全面瞭解攝像頭

 

1、攝像頭結構和工做原理.

 拍攝景物經過鏡頭，將生成的光學圖像投射到傳感器上，而後光學圖像被轉換成電信號，電信號再通過模數轉換變爲數字信號，數字信號通過DSP加工處理，再被送到電腦中進行處理，最終轉換成手機屏幕上可以看到的圖像。

數字信號處理芯片DSP(DIGITAL SIGNAL PROCESSING)功能：主要是經過一系列複雜的數學算法運算，對數字圖像信號參數進行優化處理，並把處理後的信號經過USB等接口傳到PC等設備。DSP結構框架:

1. ISP(image signal processor)(鏡像信號處理器)

2. JPEG encoder(JPEG圖像解碼器)

3. USB device controller(USB設備控制器)

 

 常見的攝像頭傳感器類型主要有兩種，

一種是CCD傳感器（Chagre Couled Device），即電荷耦合器。

一種是CMOS傳感器（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）即互補性金屬氧化物半導體。

 

CCD的優點在於成像質量好，可是製造工藝複雜，成本高昂，且耗電高。在相同分辨率下，CMOS價格比CCD便宜，但圖像質量相比CCD來講要低一些。CMOS影像傳感器相對CCD具備耗電低的優點，加上隨着工藝技術的進步，CMOS的畫質水平也不斷地在提升，因此目前市面上的手機攝像頭都採用CMOS傳感器。

手機攝像頭的簡單結構

濾光片有兩大功用:

1.濾除紅外線。濾除對可見光有干擾的紅外光，使成像效果更清晰。

2.修整進來的光線。感光芯片由感光體(CELL)構成,最好的光線是直射進來,但爲了怕干擾到鄰近感光體,就須要對光線加以修整,所以那片濾光片不是玻璃,而是石英片,利用石英的物理偏光特性,把進來的光線,保留直射部份,反射掉斜射部份,避免去影響旁邊的感光點.

 

2、相關參數和名詞

一、常見圖像格式

1.1 RGB格式：

傳統的紅綠藍格式，好比RGB565，RGB888，其16-bit數據格式爲5-bit R + 6-bit G + 5-bit B。G多一位，緣由是人眼對綠色比較敏感。

    

1.2 YUV格式：

luma (Y) + chroma (UV) 格式。YUV是指亮度參量和色度參量分開表示的像素格式，而這樣分開的好處就是不但能夠避免相互干擾，還能夠下降色度的採樣率而不會對圖像質量影響太大。YUV是一個比較籠統地說法，針對它的具體排列方式，能夠分爲不少種具體的格式。

色度(UV)定義了顏色的兩個方面─色調與飽和度，分別用CB和CR表示。其中，Cr反映了RGB輸入信號紅色部分與RGB信號亮度值之間的差別。而Cb反映的是RGB輸入信號藍色部分與RGB信號亮度值之間的差別。

主要的採樣格式有YCbCr 4:2:0、YCbCr 4:2:二、YCbCr 4:1:1和 YCbCr 4:4:4。

   

1.3 RAW data格式：

RAW圖像就是CMOS或者CCD圖像感應器將捕捉到的光源信號轉化爲數字信號的原始數據。RAW文件是一種記錄了數碼相機傳感器的原始信息，同時記錄了由相機拍攝所產生的一些元數據（Metadata，如ISO的設置、快門速度、光圈值、白平衡等）的文件。RAW是未經處理、也未經壓縮的格式，能夠把RAW概念化爲「原始圖像編碼數據」或更形象的稱爲「數字底片」。sensor的每一像素對應一個彩色濾光片，濾光片按Bayer pattern分佈。將每個像素的數據直接輸出，即RAW RGB data

Raw data（Raw RGB）通過彩色插值就變成RGB.

RAW格式圖像示例

2. 相關技術指標

2.1 圖像解析度/分辨率(Resolution)：

SXGA(1280 x1024)又稱130萬像素

XGA(1024 x768)又稱80萬像素

SVGA(800 x600)又稱50萬像素

VGA(640x480)又稱30萬像素(35萬是指648X488)

CIF(352x288) 又稱10萬像素

SIF/QVGA(320x240)

QCIF(176x144)

QSIF/QQVGA(160x120)

 

2.2 彩色深度(色彩位數)：

256色灰階，有256種灰色（包括黑白）。15或16位彩色（高彩色）：65,536種顏色。24位彩色（真彩色）：每種原色都有256個層次，它們的組合便有256*256*256種顏色。32位彩色：除了24位彩色的顏色外，額外的8位是儲存重疊圖層的圖形資料(alpha頻道)。

2.3 光學變焦和數碼變焦：

光學變焦： 經過鏡頭的調整，拉近拉遠所要拍攝的對象，保持像素不變和畫質基本不變，卻能夠拍到本身理想的物像。
數碼變焦：其實沒有什麼變焦，只是從原圖片中截取出來放大，你從液晶屏幕上看到變大了，實際上畫質並無本質提升，而像素比你相機能拍攝的最大像素下降了。畫質上說基本是雞肋把，可是能夠提供一些方便。

2.4 圖像壓縮方式：

JPEG/M-JPEG

H.261/H.263

MPEG

H.264 

 

2.5 圖像噪音：

指的是圖像中的雜點干撓。表現爲圖像中有固定的彩色雜點。

 

2.6 自動白平衡處理技術(auto White Balance)：

簡單來講就是：攝像機對白色物體的還原。相關概念：色溫。

 

2.7 視角：

與人的眼睛成像是相成原理，簡單說就是成像範圍。

 

2.8 自動對焦：

自動對焦能夠分紅兩大類：一類是基於鏡頭與被拍攝目標之間距離測量的測距自動對焦，另外一類是基於對焦屏上成像清晰的聚焦檢測自動對焦(清晰度算法)。

注：變焦就是把遠處的物體拉近。對焦是讓圖像清晰。

2.9 自動曝光和Gamma：    

 

就是光圈和快門的組合。光圈，快門速度，ISO。Gamma即人眼對亮度的響應曲線。

 

 

 

3、高通的CAMERA部分硬件架構

CAMERA部分硬件架構

VFE：VIDEO front-end 視頻前端

VPE：Video preprocessing 視頻預處理

攝像頭模組中自帶了ISP（圖像信號處理器），因此，VFE和VPE有關圖像效果處理的功能都是關閉的。

1.VFE的功能：

1.1 經過算法提升圖像的質量。1.2 提供高分辨率的圖像的AWB(自動白平衡)/AE(自動曝光)/AF(自動對焦)算法處理。1.3 圖像衰減校訂。1.4 低光下的噪聲濾波。1.5 圖像色彩效果優化。1.6 皮膚顏色效果優化。1.7 圖像抖動計算。1.8 亮度適應算法。2.VPE的功能：2.1 圖像穩定性。2.2 數字對焦。2.3 圖像旋轉。2.4 Overlay。

3、android系統camera基本架構

1.應用層

Camera 的應用層在Android 上表現爲直接調用SDK API 開發的一個Camera 應用APK 包。代碼在/android/packages/apps/Camera 下。主要對 android.hardware.Camera（在Framework中） 類的調用，而且實現Camera 應用的業務邏輯和UI 顯示。一個Android 應用中若要使用這個android.hardware.Camera類，須要在Manifest 文件聲明Camera 的權限，另外還 須要添加一些<uses-feature> 元素來聲明應用中的Camera 特性，如自動對焦等。 具體作法可以下：

<uses-permission android:name = "android.permission.CAMERA" />

<uses-feature android:name = "android.hardware.camera" />

<uses-feature android:name = "android.hardware.camera.autofocus" />

2.Framework層

2.1 android.hardware.Camera：代碼位置/android/frameworks/base/core/java/android/hardware/Camera.java

這部分目標是framework.jar。這是是Android 提供給app層調用的java接口。這個類用來鏈接或斷開一個Camera 服務，設置拍攝參數，開始、中止預覽，拍照等。

2.2 android.hardware.Camera這個類是和JNI中定義的類是一個，有些方法經過JNI的方式調用本地代碼獲得，有些方法本身實現。 
Camera的JAVA native調用部分（JNI）：/android/frameworks/base/core/jni/android_hardware_Camera.cpp。Camera.java 承接JAVA 代碼到C++ 代碼的橋樑。編譯生成libandroid_runtime.so 。libandroid_runtime.so庫是公用的, 其中除了Camera 還有其餘方面的功能。

2.3 Camera框架的client部分：

代碼位置：/android/frameworks/base/libs/camera/下5個文件。

Camera.cpp

CameraParameters.cpp

ICamera.cpp

ICameraClient.cpp

ICameraService.cpp

它們的頭文件在/android/frameworks/base/include/camera目錄下。

這部分的內容編譯生成libcamera_client.so 。在Camera 模塊的各個庫中，libcamera_client.so 位於核心的位置，做爲Camera 框架的 Client 客戶端部分，與另一部份內容服務端 libcameraservice.so 經過進程間通信（即Binder 機制）的方式進行通信。

2.4 Camera框架的service部分：

代碼位置：/android/frameworks/base/services/camera/libcameraservice。

這部份內容被編譯成庫libcameraservice.so 。CameraService 是Camera 服務，Camera 框架的中間層，用於連接CameraHardwareInterface 和Client部分 ，它經過調用實際的Camera 硬件接口來實現功能，即下層HAL層。

四. 攝像頭預覽、拍照、錄像基本數據流向和處理流程以及驅動調試

HAl層相關代碼：（frameworks/base/services/camera/libcameraservice/CameraService.cpp）vendor/qcom/android-open/libcamera2/QualcommCameraHardware.cppvendor/qcom/proprietary/mm-camera/apps/appslib/mm_camera_interface.cvendor/qcom/proprietary/mm-camera/apps/appslib/camframe.cvendor/qcom/proprietary/mm-camera/apps/appslib/snapshot.cvendor/qcom/proprietary/mm-camera/apps/appslib/jpeg_encoder.cvendor/qcom/proprietary/mm-camera/apps/appslib/cam_frame_q.cvendor/qcom/proprietary/mm-camera/apps/appslib/cam_display.cvendor/qcom/proprietary/mm-camera/targets/vfe31/8x60/vendor/qcom/proprietary/mm-camera/targets/vfe31/common/vpe1/QualcommCameraHardware.cpp主要分爲三個部分，preview，snapshot，video。它們分別用一個pthread進行處理。另外還有auto focus功能也是用pthread的方式處理。預覽或拍照、視頻線程處理獲得的數據幀都以datacallback的方式回調到上層CameraService.cpp中，進行存儲或預覽等操做。如下是HAL層部分的代碼大概的調用結構流程。

1. 整個模塊主要巡行三個主線程：control、config及frame。

control用來執行總的控制，是上層控制接口。 

config主要進行一些配置，這個線程裏面主要進行3A的工做，另外還有一些跟效果有關的設置；

 frame線程主要用來作幀queue的循環獲取處理。全部事件或狀態的反饋，用回調函數的方式傳回QualcommCameraHardware.cpp。

2. 驅動部分從設備驅動s5k8aa.c開始。新建平臺設備後，執行入口函數probe時，調用建立攝像頭設備功能函數

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int msm_camera_drv_start(struct platform_device *dev,                                          int (*sensor_probe)(const struct msm_camera_sensor_info *,                      struct msm_sensor_ctrl *))

並將設備信息結構體和攝像頭設備調用入口sensor_probe傳入。msm_camera_drv_start（xxx）函數在msm_camera.c中實現。他建立了提供上層調用的四個終於設備結點：

/dev/msm_camera/frame%d

/dev/msm_camera/control%d

/dev/msm_camera/config%d

/dev/msm_camera/pic%d

實現了上層庫對VFE模塊，VPE模塊，jpeg_encoder模塊和攝像頭sensor模塊驅動的控制調用接口。在file_operations中的相應函數中分別實現的是這些設備的新建初始化和IOCTL功能調用接口。

而後這個函數還建立了四個工做隊列： 

struct msm_device_queue event_q; struct msm_device_queue frame_q; struct msm_device_queue pict_q; struct msm_device_queue vpe_q;

event_q包括/dev/msm_camera/control%d傳入的控制信號隊列，用於將上層傳下來的控制命令(command)傳到config thread中去。

frame_q用於對圖像幀的操做管理，預覽或錄像時幀將傳遞給DSP進行處理。

pict_q包含拍照幀，用於給jpeg_encoder進行圖像編碼處理。

vpe_q是VPE控制命令隊列。

s5k8aa.c是相應攝像頭設備的驅動部分。它的功能很簡單，主要實現sensor模塊的建立、初始化和控制。主要實現如下三個函數： 

s->s_init = ov2685_sensor_init; s->s_release = ov2685_sensor_release; s->s_config = ov2685_sensor_config;ov2685_sensor_init函數：    

主要實現攝像頭的上電、時鐘控制（MCLK）、設備初始化功能。    上電分爲DOVDD、DVDD、AVDD、reset、PWDN幾個部分。須要按照設備要求順序操做，通常時鐘控制順序也包含在內。    設備初始化過程是將sensor設備的全部寄存器所有初始化一遍，採用IIC方式將初始化寄存器地址和值所有發送到sensor端。完成後此時攝像頭模組才能正常工做，並將圖像經過MIPI線路傳送到CPU端。

ov2685_sensor_config函數：    

主要實現對sensor的各類配置接口，相應的有幀率配置，白平衡效果設置，曝光度設置，特效設置等等。相應接口將配置好的寄存器列表經過IIC發送到sensor中。

3. 攝像頭調試中的幾個問題點：

1.1 是否正確上電，是否有時鐘波形輸出。    檢測輸出電壓的電壓值是否和上電時序以及MCLK是否符合sensor的要求。這部分能夠用示波器和萬用表測量。測量電壓值和上電時序以及MCLK的時鐘頻率是否正確。

1.2 IIC讀寫是否正常。調試CPU與ISP間的I2C通訊。    檢測包括IIC地址是否正確，協議是否匹配。這部分也能夠用示波器測量IIC的SDA、CLK的峯值、波形邏輯是否正確。

1.3 正確上電並初始化之後sensor模塊是否正常工做。    這部分主要經過用示波器測量MIPI線路的數據和時鐘PIN是否正確，它的波形是否含有數據，是否標準波形，峯值有沒有達到要求等。

1.4 若是以上都正確了之後，MIPI控制器將接收到中斷，並開始處理圖像信號。此時若是出錯，能夠經過中斷信號的出錯值查看錯誤狀態。除CPU端是否正常初始化工做的問題外，須要關注模組端設置的圖像格式和CPU接收的默認圖像格式和圖像大小（SIZE）是否一致。模組中圖片格式和圖像大小經過寄存器值查看。CPU端接收圖片格式和圖像大小在HAL部分的s5k8aa中設置, 拍照源圖像大小和預覽源圖像大小須要分別設置。

以上部分完成後，攝像頭能夠正確預覽。

來源：OSCHINA 社區 做者：luoshi129