探索摄像头结构与运作原理

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一、摄像头结构

1.1 摄像头模组构成

摄像头模组：英文名Camera Compact Module，简称CCM，是影像捕捉至关重要的电子器件，简单来说，是一种将物体的光信号转换为可以读取和储存的数字信号的一种器件，主要由镜头、VCM马达、底座、IR滤光片、图像传感器、电路板等部件组成。

Lens:镜头,负责成像和对焦
VCM:音圈马达，用来改变像距，实现镜头自动对焦
Holder:基座,负责固定镜头
IR:红外滤波片,负责过滤红外光
Sensor:图像传感器,负责将图像转换电信号
PCB:印刷电路板,负责供电控制及信号传输

1.2 Lens

  Lens，是一个能够接收光信号并汇聚光信号于感光器件CMOS/CCD的装置。
  Lens的作用：汇聚光线，在CMOS/CCD上形成景物的图像，为了成像清晰，减少像差，镜头用多片镜片组合，根据需要通过调整Lens获得拍照所需要的焦距。

 1.2.1 Lens组成

  镜头是由一片或多片弧面（通常为球面）光学玻璃组成的透明光学部件。材料通常为塑胶透镜（plastic）或玻璃透镜（glass）。

  光通过透镜 (1)，被反光镜(2)反射到磨砂取景屏(5)中。通过一块凸透镜(6) 并在五棱镜(7)中反射，最终图像出现在取景框(8)中。当按下快门，反光镜沿箭头所示方向移动，反光镜(2) 被拾起，图像被被摄在CCD(4)上，与取景屏上所看到的一致。

 1.2.2 Lens的主要参数:

  (1）焦距：镜头焦距的长短决定着拍摄的成像大小，视场角大小，景深大小和画面的透视强弱。
  一般来说对于单片镜头就是镜头中心到焦点的距离，而相机镜头是由多片透镜组合，就要复杂许多。这里焦距就指的是从镜头的中心点到感光元器件上所形成的清晰影像之间的距离，也就是相当于物和象的比例尺。当对同一距离远的同一个被摄目标拍摄时，镜头焦距长的所成的象大，镜头焦距短的所成的象小。

  (2）视场角：我们常用水平视场角来反映画面的拍摄范围。
  焦距f越大，视场角越小，在感光元件上形成的画面范围越小；反之，焦距f越小，视场角越大，在感光元件上形成的画面范围越大。

  (3）F值（口径比）：F 值即指镜头的明亮度(即镜头的透光量)。
  F=镜头焦距/光圈直径。F值相同时长焦距镜头的口径要比短焦距镜头口径大。

  (4）光圈：光圈是位于镜头内部的、可以调节的光学机械性阑孔，可用来控制通过镜头的光线的多少。
  摄像机镜头拍照时，不可能随意改变镜头直径，但可以通过在镜头内部加入多边形或者圆形的可变孔状光栅来达到控制通光量，这个装置就叫做光圈。

  (5）景深：指在摄影机镜头或其他成像器前沿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。
  光圈、镜头、及焦平面到拍摄物的距离是影响景深的重要因素。在聚焦完成后，焦点前后的范围内所呈现的清晰图像的距离，这一前一后的范围，便叫做景深。

1.3 VCM

 VCM，即电子学里面的音圈电机，是马达的一种，主要原理是利用一个永久磁场，通过改变马达内线圈电流的大小来控制弹片或动子的位置，带动镜头进行运动，从而实现镜头的自动对焦。

1.4 IR滤光片

  IR cut filter，即红外截止滤光片，它放在于Lens与Sensor之间。因人眼与Sensor对各波长的响应不同，人眼看不到红外光但sensor会感应，因此需要IR cut filter阻绝红外光。

1.5 Sensor

  图像传感器：即感光元件CCD或CMOS。（CCD和CMOS原理：https://www.sohu.com/a/506224715_121124371）

  CCD（Charge-Coupled Device）是电荷耦合器件，它是按一定规律排列的MOS电容器组成的阵列，在P型或N型硅衬底上生长一层很薄（约120nm）的二氧化硅，再在二氧化硅薄层上依次序沉积金属或掺杂多晶硅电极（栅极），形成规则的MOS电容器阵列就构成了CCD芯片。CCD像素数目越多、单一像素尺寸越大，收集到的图像就会越清晰。

  CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)是互补金属氧化物半导体，它和CCD一样负责将光线转变成电荷。只是工艺不同。目前手机摄像头几乎全部使用CMOS传感器。

  CCD 与CMOS 图像传感器光电转换的原理相同，他们最主要的差别在于信号的读出过程不同；由于CCD仅有一个（或少数几个）输出节点统一读出，其信号输出的一致性非常好；而CMOS 芯片中，每个像素都有各自的信号放大器，各自进行电荷-电压的转换，其信号输出的一致性较差。
  但是CCD 为了读出整幅图像信号，要求输出放大器的信号带宽较宽，而在CMOS 芯片中，每个像元中的放大器的带宽要求较低，大大降低了芯片的功耗，这就是CMOS芯片功耗比CCD 要低的主要原因。尽管降低了功耗，但是数以百万的放大器的不一致性却带来了更高的固定噪声，这又是CMOS 相对CCD 的固有劣势。

1.6 PCB

  摄像头模组的基板由印制电路板（PCB）或柔性电路板（FPC）构成，负责将摄像头的光学组件和主处理器连接起来。

二、摄像头工作原理

2.1 基本工作原理

  摄像头的工作原理大致为：景物通过 Lens 生成的光学图像投射到 sensor 表面上， 经过光电转换为模拟电信号， 消噪声后经过 A/D 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（DSP芯片中会有ISP-图像信号处理器、JPEG encoder-JPEG图像解码器等）。所以，从 sensor 端过来的图像是 Bayer 图像，经过黑电平补偿 （ black level compensation）、镜头矫正 （ lens shading correction）、坏像素矫正 （ bad pixel correction）、颜色插值 （ demosaic）、Bayer 噪声去除、 白平衡（ awb） 矫正、 色彩矫正（ color correction） 、 gamma 矫正、 色彩空间转换（ RGB 转换为 YUV） 、 在 YUV 色彩空间上彩噪去除与边缘加强、 色彩与对比度加强，中间还要进行自动曝光控制等， 然后输出 YUV（ 或者 RGB） 格式的数据， 再通过 I/O 接口传输到 CPU 中处理。

2.2 DSP处理器

  DSP是CCM的重要组成部分，它的作用是将感光芯片获得的数据及时地快速地传递到中央处理器并刷新感光芯片，因此DSP芯片的好坏，直接影响画面品质，如：色彩饱和度、清晰度、流畅度等。

  DSP结构框架:
   ISP(image signal processor)(图像信号处理器)
   JPEG encoder(JPEG图像解码器)
   USB device controller(USB设备控制器)

  ISP一般用来处理Image Sensor（图像传感器）的输出数据，如进行：AEC（自动曝光控制）、AGC（自动增益控制）、AWB（自动白平衡）、色彩校正、Gamma校正、祛除噪声、Auto Black Level、Auto White Level 等等功能的处理。
  DSP功能就比较多了，它可以做些拍照以及回显（JPEG的编解码）、录像以及回放（Video 的编解码）、H.264的编解码、还有很多其他方面的处理，总之是处理数字信号了。可以认为ISP是一类特殊的处理图像信号的DSP。