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手機替代電腦,還替代了相機【手機攝像頭】

2021-09-29由 愛賺錢的大光 發表于 歷史

手機攝像頭由:

PCB板、鏡頭、固定器和濾色片、DSP(CCD用)、感測器等部件組成。

工作原理為:

拍攝景物透過鏡頭,將生成的光學影象投射到感測器上,然後光學影象被轉換成電訊號,電訊號再經過模數轉換變為數字訊號,數字訊號經過DSP加工處理,再被送到手機處理器中進行處理,最終轉換成手機螢幕上能夠看到的影象。

PCB板

攝像頭中用到的印刷電路板,分為硬板、軟板、軟硬結合板三種

手機替代電腦,還替代了相機【手機攝像頭】

鏡頭

鏡頭是將拍攝景物在感測器上成像的器件,它通常由由幾片透鏡組成。從材質上看,攝像頭的鏡頭可分為塑膠透鏡和玻璃透鏡。

手機替代電腦,還替代了相機【手機攝像頭】

鏡頭有兩個較為重要的引數:光圈和焦距。

光圈是安裝在鏡頭上控制透過鏡頭到達感測器的光線多少的裝置,除了控制通光量,光圈還具有控制景深的功能,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能夠取得清晰影象的成像所測定的被攝物體前後距離範圍。

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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,主體前後越清晰。

焦距

焦距是從鏡頭的中心點到感測器平面上所形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感測器上所形成影像的大小。比如在拍攝同一物體時,焦距越長,就能拍到該物體越大的影像。長焦距類似於望遠鏡。

固定器和濾色片

固定器的作用,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,另一種是CMYK補色分色法。

原色CCD的優勢在於畫質銳利,色彩真實,但缺點則是噪聲問題,一般採用原色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,犧牲了部分影像的解析度,但ISO值一般都可設定在800以上。

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DSP又叫數字訊號處理晶片

它的功能是透過一系列複雜的數學演算法運算,對數字影象訊號進行最佳化處理,最後把處理後的訊號傳到顯示器上。

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上面所說的DSP是CCD中會使用,是因為,在CMOS感測器的攝像頭中,其DSP晶片已經整合到CMOS中,從外觀上來看,它們就是一個整體。而採用CCD感測器的攝像頭則分為CCD和DSP兩個獨立部分。

感測器是攝像頭組成的核心,也是最關鍵的技術

它是一種用來接收透過鏡頭的光線,並且將這些光訊號轉換成為電訊號的裝置。

感光器件面積越大,捕獲的光子越多,感光效能越好,信噪比越低。

攝像頭感測器主要有兩種,一種是CCD感測器,一種是CMOS感測器。

兩者區別在於:

CCD的優勢在於成像質量好,但是由於製造工藝複雜,成本居高不下,特別是大型CCD,價格非常高昂。在相同解析度下,CMOS價格比CCD便宜,但是CMOS器件產生的影象質量相比CCD來說要低一些。

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相對於CCD感測器,CMOS影像感測器的優點之一是電源消耗量比CCD低,CCD為提供優異的影像品質,付出代價即是較高的電源消耗量,為使電荷傳輸順暢,噪聲降低,需由高壓差改善傳輸效果。

另外偶爾還會提到CCM感測器,CCM(Compact CMOS module)實際上是CMOS的一種,只是CCM經過一些處理,畫質比CMOS高一點,拍照時感應速度也較快,但照片品質還是遜色於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

畫素

通常所說的“XXX萬畫素”實際是指相機的解析度,其數值大小主要由相機感測器中的畫素點(即最小感光單位)數量決定,例如500萬畫素就意味著感測器中有500萬個畫素點,和手機螢幕中的畫素數量決定螢幕是720p或1080p解析度是一個道理。

畫素決定照片質量?

通常會以為相機畫素越高,拍的照片就越清晰,實際上。相機的畫素唯一能決定的是其所拍圖片的解析度,而圖片的解析度越高,只代表了圖片的尺寸越大,並不能說明圖片越清晰。

但是當前主流的手機螢幕為1080p級別(1920×1080畫素),

無論是1300萬畫素相機所得的4208×3120畫素照片,還是800萬畫素攝像頭的3200×2400畫素照片,都超出了1080p屏的解讀範圍,

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

那麼高畫素的優勢在哪裡呢?

更高畫素的相機所拍圖片的尺寸更大,假如我們想把樣張打印出來,以常規的300畫素/英寸的列印標準來計算,1300萬畫素相機所拍的4208×3120畫素樣張,可列印17英寸照片,而800萬畫素相機的3200×2400畫素樣張,列印超過13英寸的照片就開始模糊了。很顯然1300萬畫素相機樣張可列印的尺寸更大。

感測器最關鍵

既然畫素不是決定圖片質量的關鍵因素,那麼誰才是呢?答案是感測器。

相機感測器主要分兩種

CCD和CMOS。CCD感測器雖然成像質量好,但是成本較高,並不適用於手機,而CMOS感測器憑藉著較低的功耗和價格以及優異的影像品質,在手機領域應用最為廣泛。

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CMOS感測器又分為背照式和堆疊式兩種,二者系出同門,技術最早都由索尼研發,索尼背照式感測器品牌名為“Exmor R”,堆疊式感測器為“Exmor RS”。

相對來說,感測器尺寸越大,感光效能越好,捕捉的光子(圖形訊號)越多,信噪比越低,成像效果自然也越出色,然而更大的感測器卻會導致手機的體積、重量、成本增加。

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背照式感測器的出現,有效的解決了這個問題,在相同尺寸下,它使感測器感光能力提升了100%,有效地改善了在弱光環境下的成像質量。

2012年8月,索尼釋出了全新堆疊式感測器(Exmor RS CMOS),需要注意的是,它和背照式感測器並非演進關係,而是並列關係,堆疊式感測器的主要優勢是在畫素數保持不變的情況下,讓感測器尺寸變得更小,也可以理解為,在與背照式感測器的畫素數相同時,堆疊式感測器的尺寸會更小,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感測器上成像的器件,相當於相機的“眼睛”,通常由由幾片透鏡組成,光線訊號透過時,鏡片們會層層過濾雜光(紅外線等),所以,鏡頭片數越多,成像就越真實。

光圈:還是大了好

光圈由鏡頭中幾片極薄的金屬片組成,可以透過改變光圈孔的大小控制進入鏡頭到達感測器的光線量。光圈的值通常用f/2。2、f/2。4來表示,數字越小,光圈就越大,兩者成反比例關係。

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它的工作原理是,光圈開得越大,透過鏡頭到達感測器的光線就越多,成像畫面就越明亮,反之畫面就越暗。因此,在夜拍或暗光環境下,大光圈的成像優勢就更明顯。除了控制通光量,光圈還具有控制景深的功能。生活中,我們時常會看到背景虛化效果很強的照片,不僅突出了拍攝焦點,還具有很唯美的藝術感,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。

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ISP晶片是“大腦”

在說ISP(Image Signal Processing 中文譯為“圖形訊號處理”)之前,我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,到達感測器,感測器負責採集、記錄光線,並把它轉換成電流訊號,然後交由ISP圖形訊號處理器(以下簡稱ISP晶片)進行處理,最後由手機處理器處理儲存。ISP晶片的作用就是對感測器輸入的訊號進行運算處理,最終得出經過線性糾正、噪點去除、壞點修補、顏色插值、白平衡校正、曝光校正等處理後的結果。ISP晶片能夠在很大程度上決定手機相機最終的成像質量,通常它對影象質量的改善空間可達10%-15%。

ISP晶片分為整合和獨立兩種,獨立ISP晶片處理能力優於整合ISP晶片,但成本更高。

採用處理器配套的整合iSP晶片優勢是降低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一定擅長開發ISP晶片,其成像質量不如獨立ISP晶片;2、無法保證與所選用的感測器契合,兩者如果配合不好,對成像質量是有負作用的,這就限制了手機對感測器的選擇;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著相同的ISP方案,這就導致嚴重的同質化現象。

不過這其中也有一個特例,那就是iPhone,眾所周知,iPhone搭載的是自家的蘋果處理器,所以,儘管iPhone採用了整合ISP晶片,但以上缺點卻是不存在的。

獨立ISP晶片是獨立於處理器而存在的,雖然成本較高,但優勢也是比較明顯的。除了運算能力、成像質量更優秀外,一般的獨立ISP晶片都是手機商向ISP提供商定製的,所以與相機其他元件的契合度更佳,成像也有屬於自己的風格、特色。

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軟體演算法很重要

ISP晶片對感測器輸入的電流訊號進行處理後,首先會生成未經加工的原始影象,而軟體演算法就好比對原始影象在內部進行了一番“PS”,最佳化影象的色彩、色調、對比度、噪點等,最後生成我們所看到的jpg格式圖片。當然,由於每個人的PS技術和風格都不一樣,所以即便是同一張照片,每個人最終也都會P成不同的風格。同理,每部手機的軟體演算法不同,最終的成像效果和風格也是不一樣的,比如vivo手機通常會提升對比度,而iPhone則追求自然的效果。我們都知道iPhone 5s的相機配置並不高,僅為800萬,背照式感測器和自家整合ISP晶片在技術上雖然很優秀,但也絕不是頂尖級別,那麼為何iPhone 5s的整體成畫素質是最優秀的呢?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的軟體演算法比較優秀。

閃光燈哪個好?

閃光燈是增加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,提升畫面亮度。另外,在光線複雜的環境下,利用閃光燈可以去除雜光,使照片的色彩還原更為真實。iPhone 5S的雙True Tone LED補光燈並不僅是為了提供更多的光線,更重要的是為了提供更準確的光線顏色。白色LED補光燈通常只會模仿陽光的顏色來提供光線,往往導致畫面偏藍、偏冷等色彩失實的問題,而iPhone 5s在白色補光燈下又增加了一枚琥珀色閃光燈,兩者分別提供不同色溫的光線,從而使光線達到平衡,混合後便獲得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,它可發出非常接近太陽光的光線,不過由於其成本較高,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。

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