Camera一般分为Digitalcamera数字式与DigitalStillCameras模拟式。
1Digitalcamera数字式
2Simulantcamera模拟式
外置数码相机的优点在于可以减轻手机的重量,而且外置数码相机重量轻,携带方便,使用方法简单。
工作原理
表面上,然后转为电信号,经过A/D(模数转换)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,再通过IO接口传输到CPU中处理,通过DISPLAY就可以看到图像了。
整个系统由三部分构成:图像采集模块、图像处理模块和图像传输模块。
1图像采集模块:
图像的采集过程是把光转化为电信号;首先,光通过镜头进入sensor,有sensor里的photodiode转化为电压电流,然后经过AMP放大,再有ADC转化为数字信号;
2图像处理模块:
该过程主要对sensor出来的数字信号进行处理,称ISP,imagesignalprocess主要包括:lensshading;Gammacorrection;colorinterpolation;contrast;saturation;AE;AWB;colorcorrection;badpixelcorrection等
双向三线的同步串行总线
SCCB是OmnVision公司开发的一种双向三线的同步串行总线,引线接口有使能线SCCB_E,是串行时钟信号总线SIO_C,串行数据信号总线SIO_D。SCCB控制总线功能的实现完全是依靠SCCE、SIO_C、SIO_D三条总线上电平的状态以及三者之间的相互配合实现的。
控制总线规定的条件如下:当SCCE有高电平变到低电平时,数据传输开始。当SCCE有低电平转化为高电平时,数据传输结束。为了避免传送无用的信息位,分别在传输开始之前、传输结束之后将SIO_D设置为高电平。在数据传输期间,SCCE始终保持低电平,SIO_D上数据的传输受SIO_C的控制。当SIO_C为低电平时,SIO_D上数据有效,SIO_D为稳定数据状态,SIO_C每出现一正脉冲,将传送一位数据。
SCCB_E低电平有效,如果将其接地,那么SIO_C,SIO_D的工作方式十分类似于I2C总线。与I2C总线一样,在SCCB总线中主设备发送一个字节后,从设备需要将数据线SIO_D拉低作为应答信号(ACK)返回给主设备,才能表示发送成功。值得注意的是由于CMOS器件所能承受的灌电流很低,所以接至时钟线SIO_C、数据线SIO_D的上拉电阻阻值应在3~5kΩ之间,并且对于主设备发送参数完毕后,需立即释放数据线SIO_D以保证其处于悬空状态,即主设备在送完一个字节后立即执行一条指令,使数据线SIO_D发出读取信号的操作。
主要结构
LENS:CAMERA的成像关键在于SENSOR,为了扩大CCD的采光率必须扩大单一象素的受光面积,在提高采光率的同时会导致画面质量下降。LENS就是相当于在SENSOR前面增加一副眼镜,SENSOR的采光率就不是由SENSOR的开口面积决定而是由LENS的表面积决定。
材质:镜头从材质上分塑胶透镜(P)和玻璃透镜(G)两种,可以通过多种组合方式形成最后的镜头,常见的组合有:1P、2P、1G1P、1G2P、2G2P、2G3P、4G、5G(2P就是2片塑胶,2G2P就是2片玻璃2片塑胶,其它的类似)。透镜越多成像效果越好;玻璃透镜比塑胶的效果好,价格也更贵;加了镀膜玻璃的则更好,可以增加通光量,减少反光,使成像清晰,画质明亮鲜艳。
透光度(光圈系数):透光度越强成像效果越好,透光度有标准衡量数值:f1,,f2,,f4,,f8,f11等,数值越低越好。
感光层SENSOR(图象传感器)
90年代制造出百万像素之高分辨率CCD,此时CCD的发展更是突飞猛进,算一算CCD发展至今也有二十多个年头了。进入90年代中期后,CCD技术得到了迅猛发展,同时,CCD的单位面积也越来越小。但为了在CCD面积减小的同时提高图像的成像质量,SONY与1989年开发出了SUPERHADCCD,这种新的感光器件是在CCD面积减小的情况下,依靠CCD组件内部放大器的放大倍率提升成像质量。以后相继出现了NEWSTRUCTURECCD、EXVIEWHADCCD、四色滤光技术(专为SONYF828所应用)。而富士数码相机则采用了超级CCD(SuperCCD)、SuperCCDSR。对于CMOS来说,具有便于大规模生产,且速度快、成本较低,将是数字相机关键器件的发展方向。
目前,在CANON等公司的不断努力下,新的CMOS器件不断推陈出新,高动态范围CMOS器件已经出现,这一技术消除了对快门、光圈、自动增益控制及伽玛校正的需要,使之接近了CCD的成像质量。
另外由于CMOS先天的可塑性,可以做出高像素的大型CMOS感光器而成本却不上升多少。相对于CCD的停滞不前相比CMOS作为新生事物而展示出了蓬勃的活力。作为数码相机的核心部件,CMOS感光器以已经有逐渐取代CCD感光器的趋势,并有希望在不久的将来成为主流的感光器。
影像感光器件因素对于数码相机来说,影像感光器件成像的因素主要有两个方面:一是感光器件的面积;二是感光器件的色彩深度。感光器件面积越大,成像较大,相同条件下,能记录更多的图像细节,各像素间的干扰也小,成像质量越好。但随着数码相机向时尚小巧化的方向发展,感光器件的面积也只能是越来越小。
除了面积之外,感光器件还有一个重要指标,就是色彩深度,也就是色彩位,就是用多少位的二进制数字来记录三种原色。非专业型数码相机的感光器件一般是24位的,高档点的采样时是30位,而记录时仍然是24位,专业型数码相机的成像器件至少是36位的,据说已经有了48位的CCD。
图像传感器(SENSOR)
图像传感器(SENSOR)是一种半导体芯片,其表面包含有几十万到几百万的光电二极管。光电二极管受到光照射时,就会产生电荷。目前的SENSOR类型有两种:CCD(ChargeCoupleDevice)电荷耦合器件,CMOS(ComplementaryMetalOxideSemiconductor)互补金属氧化物半导体
SENSOR主要是将穿过滤色层的光源转换成电子信号,并将信号传送到影像处理芯片(DSP),将影像还原。
目前市面上常见的传感器材质分为CCD(电荷耦合器件)和CMOS(互补金属氧化物半导体)两种:
CCD的优点是灵敏度高,噪音小,信噪比大,但是生产工艺复杂、成本高、功耗高;
CMOS的优点是集成度高、功耗低(不到CCD的1/3)、成本低,但是信噪比较大、灵敏度较低、对光源要求高。
一般认为CCD的成像效果比CMOS好,但是随着CMOS的改进和其他影像技术的弥补(如自动亮度、白平衡控制,色饱和度、对比度、边缘增强等),两者实际效果相差并不明显。另外最近爆出国外已研发出量子膜图像传感技术,性能比CCD和CMOS提升了4倍,但相信短时间内不会用在手机照相上。
CCD(ChargeCoupledDevice,电荷耦合组件)使用一种高感光度的半导体材料制成,能把光线转变成电荷,通过模数转换器芯片转换成数字信号,数字信号经过压缩以后由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存,因而可以轻而易举地把数据传输给计算机,并借助于计算机的处理手段,根据需要和想像来修改图像。
CCD经过长达35年的发展,大致的形状和运作方式都已经定型。CCD的组成主要是由一个类似马赛克的网格、聚光镜片以及垫于最底下的电子线路矩阵所组成。目前有能力生产CCD的公司分别为:SONY、Philps、Kodak、Matsushita、Fuji和Sharp,大半是日本厂商。
CMOS(Complementaryetal-OxideSemiconductor,附加金属氧化物半导体组件)和CCD一样同为在数码相机中可记录光线变化的半导体。CMOS的制造技术和一般计算机芯片没什么差别,主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体,使其在CMOS上共存着带N(带–电)和P(带+电)级的半导体,这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片纪录和解读成影像。然而,CMOS的缺点就是太容易出现杂点,这主要是因为早期的设计使CMOS在处理快速变化的影像时,由于电流变化过于频繁而会产生过热的现象。
CMOS芯片主要用于外界光线后转化为电能,再透过芯片上的模拟转换器将获得的影像讯号转变为数字信号输出。在进行对光感的分析,还原色彩,去除杂质等一系列的运算,使得照片能够看起来非常的清晰。
不过手机上的cmos采用的是最差的芯片,就算是拍照手机也不的cmos芯片也不能和相机里的cmos对比。因为手机的cmos芯片很小,要比相机里的cmos小很多,在对相片的分析和色彩还原,去除杂质等效果都有很大的差异。
CCD和CMOS各自的利弊,我们可以从技术的角度来比较两者主要存在的区别:
1.信息读取方式不同。CCD传感器存储的电荷信息需在同步信号控制下一位一位的实施转移后读取,电荷信息转移和读取输出需要有时钟控制电路和三组不同的电源相配合,整个电路较为复杂。CMOS传感器经光电转换后直接产生电流(或电压)信号,信号读取十分简单。
2.速度有所差别。CCD传感器需在同步时钟的控制下以行为单位一位一位的输出信息,速度较慢;而CMOS传感器采集光信号的同时就可以取出电信号,还能同时处理各单元的图象信息,速度比CCD快很多。
3.电源及耗电量。CCD传感器电荷耦合器大多需要三组电源供电,耗电量较大;CMOS传感器只需使用一个电源,耗电量非常小,仅为CCD电荷耦合器的1/8到1/10,CMOS光电传感器在节能方面具有很大优势。
4.成像质量。CCD传感器制作技术起步较早,技术相对成熟,采用PN结合二氧化硅隔离层隔离噪声,成像质量相对CMOS传感器有一定优势。由于CMOS传感器集成度高,光电传感元件与电路之间距离很近,相互之间的光、电、磁干扰较为严重,噪声对图象质量影响很大。
CMOS影像传感器的优点之一是电源消耗量比CCD低,CCD为提供优异的影像品质,付出代价即是较高的电源消耗量,为使电荷传输顺畅,噪声降低,需由高压差改善传输效果。但CMOS影像传感器将每一画素的电荷转换成电压,读取前便将其放大,利用3.3V的电源即可驱动,电源消耗量比CCD低。
CMOS影像传感器的另一优点,是与周边电路的整合性高,可将ADC与讯号处理器整合在一起,使体积大幅缩小,例如,CMOS影像传感器只需一组电源,CCD却需三或四组电源,由于ADC与讯号处理器的制程与CCD不同,要缩小CCD套件的体积很困难。
但目前CMOS影像传感器首要解决的问题就是降低噪声的产生,未来CMOS影像传感器是否可以改变长久以来被CCD压抑的宿命,往后技术的发展是重要关键。感光器件的发展CCD是1969年由美国的贝尔研究室所开发出来的。进入80年代,CCD影像传感器虽然有缺陷,由于不断的研究终于克服了困难,而于80年代后半期制造出高分辨率且高品质的CCD。
A/D转换器
A/D转换器即ADC(AnalogDigitalConverter模拟数字转换器)ADC的两个重要指标是转换速度和量化精度,由于CAMERASYSTEM中高分辨率图象的象素量庞大,因此对速度转换器的要求很高。同时量化精度对应的ADC转换器将每一个象素的亮度和色彩值量化为若干的等级,这个等级就是CAMERA的色彩深度。由于CMOS已经具备数字化传输接口,所以不需要A/数字信号处理芯片(DSP)数字信号处理芯片DSP(DIGITALSIGNALPROCESSING)功能:主要是通过一系列复杂的数学算法运算,对数字图像信号参数进行优化处理,并把处理后的信号通过USB等接口传到PC等设备。
数字信号处理芯片(DSP)
数字信号处理芯片(DSP)主要对传感器传送过来的数字信号进行优化,转化为图像格式并通过接口传输给存储或显示设备。处理的好坏,直接决定画面品质(如色彩饱和度、清晰度)与流畅度
闪光灯
闪光灯的英文学名为FlashLight。闪光灯也是加强曝光量的方式之一,尤其在昏暗的地方,打闪光灯有助于让景物更明亮。使用闪光灯也会出现弊端,例如在拍人物时,闪光灯的光线可能会在眼睛的瞳孔发生残留的现象,进而发生「红眼」的情形,因此许多相机商都将"消除红眼"这项功能加入设计,在闪光灯开启前先打出微弱光让瞳孔适应,然后再执行真正的闪光,避免红眼发生。中低档数码相机一般都具备三种闪光灯模式,即自动闪光、消除红眼与关闭闪光灯。再高级一点的产品还提供“强制闪光”,甚至“慢速闪光”功能。
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像素与分辨率
分辨率(Resolution)
数码相机的像素数包括有效像素(EffectivePixels)和最大像素(MaximumPixels)。与最大像素不同的是有效像素数是指真正参与感光成像的像素值,而最高像素的数值是感光器件的真实像素,这个数据通常包含了感光器件的非成像部分,而有效像素是在镜头变焦倍率下所换算出来的值。
有效像素
有效像素数英文名称为EffectivePixels。与最大像素不同,有效像素数是指真正参与感光成像的像素值。最高像素的数值是感光器件的真实像素,这个数据通常包含了感光器件的非成像部分,而有效像素是在镜头变焦倍率下所换算出来的值。
最大像素
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XGA-W:1280x768"B"c/N5K9{0g7n5n
QVGA:1280x960120W7\.|-'{%e"[*
SXGA:1280x1024(v8L)Y0I+u
SXGA+:1400x1050$FP/j+e7Ra;X[
SXGA-W:1600x1024%`5e;N/@1@"|7?
UGA:1600x1200
HDTV:1920x1080200W
UXGA:1900x1200
UXGA-W:1920x12009d5z8g;h;D,O
QXGA:2048x1536320W
QSXGA:2560x2048500W+
QUXGA:3200x2400700W+
QUXGA-W:3840x2400900W+2f(h1Y%]*Y/E"I,T
变焦
变焦分两种,一种是数字变焦;一种是光学变焦。作用与手机上,多数都采用数码变焦。
光学变焦和数码变焦原理
所以我们看到,一些镜头越长的数码相机,内部的镜片和感光器移动空间更大,所以变焦倍数也更大。
数字变焦
连拍原理
因此,所有数码相机的连拍速度都不很快。连拍一般以帧为计算单位,好像电影胶卷一样,每一帧代表一个画面,每秒能捕捉的帧数越多,连拍功能越快。
AE(自动曝光)与AWB(自动白平衡)
颜色实质上就是对光线的解释,在正常光线下看起来是白颜色的东西在较暗的光线下看起来可能就不是白色,还有荧光灯下的"白"也是"非白"。对于这一切如果能调整白平衡,则在所得到的照片中就能正确地以"白"为基色来还原其他颜色。现在大多数的商用级数码相机均提供白平衡调节功能。正如前面提到的白平衡与周围光线密切相关,因而,启动白平衡功能时闪光灯的使用就要受到限制,否则环境光的变化会使得白平衡失效或干扰正常的白平衡。
传输速率(帧数)
图像格式(imageFormat/Colorspace)
RGB24,I420是目前最常用的两种图像格式。RGB24:表示R、G、B三种颜色各8bit,最多可表现色。
I420:YUV格式之一。
其它格式有:RGB565,RGB444,YUV4:2:2等。