手机摄像头技术经典.docx

从2000年，夏普J-SH04成为世界上第一款置入摄像头的手机；2002年，诺基亚7650作为国内第一款拍照手机上市；2003年，又是夏普，拥有百万级像素的拍照手机夏普j-sh53问世拍照功能已逐渐成为手机上的一项标配，但是如何选择手机摄像头呢？ 手机摄像头的数码相机功能指的是手机是否可以通过内置或是外接的数码相机进行拍摄静态图片或短片拍摄，作为手机的一项新的附加功能，手机的数码相机功能得到了迅速的发展。: s/ mA1 g0 |fCamera一般分为Digital camera 数字式与Digital Still Cameras模拟式。1 Digital camera 数字式数字摄像头是直接将摄像单元和视频捕捉单元集成在一起，然后通过串、并口或者USB接口连接到HOST SYSTEM上。现在CAMERA市场上的摄像头基本以数字摄像头为主，而数字摄像头中又以使用新型数据传输接口的USB数字摄像头为主（独立），在手机上主要是直接通过IO (BTB,USB,MINI USB)与HOST SYSTEM连接，经过HOST SYSTEM的编辑后以数字信号输出到DISPLAY上显示。目前CAMERA市场上主流的CAMERA全DIGITAL 0 l, g2 S _3 E( R6 T: K- I& R7 g x. z+ 4 Y- C& c2 a2 Simulant camera 模拟式模拟摄像头是将视频采集设备产生的模拟视频信号转换成数字信号，进而将其储存到SYSTEM MEMORY里。模拟摄像头捕捉到的视频信号必须经过特定的视频捕捉卡将模拟信号转换成数字模式，并加以压缩后才可以转换到HOST SYSTEM上运用，经HOST SYSTEM的编辑，通过DISPLAY显示和输出。3 ?1 y3 e6 Y3 N 外观 结构上又可以分为内置与外置，内置摄像头是指摄像头在机子内部，更方便。外置手机通过数据线或者手机下部接口与数码相机相连，来完成数码相机的一切拍摄功能。外置数码相机的优点在于可以减轻手机的重量，而且外置数码相机重量轻，携带方便，使用方法简单。 除此之外，目前手机的数码相机功能主要包括拍摄静态图像，连拍功能，短片拍摄，镜头可旋转，自动白平衡，自动对焦，内置闪光灯.等等。手机的拍摄功能是与其屏幕材质、屏幕的分辨率、摄像头像素、摄像头材质有直接关系。工作原理主要是CMOS IMAGE SENSOR的应用，先说说整个模块！首先了解摄像头的主要结构和工作原理：景物(SCE)通过镜头（LENS）生成的光学图像投射到图像传感器(Sensor)表面上，然后转为电信号，经过A/D（模数转换）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，再通过IO接口传输到CPU中处理，通过DISPLAY就可以看到图像了。( S/ e c7 Q2 i% K& S光线镜头图像传感器（即感光器，将光转化为数字信号）数字信号处理芯片（即主芯片，对数字信号进行优化处理，并进行传输和保存）图像/视频整个系统由三部分构成:图像采集模块、图像处理模块和图像传输模块。1图像采集模块：图像的采集过程是把光转化为电信号；首先，光通过镜头进入sensor，有sensor里的photodiode(光电二极管)转化为电压电流，然后经过AMP（？）放大，再有ADC(?)转化为数字信号；5 / W- / I H y2图像处理模块 ：该过程主要对sensor出来的数字信号进行处理，称ISP，image signal process主要包括：lens shading ; Gamma correction;color interpolation;contrast;saturation;AE;AWB;color correction;bad pixel correction等双向三线的同步串行总线+ g9 a$ I( ! _SCCB是OmnVision公司开发的一种双向三线的同步串行总线，引线接口有使能线SCCBE，是串行时钟信号总线SIOC，串行数据信号总线SIOD。SCCB控制总线功能的实现完全是依靠SCCE、SIO_C、SIO_D三条总线上电平的状态以及三者之间的相互配合实现的。控制总线规定的条件如下：当SCCE有高电平变到低电平时，数据传输开始。当SCCE有低电平转化为高电平时，数据传输结束。为了避免传送无用的信息位，分别在传输开始之前、传输结束之后将SIO_D设置为高电平。在数据传输期间，SCCE始终保持低电平，SIO_D上数据的传输受SIO_C的控制。当SIO_C为低电平时，SIO_D上数据有效，SIO_D为稳定数据状态，SIO_C每出现一正脉冲，将传送一位数据。SCCBE低电平有效，如果将其接地，那么SIOC，SIOD的工作方式十分类似于I2C总线。与I2C总线一样，在SCCB总线中主设备发送一个字节后，从设备需要将数据线SIOD拉低作为应答信号(ACK)返回给主设备，才能表示发送成功。值得注意的是由于CMOS器件所能承受的灌电流（外部电流通过芯片引脚向芯片内流入称为灌电流（被灌入）很低，所以接至时钟线SIOC、数据线SIOD的上拉电阻阻值应在35 k之间，并且对于主设备发送参数完毕后，需立即释放数据线SIOD以保证其处于悬空状态，即主设备在送完一个字节后立即执行一条指令，使数据线SIOD发出读取信号的操作。 K0 O/ . |8 4 A& b/ d+ w9 u: O& m3 m6 : - j! Q主要结构 LENS：CAMERA的成像关键在于SENSOR，为了扩大CCD的采光率必须扩大单一象素的受光面积，在提高采光率的同时会导致画面质量下降。LENS就是相当于在SENSOR前面增加一副眼镜，SENSOR的采光率就不是由SENSOR的开口面积决定而是由LENS的表面积决定。 摄像头镜头由透镜结构组成，镜头主要决定画面清晰度（画面清透度、光线、远近景）、图像显示范围、画面处理速度，同时影响硬件支持的最高像素。摄像头镜头品质差异主要取决于镜头的材质和处理工艺。诺基亚部分手机就常自称是通过卡尔蔡司认证的镜头，有兴趣的朋友可以自己去查，下面只讲两个主要衡量指标： 材质：镜头从材质上分塑胶透镜（P）和玻璃透镜（G）两种，可以通过多种组合方式形成最后的镜头，常见的组合有：1P、2P、1G1P、1G2P、2G2P、2G3P、4G、5G（2P就是2片塑胶，2G2P就是2片玻璃2片塑胶，其它的类似）。透镜越多成像效果越好；玻璃透镜比塑胶的效果好，价格也更贵；加了镀膜玻璃的则更好，可以增加通光量，减少反光，使成像清晰，画质明亮鲜艳。 透光度（光圈系数）：透光度越强成像效果越好，透光度有标准衡量数值：f1，f1.4，f2，f2.8，f4，f5.6，f8，f11等，数值越低越好。$ d9 D, X6 ?4 B M感光层SENSOR（图象传感器）4 h* Z( q4 r P+ _8 J 与传统相机相比，传统相机使用“胶卷”作为其记录信息的载体，而数码摄像头的“胶卷”就是其成像感光器件，是数码拍摄的心脏。感光器是摄像头的核心，也是最关键的技术。( , E3 D; z1 e% h90年代制造出百万像素之高分辨率CCD，此时CCD的发展更是突飞猛进，算一算CCD发展至今也有二十多个年头了。进入90年代中期后，CCD技术得到了迅猛发展，同时，CCD的单位面积也越来越小。但为了在CCD面积减小的同时提高图像的成像质量，SONY与1989年开发出了SUPER HAD CCD，这种新的感光器件是在CCD面积减小的情况下，依靠CCD组件内部放大器的放大倍率提升成像质量。以后相继出现了NEW STRUCTURE CCD、EXVIEW HAD CCD、四色滤光技术（专为SONY F828所应用）。而富士数码相机则采用了超级CCD（Super CCD）、Super CCD SR。对于CMOS来说，具有便于大规模生产，且速度快、成本较低，将是数字相机关键器件的发展方向。目前，在CANON等公司的不断努力下，新的CMOS器件不断推陈出新，高动态范围CMOS器件已经出现，这一技术消除了对快门、光圈、自动增益控制及伽玛校正的需要，使之接近了CCD的成像质量。另外由于CMOS先天的可塑性，可以做出高像素的大型CMOS感光器而成本却不上升多少。相对于CCD的停滞不前相比CMOS作为新生事物而展示出了蓬勃的活力。作为数码相机的核心部件，CMOS感光器以已经有逐渐取代CCD感光器的趋势，并有希望在不久的将来成为主流的感光器。 影像感光器件因素对于数码相机来说，影像感光器件成像的因素主要有两个方面：一是感光器件的面积；二是感光器件的色彩深度。感光器件面积越大，成像较大，相同条件下，能记录更多的图像细节，各像素间的干扰也小，成像质量越好。但随着数码相机向时尚小巧化的方向发展，感光器件的面积也只能是越来越小。 除了面积之外，感光器件还有一个重要指标，就是色彩深度，也就是色彩位，就是用多少位的二进制数字来记录三种原色。非专业型数码相机的感光器件一般是24位的，高档点的采样时是30位，而记录时仍然是24位，专业型数码相机的成像器件至少是36位的，据说已经有了48位的CCD。 对于24位的器件而言，感光单元能记录的光亮度值最多有28=256级，每一种原色用一个8位的二进制数字来表示，最多能记录的色彩是256x256x256约16,77万种。对于36位的器件而言，感光单元能记录的光亮度值最多有212=4096级，每一种原色用一个12位的二进制数字来表示，最多能记录的色彩是4096x4096x4096约68.7亿种。举例来说，如果某一被摄体，最亮部位的亮度是最暗部位亮度的400倍，用使用24位感光器件的数码相机来拍摄的话，如果按低光部位曝光，则凡是亮度高于256备的部位，均曝光过度，层次损失，形成亮斑，如果按高光部位来曝光，则某一亮度以下的部位全部曝光不足，如果用使用了36位感光器件的专业数码相机，就不会有这样的问题。7 s( O7 J1 S% w! R. z7 N a图像传感器（SENSOR） 图像传感器（SENSOR）是一种半导体芯片，其表面包含有几十万到几百万的光电二极管。光电二极管受到光照射时，就会产生电荷。目前的SENSOR类型有两种：CCD（Charge Couple Device)电荷耦合器件，CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）互补金属氧化物半导体SENSOR主要是将穿过滤色层(搞懂这个)的光源转换成电子信号，并将信号传送到影像处理芯片（DSP），将影像还原。 摄像头图像传感器（SENSOR）将光转化为数字信号，并将信号传送给数字信号处理芯片（DSP）。图像传感器决定产品的画面清晰度（画面清透度、光线、噪点多少）、画面边缘处理能力、弱光成像补偿能力；影响硬件支持的最高像素、画面处理速度。我们常说的摄像头像素也主要由图像传感器决定。目前市面上常见的传感器材质分为CCD（电荷耦合器件）和CMOS（互补金属氧化物半导体）两种：% A! k( a4 c4 H& n* w CCD的优点是灵敏度高，噪音小，信噪比大，但是生产工艺复杂、成本高、功耗高；3 J1 J+ D$ l$ F4 W! ! , q CMOS的优点是集成度高、功耗低（不到CCD的1/3）、成本低，但是信噪比较大、灵敏度较低、对光源要求高。 一般认为CCD的成像效果比CMOS好，但是随着CMOS的改进和其他影像技术的弥补（如自动亮度、白平衡控制，色饱和度、对比度、边缘增强等），两者实际效果相差并不明显。另外最近爆出国外已研发出量子膜图像传感技术，性能比CCD和CMOS提升了4倍，但相信短时间内不会用在手机照相上。$ D) p6 , F7 u/ CCD（Charge Coupled Device，电荷耦合组件）使用一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号，数字信号经过压缩以后由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存，因而可以轻而易举地把数据传输给计算机，并借助于计算机的处理手段，根据需要和想像来修改图像。 CCD由许多感光单位组成，当CCD表面受到光线照射时，每个感光单位会将电荷反映在组件上，所有的感光单位所产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面。它就像传统相机的底片一样的感光系统，是感应光线的电路装置，你可以将它想象成一颗颗微小的感应粒子，铺满在光学镜头后方，当光线与图像从镜头透过、投射到CCD表面时， CCD就会产生电流，将感应到的内容转换成数码资料储存起来。CCD像素数目越多、单一像素尺寸越大，收集到的图像就会越清晰。因此，尽管CCD数目并不是决定图像品质的唯一重点，我们仍然可以把它当成相机等级的重要判准之一。目前扫描机、摄录放一体机、数码照相机多数配备CCD。 CCD经过长达35年的发展，大致的形状和运作方式都已经定型。CCD 的组成主要是由一个类似马赛克的网格、聚光镜片以及垫于最底下的电子线路矩阵所组成。目前有能力生产 CCD 的公司分别为：SONY、Philps、Kodak、Matsushita、Fuji和Sharp，大半是日本厂商。CMOS（Complementary etal-Oxide Semiconductor，附加金属氧化物半导体组件）和CCD一样同为在数码相机中可记录光线变化的半导体。CMOS的制造技术和一般计算机芯片没什么差别，主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体，使其在CMOS上共存着带N（带电）和 P（带+电）级的半导体，这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片纪录和解读成影像。然而，CMOS的缺点就是太容易出现杂点，这主要是因为早期的设计使CMOS在处理快速变化的影像时，由于电流变化过于频繁而会产生过热的现象。5 z3 K8 N0 W; X& w. v CMOS芯片主要用于外界光线后转化为电能，再透过芯片上的模拟转换器将获得的影像讯号转变为数字信号输出。在进行对光感的分析，还原色彩，去除杂质等一系列的运算，使得照片能够看起来非常的清晰。7 o7 T$ 9 A* o1 O. Q6 U. d) h 不过手机上的cmos采用的是最差的芯片，就算是拍照手机也不的cmos芯片也不能和相机里的cmos对比。因为手机的cmos芯片很小，要比相机里的cmos小很多，在对相片的分析和色彩还原，去除杂质等效果都有很大的差异。8 5 a( j+ V2 s0 W CMOS经过加工也可以作为数码摄影中的图像传感器，CMOS传感器也可细分为被动式像素传感器。CMOS传感器具有较高的灵敏度、较短曝光时间和日渐缩小的像素尺寸。由于许多场景的拍摄都是在照明条件很差的情况下进行的，因此拥有较大的动态范围将是十分有益的。 现在手机的摄像头都是CMOS摄像头，很少采用其他的传感器。因为CMOS的摄像头价格低廉，成像一般。对于手机来说，CMOS传感器已经够用了。, S9 b4 j ?* R, i $ |: : l9 Z ICCD和CMOS各自的利弊，我们可以从技术的角度来比较两者主要存在的区别：. a# p. l: E c# d4 ( 7 _ 1.信息读取方式不同。CCD传感器存储的电荷信息需在同步信号控制下一位一位的实施转移后读取，电荷信息转移和读取输出需要有时钟控制电路和三组不同的电源相配合，整个电路较为复杂。CMOS传感器经光电转换后直接产生电流（或电压）信号，信号读取十分简单。! C* X( r- A& D j1 u0 2.速度有所差别。CCD传感器需在同步时钟的控制下以行为单位一位一位的输出信息，速度较慢；而CMOS传感器采集光信号的同时就可以取出电信号，还能同时处理各单元的图象信息，速度比CCD快很多。0 7 g0 X# Z, d- x NB3. 电源及耗电量。CCD传感器电荷耦合器大多需要三组电源供电，耗电量较大；CMOS传感器只需使用一个电源，耗电量非常小，仅为CCD电荷耦合器的1/8到1/10，CMOS光电传感器在节能方面具有很大优势。/ L- K7 c( P- 7 T. U9 T T) T, r- P 4.成像质量。CCD传感器制作技术起步较早，技术相对成熟，采用PN结合二氧化硅隔离层隔离噪声，成像质量相对CMOS传感器有一定优势。由于CMOS传感器集成度高，光电传感元件与电路之间距离很近，相互之间的光、电、磁干扰较为严重，噪声对图象质量影响很大。 5.在相同分辨率下，CMOS价格比CCD便宜，但是CMOS器件产生的图像质量相比CCD来说要低一些。到目前为止，市面上绝大多数的消费级别以及高端数码相机都使用CCD作为感应器；CMOS感应器则作为低端产品应用于一些摄像头上。是否具有CCD感应器一度成为人们判断数码相机档次的标准之一。而由于 CMOS的制造成本和功耗都要低于CCD不少，所以很多手机生产厂商采用的都是CMOS镜头。现在，市面上大多数手机都采用的是CMOS摄像头，少数也采用了CCD摄像头。CMOS感应器则作为低端产品应用于一些摄像头上，若有哪家摄像头厂商生产的摄想头使用CCD感应器，厂商一定会不遗余力地以其作为卖点大肆宣传，甚至冠以“数码相机”之名。一时间，是否具有CCD感应器变成了人们判断数码相机档次的标准之一。CMOS影像传感器的优点之一是电源消耗量比CCD低，CCD为提供优异的影像品质，付出代价即是较高的电源消耗量，为使电荷传输顺畅，噪声降低，需由高压差改善传输效果。但CMOS影像传感器将每一画素的电荷转换成电压，读取前便将其放大，利用3.3V的电源即可驱动，电源消耗量比CCD低。2 f0 f$ ?& u; d) U; ?CMOS影像传感器的另一优点，是与周边电路的整合性高，可将ADC与讯号处理器整合在一起，使体积大幅缩小，例如，CMOS影像传感器只需一组电源，CCD却需三或四组电源，由于ADC与讯号处理器的制程与CCD不同，要缩小CCD套件的体积很困难。但目前CMOS影像传感器首要解决的问题就是降低噪声的产生，未来CMOS影像传感器是否可以改变长久以来被CCD压抑的宿命，往后技术的发展是重要关键。感光器件的发展CCD是1969年由美国的贝尔研究室所开发出来的。进入80年代，CCD影像传感器虽然有缺陷，由于不断的研究终于克服了困难，而于80年代后半期制造出高分辨率