手機攝像頭的組成結構和工作原理


手機攝像頭的組成結構和工作原理

手機攝像頭由:

PCB板、鏡頭、固定器和濾色片、DSP(CCD用)、傳感器等部件組成。

工作原理為:

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,再被送到手機處理器中進行處理,最終轉換成手機屏幕上能夠看到的圖像。

PCB板

攝像頭中用到的印刷電路板,分為硬板、軟板、軟硬結合板三種

 

鏡頭

鏡頭是將拍攝景物在傳感器上成像的器件,它通常由由幾片透鏡組成。從材質上看,攝像頭的鏡頭可分為塑膠透鏡和玻璃透鏡。

 

鏡頭有兩個較為重要的參數:光圈和焦距。

光圈是安裝在鏡頭上控制通過鏡頭到達傳感器的光線多少的裝置,除了控制通光量,光圈還具有控制景深的功能,光圈越大,景深越小,平時在拍人像時背景朦朧效果就是小景深的一種體現。
景深是指在攝影機鏡頭前能夠取得清晰圖像的成像所測定的被攝物體前后距離范圍。

數值越小,光圈越大,進光量越多,畫面比較亮,焦平面越窄,主體背景虛化越大;
值越大,光圈越小,進光量越少,畫面比較暗,焦平面越寬,主體前后越清晰。

焦距

焦距是從鏡頭的中心點到傳感器平面上所形成的清晰影像之間的距離。
根據成像原理,鏡頭的焦距決定了該鏡頭拍攝的物體在傳感器上所形成影像的大小。比如在拍攝同一物體時,焦距越長,就能拍到該物體越大的影像。長焦距類似於望遠鏡。

固定器和濾色片

固定器的作用,實際上就是來固定鏡頭,另外固定器上還會有一塊濾色片。

濾色片也即“分色濾色片”,目前有兩種分色方式,一種是RGB原色分色法,另一種是CMYK補色分色法。

原色CCD的優勢在於畫質銳利,色彩真實,但缺點則是噪聲問題,一般采用原色CCD的數碼相機,
ISO感光度多半不會超過400。相對的,補色CCD多了一個Y黃色濾色器,犧牲了部分影像的分辨率,但ISO值一般都可設定在800以上。

DSP又叫數字信號處理芯片

它的功能是通過一系列復雜的數學算法運算,對數字圖像信號進行優化處理,最后把處理后的信號傳到顯示器上。

上面所說的DSP是CCD中會使用,是因為,在CMOS傳感器的攝像頭中,其DSP芯片已經集成到CMOS中,從外觀上來看,它們就是一個整體。而采用CCD傳感器的攝像頭則分為CCD和DSP兩個獨立部分。

傳感器是攝像頭組成的核心,也是最關鍵的技術

它是一種用來接收通過鏡頭的光線,並且將這些光信號轉換成為電信號的裝置。

感光器件面積越大,捕獲的光子越多,感光性能越好,信噪比越低。

攝像頭傳感器主要有兩種,一種是CCD傳感器,一種是CMOS傳感器。

兩者區別在於:

CCD的優勢在於成像質量好,但是由於制造工藝復雜,成本居高不下,特別是大型CCD,價格非常高昂。在相同分辨率下,CMOS價格比CCD便宜,但是CMOS器件產生的圖像質量相比CCD來說要低一些。

相對於CCD傳感器,CMOS影像傳感器的優點之一是電源消耗量比CCD低,CCD為提供優異的影像品質,付出代價即是較高的電源消耗量,為使電荷傳輸順暢,噪聲降低,需由高壓差改善傳輸效果。

另外偶爾還會提到CCM傳感器,CCM(Compact CMOS module)實際上是CMOS的一種,只是CCM經過一些處理,畫質比CMOS高一點,拍照時感應速度也較快,但照片品質還是遜色於CCD。

有的廠家在宣傳中會提到“背照式”“BSI”等概念,實際上BSI就是背照式CMOS的英文簡稱,背照式CMOS是CMOS的一種,它改善了傳統CMOS感光元件的感光度,在夜拍和高感的時候成像效果相對好一些。

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像素

通常所說的“XXX萬像素”實際是指相機的分辨率,其數值大小主要由相機傳感器中的像素點(即最小感光單位)數量決定,
例如500萬像素就意味着傳感器中有500萬個像素點,和手機屏幕中的像素數量決定屏幕是720p或1080p分辨率是一個道理。

像素決定照片質量?

通常會以為相機像素越高,拍的照片就越清晰,實際上。相機的像素唯一能決定的是其所拍圖片的分辨率,而圖片的分辨率越高,只代表了圖片的尺寸越大,並不能說明圖片越清晰。

但是當前主流的手機屏幕為1080p級別(1920×1080像素),

無論是1300萬像素相機所得的4208×3120像素照片,還是800萬像素攝像頭的3200×2400像素照片,都超出了1080p屏的解讀范圍,

最終都會以1920×1080像素顯示,所以肉眼所看到的清晰度也是沒有區別的。

 那么高像素的優勢在哪里呢?

更高像素的相機所拍圖片的尺寸更大,假如我們想把樣張打印出來,以常規的300像素/英寸的打印標准來計算,1300萬像素相機所拍的4208×3120像素樣張,可打印17英寸照片,
而800萬像素相機的3200×2400像素樣張,打印超過13英寸的照片就開始模糊了。
很顯然1300萬像素相機樣張可打印的尺寸更大。

傳感器最關鍵

  既然像素不是決定圖片質量的關鍵因素,那么誰才是呢?答案是傳感器。

相機傳感器主要分兩種

CCD和CMOS。CCD傳感器雖然成像質量好,但是成本較高,並不適用於手機,而CMOS傳感器憑借着較低的功耗和價格以及優異的影像品質,在手機領域應用最為廣泛。

CMOS傳感器又分為背照式和堆棧式兩種,二者系出同門,技術最早都由索尼研發,索尼背照式傳感器品牌名為“Exmor R”,堆棧式傳感器為“Exmor RS”。

相對來說,傳感器尺寸越大,感光性能越好,捕捉的光子(圖形信號)越多,信噪比越低,成像效果自然也越出色,然而更大的傳感器卻會導致手機的體積、重量、成本增加。

背照式傳感器的出現,有效的解決了這個問題,在相同尺寸下,它使傳感器感光能力提升了100%,有效地改善了在弱光環境下的成像質量。

2012年8月,索尼發布了全新堆棧式傳感器(Exmor RS CMOS),需要注意的是,它和背照式傳感器並非演進關系,而是並列關系,堆棧式傳感器的主要優勢是在像素數保持不變的情況下,讓傳感器尺寸變得更小,也可以理解為,在與背照式傳感器的像素數相同時,堆棧式傳感器的尺寸會更小,從而節省了空間,讓手機變得更薄、更輕。

鏡頭:多多益善

  鏡頭是將拍攝景物在傳感器上成像的器件,相當於相機的“眼睛”,通常由由幾片透鏡組成,光線信號通過時,鏡片們會層層過濾雜光(紅外線等),所以,鏡頭片數越多,成像就越真實。

光圈:還是大了好

光圈由鏡頭中幾片極薄的金屬片組成,可以通過改變光圈孔的大小控制進入鏡頭到達傳感器的光線量。光圈的值通常用f/2.2、f/2.4來表示,數字越小,光圈就越大,兩者成反比例關系。

  它的工作原理是,光圈開得越大,通過鏡頭到達傳感器的光線就越多,成像畫面就越明亮,反之畫面就越暗。因此,在夜拍或暗光環境下,大光圈的成像優勢就更明顯。
  除了控制通光量,光圈還具有控制景深的功能。生活中,我們時常會看到背景虛化效果很強的照片,不僅突出了拍攝焦點,還具有很唯美的藝術感,而這就是所謂的景深。光圈開的越大,景深越小,背景虛化效果就更明顯。

ISP芯片是“大腦”

  在說ISP(Image Signal Processing 中文譯為“圖形信號處理”)之前,我們先來了解一下手機的拍照過程。按動快門后,光線從鏡頭進入,到達傳感器,傳感器負責采集、記錄光線,並把它轉換成電流信號,然后交由ISP圖形信號處理器(以下簡稱ISP芯片)進行處理,最后由手機處理器處理儲存。
  ISP芯片的作用就是對傳感器輸入的信號進行運算處理,最終得出經過線性糾正、噪點去除、壞點修補、顏色插值、白平衡校正、曝光校正等處理后的結果。ISP芯片能夠在很大程度上決定手機相機最終的成像質量,通常它對圖像質量的改善空間可達10%-15%。

ISP芯片分為集成和獨立兩種,獨立ISP芯片處理能力優於集成ISP芯片,但成本更高。

采用處理器配套的集成iSP芯片優勢是降低了手機的研發和生產成本,但缺點是:
1、優秀的處理器廠商並不一定擅長開發ISP芯片,其成像質量不如獨立ISP芯片;
2、無法保證與所選用的傳感器契合,兩者如果配合不好,對成像質量是有負作用的,這就限制了手機對傳感器的選擇;
3、當前相同價段的手機大多采用相同的處理器,相同的處理器就意味着相同的ISP方案,這就導致嚴重的同質化現象。

 不過這其中也有一個特例,那就是iPhone,眾所周知,iPhone搭載的是自家的蘋果處理器,所以,盡管iPhone采用了集成ISP芯片,但以上缺點卻是不存在的。

 

獨立ISP芯片是獨立於處理器而存在的,雖然成本較高,但優勢也是比較明顯的。除了運算能力、成像質量更優秀外,一般的獨立ISP芯片都是手機商向ISP提供商定制的,所以與相機其他組件的契合度更佳,成像也有屬於自己的風格、特色。

軟件算法很重要

ISP芯片對傳感器輸入的電流信號進行處理后,首先會生成未經加工的原始圖像,而軟件算法就好比對原始圖像在內部進行了一番“PS”,優化圖像的色彩、色調、對比度、噪點等,最后生成我們所看到的jpg格式圖片。
當然,由於每個人的PS技術和風格都不一樣,所以即便是同一張照片,每個人最終也都會P成不同的風格。同理,每部手機的軟件算法不同,最終的成像效果和風格也是不一樣的,比如vivo手機通常會提升對比度,而iPhone則追求自然的效果。
我們都知道iPhone 5s的相機配置並不高,僅為800萬,背照式傳感器和自家集成ISP芯片在技術上雖然很優秀,但也絕不是頂尖級別,那么為何iPhone 5s的整體成像素質是最優秀的呢?這除了iPhone 5s的單個像素面積高達1.5微米外,主要歸功於iPhone 5s的軟件算法比較優秀。

閃光燈哪個好?

閃光燈是增加相機曝光量的方式之一,在暗光環境下會打亮周圍景物,從而彌補光線不足,提升畫面亮度。另外,在光線復雜的環境下,利用閃光燈可以去除雜光,使照片的色彩還原更為真實。
iPhone 5S的雙True Tone LED補光燈並不僅是為了提供更多的光線,更重要的是為了提供更准確的光線顏色。
白色LED補光燈通常只會模仿陽光的顏色來提供光線,往往導致畫面偏藍、偏冷等色彩失實的問題,
而iPhone 5s在白色補光燈下又增加了一枚琥珀色閃光燈,兩者分別提供不同色溫的光線,從而使光線達到平衡,混合后便獲得跟拍攝場景吻合的理想畫面色彩。
氙氣閃光燈是一種含有氙氣的新型閃光燈,它可發出非常接近太陽光的光線,不過由於其成本較高,在手機中的應用率較低,諾基亞Lumia 1020就是采用了氙氣閃光燈。

 


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