相機攝像原理與過程

相機拍攝物體的大體過程爲：物體反射（或照射）的光線通過鏡頭，到達圖像傳感器，圖像傳感器把光信號轉換爲電信號，而後模數轉換器件把電荷信號轉換成數字信號，數字信號通過放大電路進入微處理器，數字信號通過ISP運算處理以後傳輸到存儲器中存儲爲圖像。 示意圖以下：

1. 圖像傳感器

圖像傳感器是相機的主要組件之一，對成像質量影響很大。

傳感器將從鏡頭上傳導過來的光線轉換爲電信號，再經過內部的DA轉換爲數字信號。因爲傳感器的每一個pixel只能感光R光或者B光或者G光，以下圖，所以每一個像素此時存貯的是單色的，咱們稱之爲RAW DATA。要想將每一個像素的RAW DATA還原成三基色，就須要信號處理器ISP來處理。

 圖像傳感器主要分兩種，CCD（charge-coupled device，電荷耦合器件）和CMOS（complementary meta-oxide semiconductor，互補金屬氧化物半導體）。CCD傳感器成像質量好，圖像明銳通透，細節豐富，色彩還原度好，可是成本較高，耗電功率高。CMOS傳感器成像質量稍差，但耗電功率較低，成本也比DDC低。當今手機中主要仍是採用CMOS傳感器。CMOS傳感器中集成了模數轉換器，CCD傳感器沒有集成了模數轉換器。

 

2. 圖像信號處理器

圖像信號處理器（Image Signal Processing，ISP）的做用就是對圖像傳感器傳輸過來的信號進行運算處理，最終得出通過線性糾正、噪點去除、壞點修補、顏色插值、白平衡校訂、曝光校訂等處理後的結果。ISP可以在很大程度上決定相機最終的成像質量。

ISP 的主要功能特性包括^[3]：

• DEMOSAIC

  DEMOSAIC 是 ISP 的主要功能之一。SENSOR 的像素點上覆蓋着 CFA，光線經過 CFA 後照射到像素上。CFA 由 R、G、B 三種顏色的遮光罩組成，每種遮光罩只容許一種顏色經過，所以每一個像素輸出的信號只包含 R、G、B 三者中的一種顏色信息。SENSOR 輸出的這種數據就是 BAYER 數據，即一般所說的 RAW 數據。顯而易見，RAW 數據所反映的顏色信息不是真實的顏色信息。DEMOSAIC 就是經過插值算法將將每一個像素所表明的真實顏色計算出來。

• FOCUS

  根據光學知識，景物在傳感器上成像最清晰時處於合焦平面上。經過更改 LENS 的位置，使得景物在傳感器上清晰的成像，是 ISP FOCUS 功能所須要完成的任務。FOCUS 分爲手動和自動兩種模式。ISP 能夠運行 CONTRAST AF、PDAF、LASER AF 等算法實現自動對焦。

• EXPOSURE

  曝光。EXPOSURE 主要影響圖像的明暗程度。ISP 須要實現 AE 功能，經過控制曝光程度，使得圖像亮度適宜。

• WB

  白平衡。白平衡與色溫相關，用於衡量圖像的色彩真實性和準確性。ISP須要實現 AWB 功能，力求在各類複雜場景下都能精確的還原物體原本的顏色。

• LSC

  用於消除圖像周邊和圖片中心的不一致性，包含亮度和色度兩方面。ISP 須要藉助 OTP 中的校準數據完成 LSC 功能。

• GAMMA CORRECTION

  伽瑪校訂。傳感器對光線的響應和人眼對光線的響應是不一樣的。伽瑪校訂就是使得圖像看起來符合人眼的特性。

• CROP/RESIZE

  圖像剪裁，即改變圖像的尺寸。可用於輸出不一樣分辨率的圖像。

• VRA

  視覺識別。用於識別特定的景物，例如人臉識別，車牌識別。ISP 經過各類 VRA 算法，準確的識別特定的景物。

• DRC

  動態範圍校訂。動態範圍即圖像的明暗區間。DRC 可使得暗處的景物不至於欠曝，而亮處的景物不至於過曝。ISP 須要支持 DRC 功能。

• CSC

  顏色空間轉換。例如，ISP 會將 RGB 信號轉化爲 YUV 信號輸出。

• IS

  圖像穩定。IS 的主要做用是使得圖像不要由於手持時輕微的抖動而模糊不清。IS 有不少種，例如 OIS、DIS、EIS。ISP 能夠實現 DIS 和 EIS。

 除了上面提到的功能外，ISP還須要支持 DENOISE、CONTRAST、SATURATION、SHARPNESS 等功能。

 

【參考文獻】

[1] 手機攝像頭的技術結構與原理：http://www.sohu.com/a/229372898_257861

[2] 手機攝像頭的組成結構與工做原理：http://www.javashuo.com/article/p-txaioqka-mx.html

[3] 相機系統綜述--ISP：https://blog.csdn.net/xiangz_csdn/article/details/53172741