Camera详解.ppt

1、模组知识交流会,Camera,第一部分 摄像头模组,Camera原理部分,Camera电路部分,Camera未来相关,基带原理部分,基带电路部分,第二部分 BB插座部分,基带未来相关,Camera原理部分,工作原理,选型设计,分类及对比,参数指标,工作原理,手机Camera的外观,工作原理,手机Camera的结构,工作原理,手机Camera的结构,工作原理如下： 景物通过镜头生成光学图片投射到感光器上，生成电信号，经过A/D转换后，送到DSP处理。再通过I/O口传到设备中处理。通过显示屏就可看到图象了。,工作原理,Camera的原理,手机Camera只用到模组，与上面所说的Camera有所不同

2、。 手机相机模组主要由镜头（lens），传感器（sensor），后端图像处理芯片（Backend IC），软板（FPC）四个部分组成。,工作原理如下： 摄像头的成像过程就是将光信号数字化的过程。光线首先通过镜头，到达感光元件（CCD或者CMOS），将光线转换为数字信号，然后数字信号被传送到一个专门的外理器(DSP),进行图像信号增强以及压缩优化后再传输到手机或者其它存储设备上，可以看到其中的每一个设备都对摄像头的整体性能都有影响。,工作原理,手机Camera的原理,工作原理,手机Camera的组成,高端手机CCM组成元件,工作原理,镜头(LENS)的原理,一般CAMERA的镜头结构是有几片透镜

3、组成 镜头材质有两种： 塑胶透镜（PLASTIC） 玻璃透镜（ GLASS） 通常用的镜头结构有1P, 2P, 1G1P, 1G3P, 2G2P, 4G等。 透镜越多，成本越高；玻璃透镜比塑胶透镜贵，但是玻璃透镜的成像效果比塑胶透镜的成像效果要好。目前市场上针对MOBILE PHONE配置的CAMERA以1G3P（1片玻璃透镜和3片塑胶透镜组成）为主，目的是降低成本。,工作原理,图像传感器(Sensor)的原理,图像传感器(Sensor)是一种半导体芯片，表面上有几百万的光电二极管，光电二极管受到光照射后，产生电荷。是摄像头的核心部件，也是关键技术。目前SENSOR有两种： CCD（CHARG

4、E COUPLE DEVICE ）：电荷藕合器件 CMOS：互补金属氧化物半导体 下面分别介绍下两种Sensor。,工作原理,CCD（电荷藕合器件）,CCD是由许多感光单位组成，通常以百万像素为单位。当CCD表面受到光线照射时，每个感光单位将电荷反影在组件上，将所有感光单位所产生的信号加起来，就构成一幅完整的画面。 CCD结构分三层： 1、第一层就是LENS，这影响SENSOR的采光率，是由LENS的表面积决定。 2、第二层“分色滤色片”其又分两种： A、RGB原色分色法，所有的颜色都由这三通道调节。 B、CMYK补色分色法，所有的颜色由四个通道调节。 3、第三层是SENSOR，主要将穿过滤色

5、层的光源转换成电子信号。 CCD特点： 成像质量好，价格高、功率高。一般是用于数码相机，能生产CCD的公司大多数是日本的，如SONY、FUJI等。,工作原理,CMOS（互补金属氧化物半导体）,CMOS的组成： 主要是利用硅和锗两种因素做成的半导体，使其在CMOS上共存着带N（负电）和带P（正电）的半导体， 这产生的电流即可被DSP处理和解读成影像。 CMOS特点： 成像质量差，优点就是集成度高，可将A/D转换与DSP集成，功率低，成本低，一般用于网络摄像头和手机摄像头。 市场上的摄像头模组以OV（OMNI VISION美国豪威科技）和MICRON（美光科技）为主 MIRCRO的SENSOR代表

6、型号有： MT9MO19：130W MT9D111：300W MI360：30W OV代表型号： OV7660 OV7670 0V79XX,工作原理,A/D转换器,ADC的两个重要指标是转换速度和量化精度，由于CAMERA SYSTEM中高分辨率图象的象素量庞大，因此对速度转换器的要求很高。 同时量化精度对应的ADC转换器将每一个象素的亮度和色彩值量化为若干的等级，这个等级就是CAMERA的色彩深度。 由于CMOS已经具备数字化传输接口，所以不需要A/D。,工作原理,DSP,DSP结构框架 1. ISP（image signal processor）（镜像信号处理器） 2. JPEG enco

7、der（JPEG图像解码器） 3. USB device controller（USB设备控制器）,目前ISP处理的能力： 自动增益控制 自动曝光控制 自动白平衡调节 边缘强化 噪音抑制优化 色彩饱和度控制 坏点补偿,CCD详解,CMOS详解,分类及对比,关于CCD和CMOS两种感光器件的详细介绍,分类及对比,CCD和CMOS各自的利弊,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。 速度有所差别 C

8、CD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。 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。,分类及对比,CCD和CMOS各自的利弊,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，

9、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。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。,CCD CCD（Charge Coupled Device，电荷耦合组件）使用一种高感光度的

10、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

11、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 CMOS（Complementary etal-Oxide Semiconductor，附加金属氧化物半导

12、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。,参数指标,闪光灯 闪光灯的英文学名为Flash Light。闪光灯也是加强曝光量的方式之一，尤其在昏暗的地方，打闪光灯有助于让景物更明亮。使用闪光灯也会出现弊端，例如在拍人物时，闪光灯的光线

13、可能会在眼睛的瞳孔发生残留的现象，进而发生红眼的情形，因此许多相机商都将“消除红眼”这项功能加入设计。 消除红眼：在闪光灯开启前先打出微弱光让瞳孔适应，然后再执行真正的闪光，避免红眼发生。中低档数码相机一般都具备三种闪光灯模式，即自动闪光、消除红眼与关闭闪光灯。再高级一点的产品还提供“强制闪光”，甚至“慢速闪光”功能。,参数指标,变焦 变焦分两种，一种是数字变焦；一种是光学变焦。作用与手机上，多数都采用数字变焦。 连拍 连拍功能英文学名为continuous shooting，是通过节约数据传输时间来捕捉摄影时机。连拍模式通过将数据装入数码相机内部的高速存储器（高速缓存），而不是向存储卡传输数

14、据，可以在短时间内连续拍摄多张照片。由于数码相机拍摄要经过光电转换，a/d转换及媒体记录等过程，其中无论转换还是记录都需要花费时间，特别是记录花费时间较多。,参数指标,像素 像素数包括有效像素（Effective Pixels）和最大像素（Maximum Pixels）。 对于手机的数码相机像素，目前处于快速发展阶段，与数码相机相比像素数并不很高，大都在30万- 300万像素之间，少数处于500-800w。,有效像素 有效像素数英文名称为Effective Pixels。与最大像素不同，有效像素数是指真正参与感光成像的像素值。最高像素的数值是感光器件的真实像素，这个数据通常包含了感光器件的非成

15、像部分，而有效像素是在镜头变焦倍率下所换算出来的值。 数码图片的储存方式一般以像素（Pixel）为单位，每个象素是数码图片里面积最小的单位。像素越大，图片的面积越大。要增加一个图片的面积大小，如果没有更多的光进入感光器件，唯一的办法就是把像素的面积增大，这样一来，可能会影响图片的锐力度和清晰度。所以，在像素面积不变的情况下，数码相机能获得最大的图片像素，即为有效像素。,参数指标,最大像素 最大像素英文名称为Maximum Pixels，所谓的最大像素是经过插值运算后获得的。插值运算通过设在数码相机内部的DSP芯片，在需要放大图像时用最临近法插值、线性插值等运算方法，在图像内添加图像放大后所需要

16、增加的像素。插值运算后获得的图像质量不能够与真正感光成像的图像相比。以最大像素拍摄的图片清晰度比不上以有效像素拍摄的。 自动白平衡 白平衡英文名称为White Balance。物体颜色会因投射光线颜色产生改变，在不同光线的场合下拍摄出的照片会有不同的色温。例如以钨丝灯(电灯泡)照明的环境拍出的照片可能偏黄，一般来说，CCD没有办法像人眼一样会自动修正光线的改变。 图象传感器的图象数据被读取后，系统将对其进行针对镜头的边缘畸变的运算修正，然后经过坏像处理后被系统送进去进行白平衡处理（在不同的环境光照下，人类的眼睛可以把一些“白”色的物体都看成白色，是因为人眼进行了修正。但是SENSOR没有这种功

17、能，因此需要对SENSOR输出的信号进行一定的修正，这就是白平衡处理技术）。,参数指标,图像压缩方式JPEG (joint photographic expert group)静态图像压缩方式。一种有损图像的压缩方式。压缩比越大，图像质量也就越差。当图像精度要求不高存储空间有限时，可以选择这种格式。目前大部分数码相机都使用JPEG格式。 图像噪音 指的是图像中的杂点干扰，表现为图像中有固定的彩色杂点。 视角 与人的眼睛成像是相似原理，简单说就是成像范围。 电源 好的摄像头内部电源也是保证摄像头稳定工作的一个因素。 图像格式(image Format/ Color space) RGB24：表示

18、R、G、B三种颜色各8bit，最多可表现色。 I420：YUV格式之一。（YUV，YCbCr，RGB之间的换算） 其它格式有: RGB565，RGB444，YUV4:2:2等,参数指标,彩色深度（色彩位数） 反映对色彩的识别能力和成像的色彩表现能力，就是用多少位的二进制数字来记录三种原色。实际就是A/D转换器的量化精度，是指将信号分成多少个等级，常用色彩位数（bit）表示。彩色深度越高，获得的影像色彩就越艳丽动人。 非专业的SENSOR一般是24位；专业型SENSOR至少是36位。 24位的SENSOR，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位的二进制数字来记录，最多

19、记录的色彩是256256256约1677万种。 36位的SENSOR，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位的二进制数字来记录，最多记录的色彩是409640964096约68.7亿种。,数字变焦 数字变焦也称为数码变焦，英文名称为Digital Zoom，数码变焦是通过数码相机内的处理器，把图片内的每个象素面积增大，从而达到放大目的。这种手法如同用图像处理软件把图片的面积改大，不过程序在数码相机内进行，把原来CCD影像感应器上的一部份像素使用插值处理手段做放大,将CCD影像感应器上的像素用插值算法将画面放大到整个画面。 与光学变焦不同，数码变焦是在感光器件垂直

20、方向向上的变化，而给人以变焦效果的。在感光器件上的面积越小，那么视觉上就会让用户只看见景物的局部。但是由于焦距没有变化，所以，图像质量是相对于正常情况下较差。通过数码变焦，拍摄的景物放大了，但它的清晰度会有一定程度的下降，所以数码变焦并没有太大的实际意义。不过索尼独创 “智能数码变焦”，据说该先进技术，可以使图像在数码变焦之后仍然保持一定的清晰度。,光学变焦 光学变焦英文名称为Optical Zoom，数码相机依靠光学镜头结构来实现变焦。数码相机的光学变焦方式与传统35mm相机差不多，就是通过镜片移动来放大与缩小需要拍摄的景物，光学变焦倍数越大，能拍摄的景物就越远。光学变焦是通过镜头、物体和焦

21、点三方的位置发生变化而产生的。当成像面在水平方向运动的时候，如下图，视觉和焦距就会发生变化，更远的景物变得更清晰，让人感觉像物体递进的感觉。 家用摄录机的光学变焦倍数在10倍22倍，能比较清楚的拍到70米外的东西。使用增倍镜能够增大摄录机的光学变焦倍数。如果光学变焦倍数不够，我们可以在镜头前加一增倍镜，其计算方法是这样的，一个2倍的增距镜，套在一个原来有4倍光学变焦的数码相机上，那么这台数码相机的光学变焦倍数由原来的1倍、2倍、3倍、4倍变为2倍、4倍、6倍和8倍，即以增距镜的倍数和光学变焦倍数相乘所得。,YUV YUV主要用于优化彩色视频信号的传输，使其向后相容老式黑白电视。与RGB视频信号

22、传输相比，它最大的优点在于只需占用极少的频宽（RGB要求三个独立的视频信号同时传输）。其中“Y”表示明亮度（Luminance或Luma），也就是灰阶值；而“U”和“V” 表示的则是色度（Chrominance或Chroma），作用是描述影像色彩及饱和度，用于指定像素的颜色。 Y是透过RGB输入信号来建立的，方法是将RGB信号的特定部分叠加到一起。 “色度”则定义了颜色的两个方面色调与饱和度，分别用Cr和CB来表示。 Cr反映了RGB输入信号红色部分与RGB信号亮度值之间的差异。 Cb反映了RGB输入信号蓝色部分与RGB信号亮度值之同的差异。,RGB，YUV，YCbCr之间的转换 YUVRGB

23、 Y= 0.299*R + 0.587*G + 0.114*B U= -0.147*R - 0.289*G + 0.436*B = 0.492*(B- Y) V= 0.615*R - 0.515*G - 0.100*B = 0.877*(R- Y) R = Y + 1.140*V G = Y - 0.394*U - 0.581*V B = Y + 2.032*U YCbCrRGB Y = 0.257*R + 0.504*G + 0.098*B + 16 Cb = -0.148*R - 0.291*G + 0.439*B + 128 Cr = 0.439*R - 0.368*G - 0.071*

24、B + 128 R = 1.164*(Y-16) + 1.596*(Cr-128) G = 1.164*(Y-16) - 0.813*(Cr-128) - 0.392*(Cb-128) B = 1.164*(Y-16) + 2.017*(Cb-128),*1.感光芯片（CMOS / CCD） 2.镜头组（Glass / Plastic) * 另外手机摄像模组使用的CMOS微型感光芯片上，有区分SOC和Image Sensor Only的两类，SOC的芯片是已经将集成了影像处理器（ISP）的，此类芯片一般无需借助其他第三方的ISP来进行影像技术的控制和处理。,CCM关键元件参数,选型设计,感光芯

25、片（image sensor only / soc） 材质区分（主要有CCD和CMOS之分，不同厂家品牌） 光学格式（1/4,5,6英寸等） 像素（3.25.08.0百万像素等） 色彩深度（24，36，48位等) 主光线入射角CRA （一般而言，要求控制在20度以内） 动态范围 （5080dB,较专业的有的达140dB了） 信噪比 （4555dB，小芯片建议不要低于40dB） 感光面积 （实指有效像素区域面积） 单个像素大小（如1.75nm，2.2nm，2.8nm等）,CCM关键元件参数,选型设计,CCM关键元件参数,选型设计,镜头组（Glass / Plastic） 材质区

26、分（主要有Glass和Plastic之分,通常情况下，玻璃 的镜头都会比塑胶的要贵，但效果也要好） 镜头群组（1P,2P,3P,4P,1G3P,2G2P,4G的等） 镜头焦距（焦距的长短影响着景深的范围和取景的视角等） 景深范围（景深的大小与镜头口径及焦距有关) 光圈：光圈大，景深小；光圈小则景深大 焦距：焦距长，景深小；焦距短则景深大 拍摄距离：距离远景深大，距离近景深小 镜头畸变（成像与实物失去几何相似性的现象，建议2%） 镜头解像力（分辨事物细节的能力，要配合Sensor） 镜头视角（视角主要影响取景画面范围）,模组尺寸（结构尺寸是否符合产品设计与性能要求） 封装方式（COB，CSP）

27、芯片规格（芯片型号是否能得到平台的支持） 镜头规格（镜头的选用是否是最佳适配芯片的镜头） 镜头组群：1P，2P，3P，4P，1G2P，1G3P，2G2P等 EFL：有效焦长 FOV：视角 /（视角越趋向于广角，取景范围则更大） 镜头解像力：解像力是否达标，镜头是否适配芯片的需求 相对畸变量：参考值 3%或按规格定 相对照度：测试镜头边缘与中心的透光比不宜低于80 DSP方案（配置及选用，板载还是CCM集成）,CCM选型考虑因素,选型设计,摄像头的一些评价指标： 解像力（Resolution） 成像均匀度（Lens Shading） 局部色偏（Color Shading） 相对畸变（Distor

28、tion） 色彩还原准确性（Color Reproduction Accuracy） 色彩饱和度（Saturation） 噪音比（Noise） 自动白平衡（Auto White Balance） 曝光偏差（Exposure Bias） 灰阶检查（Gray Scale） 实景拍摄（Real Scene Shooting） 坏点检查（Bad Pixel Inspection）,摄像头评价指标,选型设计,硬件方面： 电源设计 摄像模组的电源供给必须干净，要采用独立的LDO。同时 外部电源与LDO应离CCM越近越好。另外，对于Power Noise一般在手机中要控制在150mv以内。 地线设计 模组的

29、地线设计也要与其他线路分开（尤其是要与LCD驱 动的地线分开）。Digital GND和手机Main GND之间用零电阻连接，并且离Connector越近越好。 天线方面 为了防止射频干扰，CCM（Sensor）应距离天线至少5mm 同时CCM（Sensor）也应该远离手机中心区域，远离天线Feed Pin。,硬件设计注意要点,选型设计,模组电路原理图,Camera电路部分,模组电路管脚功能,Camera电路部分,手机摄像头除了拍照还能做什么？这个叫做Screen FTP的软件开创了摄像头应用的全新领域。通过摄像头从互联网上无线下载数据。有些令人难以置信吧。先看看下面的这幅小动画，演示了整个下

30、载过程。,手机摄像头的妙用,Camera未来相关,这个软件名叫Screen FTP，故名思义，肯定与屏幕有关，当然这个屏幕不是指手机屏幕，而是指你的PC显示屏。通过登陆ScreenFTP的网站，我们可以将PC中一个需要传到手机里的本地文件上传至服务器。然后再服务器端就会对该文件进行编码，并以图形像素动画的形式表现在WEB页面上。这时您只要将手机的摄像头对准屏幕上生成的动画，手机端的软件就会开始对摄像头捕捉到的动画解码，从而实现文件下载的目的。 这项技术已经应用于诺基亚S60系列的手机，有摄像头的用户感兴趣的话，可以一试哦。遗憾的是，目前通过这种方式还不能下载较大的文件，并且这个下载过程也比较缓

31、慢。,手机摄像头的妙用,Camera未来相关,Camera未来相关,紧凑型5百万像素自动对焦摄像头模块,捷普推出其突破性的摄像头模块 在2010世界移动大会上描绘未来,世界第一个2百万像素可回焊晶圆级摄像头,5百万像素的摄像头模块 可在紧凑的8.5x8.5x6.0 mm封装单元实现自动对焦功能 MD6054A嵌入式自动对焦摄像头模块具有高强镜头，即便在小的封装单元中仍可实现高品质画面。该摄像头模块包含了一个高度整合的5百万像素(25921944)的摄像头芯片、CMOS图像感应器和整合的图像信号处理器(ISP)以及高性能光学和自动对焦执行器。整合在主板上的图像信号处理器使用了1.4m CMOS

32、高分辨技术。它能够实现完美的图像处理功能，包括色彩还原和修正、轮廓增强、镜头黑点校正、瑕疵修复、自动曝光、自动白平衡以及图像缩放。符合工业标准的mm尺寸的封装使它可以满足一个很广范围型号的手机、笔记本电脑和智能手机的应用。,超小的可回焊晶圆级摄像头模块 PW3625A嵌入式摄像头模块具有先进的光学和组装技术，由此可以生产超小的 mm封装光学模块。这种非常紧凑的尺寸使得模块适用于通常在低价手机上需要的非常小和薄的组件上、以及上网本或者其它手提电脑的面板框上。这个高度集成的2百万像素(16001200)摄像头芯片包括了CMOS图像传感器和与晶圆级光学组件结合的图

33、像信号处理器。整合在电路板上的图像信号处理器功能包括色彩复原和校正、轮廓增强、镜头黑点校正、瑕疵修复、自动曝光、自动白平衡以及图像缩放。该模块可回焊并为64引脚球阵列封装(BGA)。这种晶圆级模块的应用包括手机、智能手机、手提电脑、无线安全摄像机和生物特征识别摄像机上。 还有一个额外优势是，两种产品均提供条码识别，随着消费者开始使用移动设备进行采购，这一功能也会变得越来越重要。 两种摄像头模块都已经开始全球销售。,Camera基带原理图,基带原理部分,Camera基带电路图(整体),基带电路部分,Camera：插座,基带电路部分,Camera：电源 EMI ESD,基带电路部分,Camera：MCU（I2C）,基带电路部分,Camera： MCU（YUV和时钟）,基带电路部分,Camera：PMU(1.8v 2.8v),基带电路部分,Camera：PMU(1.8v 2.8v),基带电路部分,Camera：