手机摄像头的分类技术指标及工作原理doc.docx
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手机摄像头的分类,技术指标及工作原理
1.1 手机摄像头概述
手机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。
手机摄像头分为内置与外置，内置摄像头是指摄像头在手机内部，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。
处于发展阶段的手机的数码相机的性能应该也处于初级阶段，带有光学变焦的手机目前国内销售的还没有这个功能，不过相信随着手机数码相机功能的发展，带有光学变焦的手机也会逐渐上市，但大部分都拥有数码变焦功能。
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，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。
1.2Camera分类
Camera一般分为Digitalcamera 数字式与DigitalStillCameras模拟式。
1.2.1Digitalcamera 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HOSTSYSTEM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,MINIUSB…）与HOSTSYSTEM连接，经过HOSTSYSTEM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
CAMERA。
1.2.2Simulantcamera 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SYSTEMMEMORY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HOSTSYSTEM上运用，经HOSTSYSTEM的编辑，通过DISPLAY显示和输出。
1.3Camera结构
1.3.1CCD结构
分三层：
LENS、分色滤色片、感光层
第1层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。
第2层分色滤色片：
目前分色滤色片有两种分色方法：
RGB原色分色法，就是三原色分色法，几乎所有的人类眼睛可以识别的颜色都可以通过R.G.B来组成，RGB就是通过这三个通道的颜色调节而成。
CMYK补色分色法，由四个通道的颜色配合而成，分别是青（C）、洋红（M）、黄（Y）、黑（K），但是调节出来的颜色不如RGB的颜色多。
第3层感光层SENSOR
CCD的第三层是SENSOR，SENSOR主要是将穿过滤色层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。
1.3.2LENS（镜头）
一般CAMERA的镜头结构是有几片透镜组成，分有塑胶透镜（PLASTIC）和玻璃透镜（GLASS），通常CAMERA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MOBILEPHONE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。
1.3.3SENSOR（图象传感器）
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（ChargeCoupleDevice），电荷耦合器件CMOS（ComplementaryMetalOxideSemiconductor），互补金属氧化物半导体
1.3.4A/D转换器
A/D转换器即ADC（AnalogDigitalConverter 模拟数字转换器）ADC的两个重要指标是转换速度和量化精度，由于CAMERASYSTEM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。
数字信号处理芯片（DSP，DIGITALSIGNALPROCESSING）功能：
主要是通过一系列复杂的数学算法运算，对数字图像信号参数进行优化处理，并把处理后的信号通过USB等接口传到PC等设备。
1.3.5DSP结构框架
1.ISP（imagesignalprocessor）（图像信号处理器）
2.JPEGencoder（JPEG图像解码器）
3.USBdevicecontroller（USB设备控制器）
1.4Camera技术指标
1.4.1
图像压缩方式JPEG
（jointphotographicexpertgroup）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。
1.4.2
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。
1.4.3
视角
与人的眼睛成像是相似原理，简单说就是成像范围。
1.4.4
白平衡处理技术（AWB）
要求在不同色温环境下，照白色的物体，屏幕中的图像应也是白色的。
色温表示光谱成份，光的颜色。
色温低表示长波光成分多。
当色温改变时，光源中三基色（红、绿、蓝）的比例会发生变化，需要调节三基色的比例来达到彩色的平衡，这就是白平衡调节的实际。
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）。
1.4.5
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。
1.4.6
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2^8=256级，每一种原色用一个8位的二进制数字来记录，最多记录的色彩是256×256×256约16，77万种。
36位的SENSOR，感光单元能记录的光亮度值最多有2^12=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4096×4096×4096约68.7亿种。
1.4.7
输出/输入接口（IO）
串行接口（RS232/422）:
传输速率慢，为115kbit/s。
并行接口（PP）：
速率可以达到1Mbit/s。
红外接口（IrDA）：
速率也是115kbit/s，一般笔记本电脑有此接口。
通用串行总线USB：
即插即用的接口标准，支持热插拔。
USB1.1速率可12Mbit/s,USB2.0可达480bit/s。
IEEE1394（火线）接口（亦称ilink）:
其传输速率可达100M~400Mbit/s。
1.4.8
图像格式（imageFormat/Colorspace）
RGB24,I420是目前最常用的两种图像格式。
RGB24：
表示R、G、B三种颜色各8bit，最多可表现色。
I420：
YUV格式之一。
其它格式有:
RGB565，RGB444，YUV4:
2:
2等。
1.4.9
分辨率（Resolution）
所谓分辨率就是指画面的解析度，由多少象素构成的数值越大，图像也就越清晰。
分辨率不仅与显示尺寸有关，还会受到显像管点距、视频带宽等因素的影响。
我们通常所看到的分辨率都以乘法形式表现的，比如1024*768，其中的1024表示屏幕上水平方向显示的点数，768表示垂直方向的点数。
SXGA（1280x1024）又称130万像素
XGA（1024x768）又称80万像素
SVGA（800x600）又称50万像素
VGA（640x480）又称30万像素（35万是指648X488）
CIF（352x288） 又称10万像素
SIF/QVGA（320x240）
QCIF（176x144）
QSIF/QQVGA（160x120）
1.5Camera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。
1.6Camera常用术语解释
1.6.1
像素
数码相机的像素数包括有效像素（EffectivePixels）和最大像素（MaximumPixels）。
与最大像素不同的是有效像素数是指真正参与感光成像的像素值，而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像部分，而有效像素是在镜头变焦倍率下所换算出来的值。
对于手机的数码相机像素，目前只能处于初级发展阶段，像素数并不很高，大都在30万--200万像素之间。
数码相机的像素数越大，所拍摄的静态图像的分辨率也越大，相应的一张图片所占用的空间也会增大。
1.6.2
有效像素
有效像素数英文名称为EffectivePixels。
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。
1.6.3
最大像素
最大像素英文名称为MaximumPixels，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。
1.6.4
传感器
作为手机新型的拍摄功能，内置的数码相机功能与我们平时所见到的低端的（30万--200万像素）数码相机相同。
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，而数码相机的“胶卷”就是其成像感光器件，而且是与相机一体的，是数码相机的心脏。
感光器是数码相机的核心，也是最关键的技术。
目前手机数码相机的核心成像部件有两种：
一种是广泛使用的CCD（电荷藕合）元件；另一种是CMOS（互补金属氧化物导体）器件。
1.6.5CCD
电荷藕合器件图像传感器CCD（ChargeCoupledDevice），它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，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。
CCD和传统底片相比，CCD更接近于人眼对视觉的工作方式。
只不过，人眼的视网膜是由负责光强度感应的杆细胞和色彩感应的锥细胞，分工合作组成视觉感应。
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。
1.6.6CMOS
互补性氧化金属半导体CMOS（ComplementaryMetal-OxideSemiconductor）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。
1.6.7CCM
CCM其实就是CMOS镜头，只是CCM的画质比CMOS高一点，拍照时感应速度也较快，但以照片品质来说还是逊色于CCD镜头，在实际拍摄中也可以感觉出来，取景速度非常快，就算迅速移动手机摄像头时，屏幕都可以迅速显示所捕抓的画面，过程非常流畅，几乎没有什么延迟。
1.6.8CCD与CMOS的不同
由两种感光器件的工作原理可以看出，CCD的优势在于成像质量好，但是由于制造工艺复杂，只有少数的厂商能够掌握，所以导致制造成本居高不下，特别是大型CCD，价格非常高昂。
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，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。
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且高品质的CCD。
到了90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SUPERHADCCD，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NEWSTRUCTURECCD、EXVIEWHADCCD、四色滤光技术（专为SONYF828所应用）。
而富士数码相机则采用了超级CCD（SuperCCD）、SuperCCDSR。
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2^8=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2^12=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。
1.6.9
闪光灯
闪光灯的英文学名为FlashLight。
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，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。
1.6.10
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，多数都采用数码变焦。
1.6.11
数字变焦
数字变焦也称为数码变焦，英文名称为DigitalZoom，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。
1.6.12
光学变焦
光学变焦英文名称为OpticalZoom，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。
显而易见，要改变视角必然有两种办法，一种是改变镜头的焦距。
用摄影的话来说，这就是光学变焦。
通过改变变焦镜头中的各镜片的相对位置来改变镜头的焦距。
另一种就是改变成像面的大小，即成像面的对角线长短在目前的数码摄影中，这就叫做数码变焦。
实际上数码变焦并没有改变镜头的焦距，只是通过改变成像面对角线的角度来改变视角，从而产生了“相当于”镜头焦距变化的效果。
如今的数码相机的光学变焦倍数大多在2倍－5倍之间，即可把10米以外的物体拉近至5-3米近；也有一些数码相机拥有10倍的光学变焦效果。
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。
1.6.13
连拍
连拍功能英文学名为continuousshooting，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。
因此，所有数码相机的连拍速度都不很快。
连拍一般以帧为计算单位，好像电影胶卷一样，每一帧代表一个画面，每秒能捕捉的帧数越多，连拍功能越快。
目前，数码相机中最快的连拍速度为7帧/秒，而且连拍3秒钟后必须再过几秒才能继续拍摄。
当然，连拍速度对于摄影记者和体育摄影受好者是必须注意的指标，而普通摄影场合可以不必考虑。
一般情况下，连拍捕捉的照片，分辨率和质量都会有所减少。
有些数码相机在连拍功能上可以选择，拍摄分辨率较小的照片，连拍速度可以加快，反之，分辨率 大的照片的连拍速度会相对减缓。
通过连续快拍模式，只须轻按按钮，即可连续拍摄，将连续动作生动地记录下来。
1.6.14
自动白平衡
白平衡英文名称为WhiteBalance。
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。
白平衡就是无论环境光线如何，让数码相机默认“白色”，就是让他能认出白色，而平衡其他颜色在有色光线下的色调。
颜色实质上就是对光线的解释，在正常光线下看起来是白颜色的东西在较暗的光线下看起来可能就不是白色，还有荧光灯下的"白"也是"非白"。
对于这一切如果能调整白平衡，则在所得到的照片中就能正确地以"白"为基色来还原其他颜色。
现在大多数的商用级数码相机均提供白平衡调节功能。
正如前面提到的白平衡与周围光线密切相关，因而，启动白平衡功能时闪光灯的使用就要受到限制，否则环境光的变化会使得白平衡失效或干扰正常的白平衡。
1.6.15
视频拍摄
短片拍摄功能即数码相机具备拍摄视频文件的功能。
有别于DV（数码摄像机），数码相机只可以把视频文件存
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