(guò) 4EV，其中 1.3EV 來(lái)自圖像傳感器 / 光學(xué)技術(shù)的提升，還有 3EV 是來(lái)自圖像 / 視覺(jué)處理器（圖像數(shù)據(jù)后處理）帶來(lái)的提升。這已經(jīng)基本顛覆了大眾對(duì)于提升拍照畫(huà)質(zhì)，就是要提升 CIS 技術(shù)的基本認(rèn)知。
而圖像 / 視覺(jué)處理作為一個(gè)相當(dāng)古老并發(fā)展多年的議題，AWB（自動(dòng)白平衡）、ANR（主動(dòng)降噪）、3DNR（3D 降噪）、BLC（黑電平校正）、HDR 等原本都屬于 ISP 的常規(guī)項(xiàng)目。近兩年,在圖像后處理中 AI 拍照被提得最多的功能，包括人臉識(shí)別、拍攝對(duì)象識(shí)別、語(yǔ)義分割、智能美顏等。
這些的確是 AI 為成像帶來(lái)的價(jià)值，但 AI 參與手機(jī)拍照的畫(huà)質(zhì)提升，滲透到了上述常規(guī)項(xiàng)目中。谷歌在 Computational Photography 方面的很多的研究也涉及到了這些組成部分，比如針對(duì)低光照?qǐng)鼍跋碌淖詣?dòng)白平衡，傳統(tǒng)算法在白平衡修正上顯得無(wú)能為力。谷歌幾年前就應(yīng)用了機(jī)器學(xué)習(xí)：通過(guò)向模型輸入大量白平衡修正到位的照片，來(lái)訓(xùn)練自動(dòng)白平衡的智能模型。
谷歌在 Pixel 手機(jī)成像的諸多環(huán)節(jié)和特性上應(yīng)用了機(jī)器學(xué)習(xí)。比如拍照取景時(shí)的實(shí)時(shí) HDR，再比如視頻拍攝的防抖。在數(shù)據(jù)后處理時(shí)，首先在第一階段進(jìn)行動(dòng)作分析、獲取陀螺儀信號(hào)、結(jié)合光學(xué)防抖動(dòng)作；其次在 motion filtering 環(huán)節(jié)結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)與信號(hào)處理，來(lái)預(yù)測(cè)相機(jī)本身的運(yùn)動(dòng)軌跡；最后再最終的幀合成環(huán)節(jié)，對(duì)快門(mén)與微動(dòng)造成的畫(huà)面失真做補(bǔ)償。
圖 3，來(lái)源：Google AI Blog
更為典型的例子是模擬背景虛化效果。傳統(tǒng)方案模擬背景虛化主要是靠立體視覺(jué)，而谷歌提出的方案，不僅依靠?jī)煞N立體視覺(jué)方案（Pixel 4 手機(jī)的雙攝與雙像素技術(shù)），而且為加強(qiáng)虛化可靠性，對(duì)畫(huà)面拍攝對(duì)象做語(yǔ)義分割：谷歌打造了一臺(tái)五顆攝像頭的設(shè)備，拍攝大量場(chǎng)景，收集足夠的訓(xùn)練數(shù)據(jù)。利用 Tensorflow 訓(xùn)練一個(gè)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：首先分別單獨(dú)處理雙像素與雙攝的輸入數(shù)據(jù)，中間有編碼器將輸入信息編碼為 IR（中間層），隨后兩部分信息經(jīng)過(guò)另一個(gè)編碼器，完成最終的對(duì)象深度計(jì)算（圖 3）。這里的編碼器本身就是一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。
今年 4 月，聯(lián)發(fā)科的研究人員發(fā)表了一篇題為 Learning Camera-Aware Noise Models 的論文，提出對(duì)圖像傳感器噪聲進(jìn)行建模的方法，通過(guò)“一種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法，從真實(shí)環(huán)境噪聲中去學(xué)習(xí)噪聲模型。這種噪聲模型與相機(jī)相關(guān)，不同的傳感器有不同的噪聲特點(diǎn)，它們都能被學(xué)習(xí)。”
這些例子都表明，越來(lái)越多不同層級(jí)的市場(chǎng)參與者都在投入圖像的后處理。所以采用老型號(hào) CIS 的谷歌 Pixel 手機(jī)，在很多成像項(xiàng)目對(duì)決中，與其他采用上億像素 CIS 的手機(jī)相比，依然保持優(yōu)勢(shì)。外置一顆 AI 視覺(jué)芯片的方案，顯然讓谷歌更有發(fā)揮空間。
如今的手機(jī)已經(jīng)開(kāi)始廣泛應(yīng)用 AI 來(lái)做成像質(zhì)量的加強(qiáng)，而且包括了取景、抑噪、自動(dòng)白平衡這些傳統(tǒng)環(huán)節(jié)的參與。就用戶層面來(lái)看，AI 芯片參與計(jì)算并不會(huì)有很強(qiáng)的感知。
當(dāng)這些技術(shù)在成像領(lǐng)域變得越來(lái)越普遍時(shí)，過(guò)去的移動(dòng)成像唯 CIS 中心論愈發(fā)失效。如今的終端廠商在火拼手機(jī)拍照時(shí)，比拼的重點(diǎn)已經(jīng)向圖像 / 視覺(jué)處理與計(jì)算偏移。畢竟傳統(tǒng)光學(xué)技術(shù)發(fā)展的速度無(wú)法與與數(shù)字芯片相比。
現(xiàn)在很多人拿手機(jī)拍照去與全畫(huà)幅相機(jī)比較，即便這樣的對(duì)比沒(méi)有任何實(shí)際意義，但它也能體現(xiàn)手機(jī)的圖像 / 視覺(jué)處理計(jì)算能力，很大程度彌補(bǔ)了移動(dòng) CIS 的短板。實(shí)際上，這也是兩種方案、兩個(gè)時(shí)代的比拼。
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