手機攝像頭的組成結構和工做原理

手機攝像頭的組成結構和工做原理

手機攝像頭由：

PCB板、鏡頭、固定器和濾色片、DSP(CCD用)、傳感器等部件組成。

工做原理爲：

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，再被送到手機處理器中進行處理，最終轉換成手機屏幕上可以看到的圖像。

PCB板

攝像頭中用到的印刷電路板，分爲硬板、軟板、軟硬結合板三種

 

鏡頭

鏡頭是將拍攝景物在傳感器上成像的器件，它一般由由幾片透鏡組成。從材質上看，攝像頭的鏡頭可分爲塑膠透鏡和玻璃透鏡。

 

鏡頭有兩個較爲重要的參數：光圈和焦距。

光圈是安裝在鏡頭上控制經過鏡頭到達傳感器的光線多少的裝置，除了控制通光量，光圈還具備控制景深的功能，光圈越大，景深越小，平時在拍人像時背景朦朧效果就是小景深的一種體現。

景深是指在攝影機鏡頭前可以取得清晰圖像的成像所測定的被攝物體先後距離範圍。

數值越小，光圈越大，進光量越多，畫面比較亮，焦平面越窄，主體背景虛化越大；
值越大，光圈越小，進光量越少，畫面比較暗，焦平面越寬，主體先後越清晰。

焦距

焦距是從鏡頭的中心點到傳感器平面上所造成的清晰影像之間的距離。
根據成像原理，鏡頭的焦距決定了該鏡頭拍攝的物體在傳感器上所造成影像的大小。好比在拍攝同一物體時，焦距越長，就能拍到該物體越大的影像。長焦距相似於望遠鏡。

固定器和濾色片

固定器的做用，實際上就是來固定鏡頭，另外固定器上還會有一塊濾色片。

濾色片也即「分色濾色片」，目前有兩種分色方式，一種是RGB原色分色法，另外一種是CMYK補色分色法。

原色CCD的優點在於畫質銳利，色彩真實，但缺點則是噪聲問題，通常採用原色CCD的數碼相機，
ISO感光度多半不會超過400。相對的，補色CCD多了一個Y黃色濾色器，犧牲了部分影像的分辨率，但ISO值通常均可設定在800以上。

DSP又叫數字信號處理芯片

它的功能是經過一系列複雜的數學算法運算，對數字圖像信號進行優化處理，最後把處理後的信號傳到顯示器上。

上面所說的DSP是CCD中會使用，是由於，在CMOS傳感器的攝像頭中，其DSP芯片已經集成到CMOS中，從外觀上來看，它們就是一個總體。而採用CCD傳感器的攝像頭則分爲CCD和DSP兩個獨立部分。

傳感器是攝像頭組成的核心，也是最關鍵的技術

它是一種用來接收經過鏡頭的光線，而且將這些光信號轉換成爲電信號的裝置。

感光器件面積越大，捕獲的光子越多，感光性能越好，信噪比越低。

攝像頭傳感器主要有兩種，一種是CCD傳感器，一種是CMOS傳感器。

二者區別在於：

CCD的優點在於成像質量好，可是因爲製造工藝複雜，成本居高不下，特別是大型CCD，價格很是高昂。在相同分辨率下，CMOS價格比CCD便宜，可是CMOS器件產生的圖像質量相比CCD來講要低一些。

相對於CCD傳感器，CMOS影像傳感器的優勢之一是電源消耗量比CCD低，CCD爲提供優異的影像品質，付出代價便是較高的電源消耗量，爲使電荷傳輸順暢，噪聲下降，需由高壓差改善傳輸效果。

另外偶爾還會提到CCM傳感器，CCM(Compact CMOS module)其實是CMOS的一種，只是CCM通過一些處理，畫質比CMOS高一點，拍照時感應速度也較快，但照片品質仍是遜色於CCD。

有的廠家在宣傳中會提到「背照式」「BSI」等概念，實際上BSI就是背照式CMOS的英文簡稱，背照式CMOS是CMOS的一種，它改善了傳統CMOS感光元件的感光度，在夜拍和高感的時候成像效果相對好一些。

 手機攝像頭基礎知識解析

像素

一般所說的「XXX萬像素」實際是指相機的分辨率，其數值大小主要由相機傳感器中的像素點（即最小感光單位）數量決定，
例如500萬像素就意味着傳感器中有500萬個像素點，和手機屏幕中的像素數量決定屏幕是720p或1080p分辨率是一個道理。

像素決定照片質量？

一般會覺得相機像素越高，拍的照片就越清晰，實際上。相機的像素惟一能決定的是其所拍圖片的分辨率，而圖片的分辨率越高，只表明了圖片的尺寸越大，並不能說明圖片越清晰。

可是當前主流的手機屏幕爲1080p級別（1920×1080像素），

不管是1300萬像素相機所得的4208×3120像素照片，仍是800萬像素攝像頭的3200×2400像素照片，都超出了1080p屏的解讀範圍，

最終都會以1920×1080像素顯示，因此肉眼所看到的清晰度也是沒有區別的。

 那麼高像素的優點在哪裏呢？

更高像素的相機所拍圖片的尺寸更大，假如咱們想把樣張打印出來，以常規的300像素/英寸的打印標準來計算，1300萬像素相機所拍的4208×3120像素樣張，可打印17英寸照片，
而800萬像素相機的3200×2400像素樣張，打印超過13英寸的照片就開始模糊了。
很顯然1300萬像素相機樣張可打印的尺寸更大。

傳感器最關鍵

　　既然像素不是決定圖片質量的關鍵因素，那麼誰纔是呢？答案是傳感器。

相機傳感器主要分兩種

CCD和CMOS。CCD傳感器雖然成像質量好，可是成本較高，並不適用於手機，而CMOS傳感器憑藉着較低的功耗和價格以及優異的影像品質，在手機領域應用最爲普遍。

CMOS傳感器又分爲背照式和堆棧式兩種，兩者系出同門，技術最先都由索尼研發，索尼背照式傳感器品牌名爲「Exmor R」，堆棧式傳感器爲「Exmor RS」。

相對來講，傳感器尺寸越大，感光性能越好，捕捉的光子（圖形信號）越多，信噪比越低，成像效果天然也越出色，然而更大的傳感器卻會致使手機的體積、重量、成本增長。

背照式傳感器的出現，有效的解決了這個問題，在相同尺寸下，它使傳感器感光能力提高了100%，有效地改善了在弱光環境下的成像質量。

2012年8月，索尼發佈了全新堆棧式傳感器（Exmor RS CMOS），須要注意的是，它和背照式傳感器並不是演進關係，而是並列關係，堆棧式傳感器的主要優點是在像素數保持不變的狀況下，讓傳感器尺寸變得更小，也能夠理解爲，在與背照式傳感器的像素數相同時，堆棧式傳感器的尺寸會更小，從而節省了空間，讓手機變得更薄、更輕。

鏡頭:多多益善

　　鏡頭是將拍攝景物在傳感器上成像的器件，至關於相機的「眼睛」，一般由由幾片透鏡組成，光線信號經過時，鏡片們會層層過濾雜光（紅外線等），因此，鏡頭片數越多，成像就越真實。

光圈:仍是大了好

光圈由鏡頭中幾片極薄的金屬片組成，能夠經過改變光圈孔的大小控制進入鏡頭到達傳感器的光線量。光圈的值一般用f/2.2、f/2.4來表示，數字越小，光圈就越大，二者成反比例關係。

　　它的工做原理是，光圈開得越大，經過鏡頭到達傳感器的光線就越多，成像畫面就越明亮，反之畫面就越暗。所以，在夜拍或暗光環境下，大光圈的成像優點就更明顯。

　　除了控制通光量，光圈還具備控制景深的功能。生活中，咱們時常會看到背景虛化效果很強的照片，不只突出了拍攝焦點，還具備很惟美的藝術感，而這就是所謂的景深。光圈開的越大，景深越小，背景虛化效果就更明顯。

ISP芯片是「大腦」

　　在說ISP（Image Signal Processing 中文譯爲「圖形信號處理」）以前，咱們先來了解一下手機的拍照過程。按動快門後，光線從鏡頭進入，到達傳感器，傳感器負責採集、記錄光線，並把它轉換成電流信號，而後交由ISP圖形信號處理器（如下簡稱ISP芯片）進行處理，最後由手機處理器處理儲存。

　　ISP芯片的做用就是對傳感器輸入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芯片可以在很大程度上決定手機相機最終的成像質量，一般它對圖像質量的改善空間可達10%-15%。

ISP芯片分爲集成和獨立兩種，獨立ISP芯片處理能力優於集成ISP芯片，但成本更高。

採用處理器配套的集成iSP芯片優點是下降了手機的研發和生產成本，但缺點是：
1、優秀的處理器廠商並不必定擅長開發ISP芯片，其成像質量不如獨立ISP芯片；
2、沒法保證與所選用的傳感器契合，二者若是配合很差，對成像質量是有負做用的，這就限制了手機對傳感器的選擇；
3、當前相同價段的手機大多采用相同的處理器，相同的處理器就意味着相同的ISP方案，這就致使嚴重的同質化現象。

 不過這其中也有一個特例，那就是iPhone，衆所周知，iPhone搭載的是自家的蘋果處理器，因此，儘管iPhone採用了集成ISP芯片，但以上缺點倒是不存在的。

 

獨立ISP芯片是獨立於處理器而存在的，雖然成本較高，但優點也是比較明顯的。除了運算能力、成像質量更優秀外，通常的獨立ISP芯片都是手機商向ISP提供商定製的，因此與相機其餘組件的契合度更佳，成像也有屬於本身的風格、特點。

軟件算法很重要

ISP芯片對傳感器輸入的電流信號進行處理後，首先會生成未經加工的原始圖像，而軟件算法就比如對原始圖像在內部進行了一番「PS」，優化圖像的色彩、色調、對比度、噪點等，最後生成咱們所看到的jpg格式圖片。

固然，因爲每一個人的PS技術和風格都不同，因此即使是同一張照片，每一個人最終也都會P成不一樣的風格。同理，每部手機的軟件算法不一樣，最終的成像效果和風格也是不同的，好比vivo手機一般會提高對比度，而iPhone則追求天然的效果。

咱們都知道iPhone 5s的相機配置並不高，僅爲800萬，背照式傳感器和自家集成ISP芯片在技術上雖然很優秀，但也毫不是頂尖級別，那麼爲什麼iPhone 5s的總體成像素質是最優秀的呢？這除了iPhone 5s的單個像素面積高達1.5微米外，主要歸功於iPhone 5s的軟件算法比較優秀。

閃光燈哪一個好？

閃光燈是增長相機曝光量的方式之一，在暗光環境下會打亮周圍景物，從而彌補光線不足，提高畫面亮度。另外，在光線複雜的環境下，利用閃光燈能夠去除雜光，使照片的色彩還原更爲真實。

iPhone 5S的雙True Tone LED補光燈並不只是爲了提供更多的光線，更重要的是爲了提供更準確的光線顏色。
白色LED補光燈一般只會模仿陽光的顏色來提供光線，每每致使畫面偏藍、偏冷等色彩失實的問題，
而iPhone 5s在白色補光燈下又增長了一枚琥珀色閃光燈，二者分別提供不一樣色溫的光線，從而使光線達到平衡，混合後便得到跟拍攝場景吻合的理想畫面色彩。

氙氣閃光燈是一種含有氙氣的新型閃光燈，它可發出很是接近太陽光的光線，不過因爲其成本較高，在手機中的應用率較低，諾基亞Lumia 1020就是採用了氙氣閃光燈。