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手机摄像头的组成结构和工作原理

2019-07-13 16:24发布生成海报

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手机摄像头的组成结构和工作原理

手机摄像头由：PCB板、镜头、固定器和滤 {MOD}片、DSP(CCD用)、传感器等部件组成。工作原理为：拍摄景物通过镜头，将生成的光学图像投射到传感器上，然后光学图像被转换成电信号，电信号再经过模数转换变为数字信号，数字信号经过DSP加工处理，再被送到手机处理器中进行处理，最终转换成手机屏幕上能够看到的图像。

PCB板

摄像头中用到的印刷电路板，分为硬板、软板、软硬结合板三种。

镜头

镜头是将拍摄景物在传感器上成像的器件，它通常由由几片透镜组成。从材质上看，摄像头的镜头可分为塑胶透镜和玻璃透镜。

镜头有两个较为重要的参数：光圈和焦距。光圈是安装在镜头上控制通过镜头到达传感器的光线多少的装置，除了控制通光量，光圈还具有控制景深的功能，光圈越大，景深越小，平时在拍人像时背景朦胧效果就是小景深的一种体现。景深是指在摄影机镜头前能够取得清晰图像的成像所测定的被摄物体前后距离范围。

数值越小，光圈越大，进光量越多，画面比较亮，焦平面越窄，主体背景虚化越大；值越大，光圈越小，进光量越少，画面比较暗，焦平面越宽，主体前后越清晰。焦距是从镜头的中心点到传感器平面上所形成的清晰影像之间的距离。根据成像原理，镜头的焦距决定了该镜头拍摄的物体在传感器上所形成影像的大小。比如在拍摄同一物体时，焦距越长，就能拍到该物体越大的影像。长焦距类似于望远镜。

固定器和滤 {MOD}片

固定器的作用，实际上就是来固定镜头，另外固定器上还会有一块滤 {MOD}片。滤 {MOD}片也即“分 {MOD}滤 {MOD}片”，目前有两种分 {MOD}方式，一种是RGB原 {MOD}分 {MOD}法，另一种是CMYK补 {MOD}分 {MOD}法。原 {MOD}CCD的优势在于画质锐利， {MOD}彩真实，但缺点则是噪声问题，一般采用原 {MOD}CCD的数码相机，ISO感光度多半不会超过400。相对的，补 {MOD}CCD多了一个Y黄 {MOD}滤 {MOD}器，牺牲了部分影像的分辨率，但ISO值一般都可设定在800以上。

DSP（数字信号处理芯片）

它的功能是通过一系列复杂的数学算法运算，对数字图像信号进行优化处理，最后把处理后的信号传到显示器上。

上面所说的DSP是CCD中会使用，是因为在CMOS传感器的摄像头中，其DSP芯片已经集成到CMOS中，从外观上来看，它们就是一个整体。而采用CCD传感器的摄像头则分为CCD和DSP两个独立部分。

传感器

传感器是摄像头组成的核心，也是最关键的技术，它是一种用来接收通过镜头的光线，并且将这些光信号转换成为电信号的装置。感光器件面积越大，捕获的光子越多，感光性能越好，信噪比越低。摄像头传感器主要有两种，一种是CCD传感器，一种是CMOS传感器。两者区别在于： CCD的优势在于成像质量好，但是由于制造工艺复杂，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。

相对于CCD传感器，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。另外偶尔还会提到CCM传感器，CCM(Compact CMOS module)实际上是CMOS的一种，只是CCM经过一些处理，画质比CMOS高一点，拍照时感应速度也较快，但照片品质还是逊 {MOD}于CCD。有的厂家在宣传中会提到“背照式”、“BSI”等概念，实际上BSI就是背照式CMOS的英文简称，背照式CMOS是CMOS的一种，它改善了传统CMOS感光元件的感光度，在夜拍和高感的时候成像效果相对好一些。

手机摄像头基础知识解析

像素：通常所说的“XXX万像素”实际是指相机的分辨率，其数值大小主要由相机传感器中的像素点（即最小感光单位）数量决定，例如500万像素就意味着传感器中有500万个像素点，和手机屏幕中的像素数量决定屏幕是720p或1080p分辨率是一个道理。像素决定照片质量？通常会以为相机像素越高，拍的照片就越清晰，实际上。相机的像素唯一能决定的是其所拍图片的分辨率，而图片的分辨率越高，只代表了图片的尺寸越大，并不能说明图片越清晰。但是当前主流的手机屏幕为1080p级别（1920×1080像素），无论是1300万像素相机所得的4208×3120像素照片，还是800万像素摄像头的3200×2400像素照片，都超出了1080p屏的解读范围，最终都会以1920×1080像素显示，所以肉眼所看到的清晰度也是没有区别的。那么高像素的优势在哪里呢？更高像素的相机所拍图片的尺寸更大，假如我们想把样张打印出来，以常规的300像素/英寸的打印标准来计算，1300万像素相机所拍的4208×3120像素样张，可打印17英寸照片，而800万像素相机的3200×2400像素样张，打印超过13英寸的照片就开始模糊了。很显然1300万像素相机样张可打印的尺寸更大。既然像素不是决定图片质量的关键因素，那么谁才是呢？答案是传感器。相机传感器主要分两种：CCD和CMOS。CCD传感器虽然成像质量好，但是成本较高，并不适用于手机，而CMOS传感器凭借着较低的功耗和价格以及优异的影像品质，在手机领域应用最为广泛。

CMOS传感器又分为背照式和堆栈式两种，二者系出同门，技术最早都由索尼研发，索尼背照式传感器品牌名为“Exmor R”，堆栈式传感器为“Exmor RS”。相对来说，传感器尺寸越大，感光性能越好，捕捉的光子（图形信号）越多，信噪比越低，成像效果自然也越出 {MOD}，然而更大的传感器却会导致手机的体积、重量、成本增加。

背照式传感器的出现，有效的解决了这个问题，在相同尺寸下，它使传感器感光能力提升了100%，有效地改善了在弱光环境下的成像质量。 2012年8月，索尼发布了全新堆栈式传感器（Exmor RS CMOS），需要注意的是，它和背照式传感器并非演进关系，而是并列关系，堆栈式传感器的主要优势是在像素数保持不变的情况下，让传感器尺寸变得更小，也可以理解为，在与背照式传感器的像素数相同时，堆栈式传感器的尺寸会更小，从而节省了空间，让手机变得更薄、更轻。 镜头：多多益善 镜头是将拍摄景物在传感器上成像的器件，相当于相机的“眼睛”，通常由几片透镜组成，光线信号通过时，镜片们会层层过滤杂光（红外线等），所以，镜头片数越多，成像就越真实。 光圈：还是大了好 光圈由镜头中几片极薄的金属片组成，可以通过改变光圈孔的大小控制进入镜头到达传感器的光线量。光圈的值通常用f/2.2、f/2.4来表示，数字越小，光圈就越大，两者成反比例关系。

它的工作原理是，光圈开得越大，通过镜头到达传感器的光线就越多，成像画面就越明亮，反之画面就越暗。因此，在夜拍或暗光环境下，大光圈的成像优势就更明显。除了控制通光量，光圈还具有控制景深的功能。生活中，我们时常会看到背景虚化效果很强的照片，不仅突出了拍摄焦点，还具有很唯美的艺术感，而这就是所谓的景深。光圈开的越大，景深越小，背景虚化效果就更明显。

ISP芯片是“大脑” 在说ISP（Image Signal Processing，中文译为“图形信号处理”）之前，我们先来了解一下手机的拍照过程。按动快门后，光线从镜头进入，到达传感器，传感器负责采集、记录光线，并把它转换成电流信号，然后交由ISP图形信号处理器（以下简称ISP芯片）进行处理，最后由手机处理器处理储存。 ISP芯片的作用就是对传感器输入的信号进行运算处理，最终得出经过线性纠正、噪点去除、坏点修补、颜 {MOD}插值、白平衡校正、曝光校正等处理后的结果。ISP芯片能够在很大程度上决定手机相机最终的成像质量，通常它对图像质量的改善空间可达10%-15%。 ISP芯片分为集成和独立两种，独立ISP芯片处理能力优于集成ISP芯片，但成本更高。采用处理器配套的集成iSP芯片优势是降低了手机的研发和生产成本，但缺点是： 1. 优秀的处理器厂商并不一定擅长开发ISP芯片，其成像质量不如独立ISP芯片； 2. 无法保证与所选用的传感器契合，两者如果配合不好，对成像质量是有负作用的，这就限制了手机对传感器的选择； 3. 当前相同价段的手机大多采用相同的处理器，相同的处理器就意味着相同的ISP方案，这就导致严重的同质化现象。不过这其中也有一个特例，那就是iPhone，众所周知，iPhone搭载的是自家的苹果处理器，所以，尽管iPhone采用了集成ISP芯片，但以上缺点却是不存在的。独立ISP芯片是独立于处理器而存在的，虽然成本较高，但优势也是比较明显的。除了运算能力、成像质量更优秀外，一般的独立ISP芯片都是手机商向ISP提供商定制的，所以与相机其他组件的契合度更佳，成像也有属于自己的风格、特 {MOD}。

软件算法很重要 ISP芯片对传感器输入的电流信号进行处理后，首先会生成未经加工的原始图像，而软件算法就好比对原始图像在内部进行了一番PS，优化图像的 {MOD}彩、 {MOD}调、对比度、噪点等，最后生成我们所看到的jpg格式图片。当然，由于每个人的PS技术和风格都不一样，所以即便是同一张照片，每个人最终也都会P成不同的风格。同理，每部手机的软件算法不同，最终的成像效果和风格也是不一样的，比如vivo手机通常会提升对比度，而iPhone则追求自然的效果。我们都知道iPhone 5s的相机配置并不高，仅为800万，背照式传感器和自家集成ISP芯片在技术上虽然很优秀，但也绝不是顶尖级别，那么为何iPhone 5s的整体成像素质是最优秀的呢？这除了iPhone 5s的单个像素面积高达1.5微米外，主要归功于iPhone 5s的软件算法比较优秀。 闪光灯哪个好？ 闪光灯是增加相机曝光量的方式之一，在暗光环境下会打亮周围景物，从而弥补光线不足，提升画面亮度。另外，在光线复杂的环境下，利用闪光灯可以去除杂光，使照片的 {MOD}彩还原更为真实。 iPhone 5S的双True Tone LED补光灯并不仅是为了提供更多的光线，更重要的是为了提供更准确的光线颜 {MOD}。白 {MOD}LED补光灯通常只会模仿阳光的颜 {MOD}来提供光线，往往导致画面偏蓝、偏冷等 {MOD}彩失实的问题，而iPhone 5s在白 {MOD}补光灯下又增加了一枚琥珀 {MOD}闪光灯，两者分别提供不同 {MOD}温的光线，从而使光线达到平衡，混合后便获得跟拍摄场景吻合的理想画面 {MOD}彩。氙气闪光灯是一种含有氙气的新型闪光灯，它可发出非常接近太阳光的光线，不过由于其成本较高，在手机中的应用率较低，诺基亚Lumia 1020就是采用了氙气闪光灯。