攝像頭基礎介紹
拍攝景物通過鏡頭，將生成的光學圖像投射到傳感器上，然后光學圖像被轉換成電信號，電信號再經過模數轉換變為數字信號，數字信號經過DSP加工處理，再被送到電腦中進行處理，最終轉換成手機屏幕上能夠看到的圖像。
數字信號處理芯片DSP(DIGITAL SIGNAL PROCESSING)功能：主要是通過一系列復雜的數學算法運算，對數字圖像信號參數進行優化處理，並把處理后的信號通過USB等接口傳到PC等設備。DSP結構框架:
1. ISP(image signal processor)(鏡像信號處理器)
2. JPEG encoder(JPEG圖像解碼器)
3. USB device controller(USB設備控制器)
常見的攝像頭傳感器類型主要有兩種，
一種是CCD傳感器（Chagre Couled Device），即電荷耦合器。
一種是CMOS傳感器（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）即互補性金屬氧化物半導體。
CCD的優勢在於成像質量好，但是制造工藝復雜，成本高昂，且耗電高。在相同分辨率下，CMOS價格比CCD便宜，但圖像質量相比CCD來說要低一些。CMOS影像傳感器相對CCD具有耗電低的優勢，加上隨着工藝技術的進步，CMOS的畫質水平也不斷地在提高，所以目前市面上的手機攝像頭都采用CMOS傳感器。
手機攝像頭的簡單結構
濾光片有兩大功用:
1.濾除紅外線。濾除對可見光有干擾的紅外光，使成像效果更清晰。
2.修整進來的光線。感光芯片由感光體(CELL)構成,最好的光線是直射進來,但為了怕干擾到鄰近感光體,就需要對光線加以修整,因此那片濾光片不是玻璃,而是石英片,利用石英的物理偏光特性,把進來的光線,保留直射部份,反射掉斜射部份,避免去影響旁邊的感光點.
二、相關參數和名詞
1、常見圖像格式
1.1 RGB格式：
傳統的紅綠藍格式，比如RGB565，RGB888，其16-bit數據格式為5-bit R + 6-bit G + 5-bit B。G多一位，原因是人眼對綠色比較敏感。
1.2 YUV格式：
luma (Y) + chroma (UV) 格式。YUV是指亮度參量和色度參量分開表示的像素格式，而這樣分開的好處就是不但可以避免相互干擾，還可以降低色度的采樣率而不會對圖像質量影響太大。YUV是一個比較籠統地說法，針對它的具體排列方式，可以分為很多種具體的格式。
色度(UV)定義了顏色的兩個方面─色調與飽和度，分別用CB和CR表示。其中，Cr反映了RGB輸入信號紅色部分與RGB信號亮度值之間的差異。而Cb反映的是RGB輸入信號藍色部分與RGB信號亮度值之間的差異。
主要的采樣格式有YCbCr 4:2:0、YCbCr 4:2:2、YCbCr 4:1:1和 YCbCr 4:4:4。
1.3 RAW data格式：
RAW圖像就是CMOS或者CCD圖像感應器將捕捉到的光源信號轉化為數字信號的原始數據。RAW文件是一種記錄了數碼相機傳感器的原始信息，同時記錄了由相機拍攝所產生的一些元數據（Metadata，如ISO的設置、快門速度、光圈值、白平衡等）的文件。RAW是未經處理、也未經壓縮的格式，可以把RAW概念化為“原始圖像編碼數據”或更形象的稱為“數字底片”。sensor的每一像素對應一個彩色濾光片，濾光片按Bayer pattern分布。將每一個像素的數據直接輸出，即RAW RGB data
Raw data（Raw RGB）經過彩色插值就變成RGB.
RAW格式圖像示例
2. 相關技術指標
2.1 圖像解析度/分辨率(Resolution)：
SXGA(1280 x1024)又稱130萬像素
XGA(1024 x768)又稱80萬像素
SVGA(800 x600)又稱50萬像素
VGA(640x480)又稱30萬像素(35萬是指648X488)
CIF(352x288) 又稱10萬像素
SIF/QVGA(320x240)
QCIF(176x144)
QSIF/QQVGA(160x120)
2.2 彩色深度(色彩位數)：
256色灰階，有256種灰色（包括黑白）。
15或16位彩色（高彩色）：65,536種顏色。
24位彩色（真彩色）：每種原色都有256個層次，它們的組合便有256*256*256種顏色。
32位彩色：除了24位彩色的顏色外，額外的8位是儲存重疊圖層的圖形資料(alpha頻道)。
2.3 光學變焦和數碼變焦：
光學變焦： 通過鏡頭的調整，拉近拉遠所要拍攝的對象，保持像素不變和畫質基本不變，卻可以拍到自己 理想的物像。 數碼變焦：其實沒有什么變焦，只是從原圖片中截取出來放大，你從液晶屏幕上看到變大了，實際上畫質並沒有本質提高，而像素比你相機能拍攝的最大像素降低了。 畫質上說基本是雞肋把，但是可以提供一些方便。
2.4 圖像壓縮方式：
JPEG/M-JPEG
H.261/H.263
MPEG
H.264
2.5 圖像噪音：
指的是圖像中的雜點干撓。表現為圖像中有固定的彩色雜點。
2.6 自動白平衡處理技術(auto White Balance)：
簡單來說就是：攝像機對白色物體的還原。相關概念：色溫。
2.7 視角：
與人的眼睛成像是相成原理，簡單說就是成像范圍。
2.8 自動對焦：
自動對焦可以分成兩大類：一類是基於鏡頭與被拍攝目標之間距離測量的測距自動對焦，另一類是基於對焦屏上成像清晰的聚焦檢測自動對焦(清晰度算法)。
注：變焦就是把遠處的物體拉近。對焦是讓圖像清晰。
2.9 自動曝光和Gamma：
就是光圈和快門的組合。光圈，快門速度，ISO。Gamma即人眼對亮度的響應曲線。
三、高通的CAMERA部分硬件架構
CAMERA部分硬件架構
VFE：VIDEO front-end 視頻前端
VPE：Video preprocessing 視頻預處理
攝像頭模組中自帶了ISP（圖像信號處理器），所以，VFE和VPE有關圖像效果處理的功能都是關閉的。
1.VFE的功能：
1.1 通過算法提高圖像的質量。
1.2 提供高分辨率的圖像的AWB(自動白平衡)/AE(自動曝光)/AF(自動對焦)算法處理。
1.3 圖像衰減校正。
1.4 低光下的噪聲濾波。
1.5 圖像色彩效果優化。
1.6 皮膚顏色效果優化。
1.7 圖像抖動計算。
1.8 亮度適應算法。
2.VPE的功能：
2.1 圖像穩定性。
2.2 數字對焦。
2.3 圖像旋轉。
2.4 Overlay。
三、android系統camera基本架構
1.應用層
Camera 的應用層在Android 上表現為直接調用SDK API 開發的一個Camera 應用APK 包。代碼在/android/packages/apps/Camera 下。主要對 android.hardware.Camera（在Framework中） 類的調用，並且實現Camera 應用的業務邏輯和UI 顯示。一個Android 應用中若要使用這個android.hardware.Camera類，需要在Manifest 文件聲明Camera 的權限，另外還 需要添加一些<uses-feature> 元素來聲明應用中的Camera 特性，如自動對焦等。 具體做法可如下：
<uses-permission android:name = "android.permission.CAMERA" />
<uses-feature android:name = "android.hardware.camera" />
<uses-feature android:name = "android.hardware.camera.autofocus" />
2.Framework層
2.1 android.hardware.Camera：代碼位置/android/frameworks/base/core/java/android/hardware/Camera.java
這部分目標是framework.jar。這是是Android 提供給app層調用的java接口。這個類用來連接或斷開一個Camera 服務，設置拍攝參數，開始、停止預覽，拍照等。
2.2 android.hardware.Camera這個類是和JNI中定義的類是一個，有些方法通過JNI的方式調用本地代碼得到，有些方法自己實現。 Camera的JAVA native調用部分（JNI）：/android/frameworks/base/core/jni/android_hardware_Camera.cpp。Camera.java 承接JAVA 代碼到C++ 代碼的橋梁。編譯生成libandroid_runtime.so 。libandroid_runtime.so庫是公用的, 其中除了Camera 還有其他方面的功能。
2.3 Camera框架的client部分：
代碼位置：/android/frameworks/base/libs/camera/下5個文件。
Camera.cpp
CameraParameters.cpp
ICamera.cpp
ICameraClient.cpp
ICameraService.cpp
它們的頭文件在/android/frameworks/base/include/camera目錄下。
這部分的內容編譯生成libcamera_client.so 。在Camera 模塊的各個庫中，libcamera_client.so 位於核心的位置，作為Camera 框架的 Client 客戶端部分，與另外一部分內容服務端 libcameraservice.so 通過進程間通訊（即Binder 機制）的方式進行通訊。
2.4 Camera框架的service部分：
代碼位置：/android/frameworks/base/services/camera/libcameraservice。
這部分內容被編譯成庫libcameraservice.so 。CameraService 是Camera 服務，Camera 框架的中間層，用於鏈接CameraHardwareInterface 和Client部分 ，它通過調用實際的Camera 硬件接口來實現功能，即下層HAL層。
四. 攝像頭預覽、拍照、錄像基本數據流向和處理流程以及驅動調試
HAl層相關代碼：（frameworks/base/services/camera/libcameraservice/CameraService.cpp）
vendor/qcom/android-open/libcamera2/QualcommCameraHardware.cpp
vendor/qcom/proprietary/mm-camera/apps/appslib/mm_camera_interface.c
vendor/qcom/proprietary/mm-camera/apps/appslib/camframe.c
vendor/qcom/proprietary/mm-camera/apps/appslib/snapshot.c
vendor/qcom/proprietary/mm-camera/apps/appslib/jpeg_encoder.c
vendor/qcom/proprietary/mm-camera/apps/appslib/cam_frame_q.c
vendor/qcom/proprietary/mm-camera/apps/appslib/cam_display.c
vendor/qcom/proprietary/mm-camera/targets/vfe31/8x60/
vendor/qcom/proprietary/mm-camera/targets/vfe31/common/vpe1/QualcommCameraHardware.cpp
主要分為三個部分，preview，snapshot，video。它們分別用一個pthread進行處理。另外還有auto focus功能也是用pthread的方式處理。預覽或拍照、視頻線程處理得到的數據幀都以datacallback的方式回調到上層CameraService.cpp中，進行存儲或預覽等操作。以下是HAL層部分的代碼大概的調用結構流程。
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整個模塊主要巡行三個主線程：control、config及frame。
control用來執行總的控制，是上層控制接口。
config主要進行一些配置，這個線程里面主要進行3A的工作，另外還有一些跟效果有關的設置；
frame線程主要用來做幀queue的循環獲取處理。所有事件或狀態的反饋，用回調函數的方式傳回QualcommCameraHardware.cpp。
2. 驅動部分從設備驅動s5k8aa.c開始。新建平台設備后，執行入口函數probe時，調用創建攝像頭設備功能函數
int msm_camera_drv_start(struct platform_device *dev,
int (*sensor_probe)(const struct msm_camera_sensor_info *,
struct msm_sensor_ctrl *))
並將設備信息結構體和攝像頭設備調用入口sensor_probe傳入。msm_camera_drv_start（xxx）函數在msm_camera.c中實現。他創建了提供上層調用的四個終於設備結點：
/dev/msm_camera/frame%d
/dev/msm_camera/control%d
/dev/msm_camera/config%d
/dev/msm_camera/pic%d
實現了上層庫對VFE模塊，VPE模塊，jpeg_encoder模塊和攝像頭sensor模塊驅動的控制調用接口。在file_operations中的相應函數中分別實現的是這些設備的新建初始化和IOCTL功能調用接口。
然后這個函數還創建了四個工作隊列：
struct msm_device_queue event_q;
struct msm_device_queue frame_q;
struct msm_device_queue pict_q;
struct msm_device_queue vpe_q;
event_q包括/dev/msm_camera/control%d傳入的控制信號隊列，用於將上層傳下來的控制命令(command)傳到config thread中去。
frame_q用於對圖像幀的操作管理，預覽或錄像時幀將傳遞給DSP進行處理。
pict_q包含拍照幀，用於給jpeg_encoder進行圖像編碼處理。
vpe_q是VPE控制命令隊列。
s5k8aa.c是相應攝像頭設備的驅動部分。它的功能很簡單，主要實現sensor模塊的創建、初始化和控制。主要實現以下三個函數：
s->s_init = ov2685_sensor_init;
s->s_release = ov2685_sensor_release;
s->s_config = ov2685_sensor_config;
ov2685_sensor_init函數：
主要實現攝像頭的上電、時鍾控制（MCLK）、設備初始化功能。 上電分為DOVDD、DVDD、AVDD、reset、PWDN幾個部分。需要按照設備要求順序操作，一般時鍾控制順序也包含在內。 設備初始化過程是將sensor設備的所有寄存器全部初始化一遍，采用IIC方式將初始化寄存器地址和值全部發送到sensor端。完成后此時攝像頭模組才能正常工作，並將圖像通過MIPI線路傳送到CPU端。
ov2685_sensor_config函數：
主要實現對sensor的各種配置接口，相應的有幀率配置，白平衡效果設置，曝光度設置，特效設置等等。相應接口將配置好的寄存器列表通過IIC發送到sensor中。
3. 攝像頭調試中的幾個問題點：
1.1 是否正確上電，是否有時鍾波形輸出。 檢測輸出電壓的電壓值是否和上電時序以及MCLK是否符合sensor的要求。這部分可以用示波器和萬用表測量。測量電壓值和上電時序以及MCLK的時鍾頻率是否正確。
1.2 IIC讀寫是否正常。調試CPU與ISP間的I2C通信。 檢測包括IIC地址是否正確，協議是否匹配。這部分也可以用示波器測量IIC的SDA、CLK的峰值、波形邏輯是否正確。
1.3 正確上電並初始化以后sensor模塊是否正常工作。 這部分主要通過用示波器測量MIPI線路的數據和時鍾PIN是否正確，它的波形是否含有數據，是否標准波形，峰值有沒有達到要求等。
1.4 如果以上都正確了以后，MIPI控制器將接收到中斷，並開始處理圖像信號。此時如果出錯，可以通過中斷信號的出錯值查看錯誤狀態。除CPU端是否正常初始化工作的問題外，需要關注模組端設置的圖像格式和CPU接收的默認圖像格式和圖像大小（SIZE）是否一致。模組中圖片格式和圖像大小通過寄存器值查看。CPU端接收圖片格式和圖像大小在HAL部分的s5k8aa中設置, 拍照源圖像大小和預覽源圖像大小需要分別設置。
以上部分完成后，攝像頭可以正確預覽。