Camera基礎知識


一、Camera成像原理

景物通過鏡頭(LENS)生成的光學圖像投射到圖像傳感器(Sensor)表面上,然后轉為模擬的電信號,經過A/D(模數轉換)轉換后變為數字圖像信號,再送到數字信號處理芯片(DSP)中加工處理,再通過I/O接口傳輸到CPU中處理,通過LCD就可以看到圖像了。

圖源見水印

 

二、術語

1.FF & AF

FF模組(Fix Focus):定焦模組。焦距固定,不能實現自動對焦

AF模組(Auto Focus):自動對焦模組。通過增加VCM和Driver IC配合算法實現自動對焦。

 

2.VCM

VCM:音圈馬達。全稱Voice Coil Montor,電子學里面的音圈電機,是馬達的一種。因為原理和揚聲器類似,所以叫音圈電機,具有高頻響、高精度的特點。其主要原理是在一個永久磁場內,通過改變馬達內線圈的直流電流大小,來控制彈簧片的拉伸位置,從而帶動上下運動。手機攝像頭廣泛的使用VCM實現自動對焦功能,通過VCM可以調節鏡頭的位置,呈現清晰的圖像。

更多知識見《Camera 模組之 VCM篇》。

 

3.LENS

一般來說,像素越高,鏡頭需要的鏡片就越多,3P的鏡頭會用在5M以下的產品中,5M及以上的產品會用4P~6P的鏡頭。

 

3.1 FOV

Field Of View。視場角,camera視角的大小,和焦距成反比。

3.2 F/NO

F-Number。光圈比 = F/D(焦距/入瞳大小),決定鏡頭的明暗。

3.4 TV Distortion

TV畸變。一條直線經過鏡頭拍攝后,變成彎曲的現象稱為畸變。
如下圖:(a)理想情況;(b)枕形畸變;(c)桶形畸變。

3.5 RI(Relative Illumination)

相對照度。鏡頭明亮度取決於 F 值(即光圈值),這表示在鏡頭的光軸上,也就是畫面中心的影像的明亮度。周邊光量因受到鏡頭漸暈現象及余弦四次方定律的影響,與中心部相比,明亮度必然減少。通信行業標准YD\T 1607-2007規定了相當照度的測試方法。

 

3.6 Resolution

分辨率。反映了鏡頭能分辨物體細節的能力。

3.7 Flare & Ghost

雜散光和鬼影,和鏡頭的鍍膜有很大關系。

3.8 EFL

Effective Focal Length,有效焦距。

3.9 BFL

Back Focal Length,后焦距。

3.10 CRA

主入射角度(CRA)。通過光圈中心並最終到達成像平面最邊緣的光線叫做主光線,而主光線與水平方向的夾角叫主入射角度。

鏡頭與sensor的CRA必須要匹配,否則會產生較嚴重的暗角、偏色等問題。

3.11 IR-CUT

IR=infrared=紅外線;CUT=濾、減。

IR-CUT的作用是濾掉紅外光,減少照射到sensor表面的雜光。

3.12 BLK

Black level,當通光量為零的時候,sensor感光得到的數據RGB值定義為Black level

  • 存在原因:理論上Black level=0,實際上Black level>0
  • 作用:使Black level盡量接近0
  • 實現方式:將部分pixel遮住不感光,從而得到一個偏移量

3.13 LSC

Lens Shading Correction

  • 存在原因:鏡頭對透過的光線從中心開始往四周衰減
  • 作用:使人眼感覺不到鏡頭對光線在衰減
  • 實現方式:通過對圖像四周pixel的RGB值進行額外補償,從而彌補衰減

3.14 DNDD/EE

去噪/邊緣增強。基本原理:減小/增加當前pixel與周圍pixel的差異

3.15 AEC

Auto Exposure Control,自動曝光控制。

  • 作用:最終得到的圖像的亮度盡量適合人眼的感覺
  • 實現方式:通過控制曝光時間(行)和gain值使圖像的亮度達到target
  • Banding/Flicker:日光燈有能量周期,sensor都是使用行曝光模式
  • 消除Flicker方式:行曝光時間為光源能量周期的整數倍

3.16 Flicker:What & Why & How

3.17 AWB

Auto White Balance,自動白平衡。

  • 原因:不同色溫的光源表現出的顏色不一致,而人眼具有適應性
  • 作用:使不同色溫下面的白色表現為白色
  • 實現方式:色溫統計通道增益,計算偏色校正

 

三、輸出數據格式與接口

1.數據格式

Raw Data

是sensor在將光信號轉換為電信號時的電平高低的原始記錄,單純地將沒有進行任何處理的圖像數據,即攝像元件直接得到的電信號進行數字化處理而得到的。

YUV

是被歐洲電視系統所采用的一種顏色編碼方法。其中"Y"表示明亮度(Luminance或Luma),就是灰階值;而"U"和"V"表示色度(Chrominance或Chroma),描述影像色彩及飽和度,用於指定像素的顏色。

2.接口

SPI

Serial Peripheral Interface:串行接口,用於超低端。

 DVP

Digital Video Port:並口,普通常用。

MIPI

Mobile Industry Processor Interface:Camera采用差分信號,高速率,低功耗,應用於高像素產品。

 

四、軟件

3A

3A技術即自動對焦(AF)、自動曝光(AE)和自動白平衡(AWB)。

3A數字成像技術利用了AF自動對焦算法、AE自動曝光算法及AWB自動白平衡算法來實現圖像對比度最大、改善主體拍攝物過曝光或曝光不足情況、使畫面在不同光線照射下的色差得到補償,從而呈現較高畫質的圖像信息。采用了3A數字成像技術的攝像機能夠很好的保障圖像精准的色彩還原度,呈現完美的日夜監控效果。

ZSL

ZSL (zero shutter lag):零秒延遲。在日常生活中,使用手機camera拍照的時候往往會有一些延遲的體驗。ZSL,就是為了消除這種延遲,提供一種“拍即視”的體驗而被開發出來。

參見:ZSL(zero shutter lag)簡介

 

五、硬件

AVDD

模擬電路供電電源

DVDD

數字電路供電電源

IOVDD

I/O電源

 

六、測試&調試項

解析度測試

用機器拍下ISO12233 chart,用工具分析中心和四周h、v方向,讀取單位毫米所能分辨的線對(單位LP/mm)。

ISO12233_Test_Chart

色彩還原測試

在不同色溫下拍攝X-Rite ColorChecker Card,比較拍攝圖樣中的色塊數值與標准值的差異,評價sensor的色彩還原能力。包括satuation,delta c,delta e。

X-Rite ColorChecker Card

Shading測試

在均勻照度下拍下燈箱灰壁,分析圖片中心和四周的亮度差(參考)。

灰卡

灰階測試

即動態范圍測試。

幾何失真測試

測試拍照系統成像的幾何失真程度。


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