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学技术 | 摄像头的工作原理

大大通 2022-11-10 09:53 次阅读

本篇为大家简单介绍摄像头的工作原理,请大家指正。

1、工作原理:

景物通过镜头(LENS)生成的光学图像投射到图像传感器(sensor)表面上,然后 sensor 感光像 素点转为电信号,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,再通过数据口传输到手机电脑中处理,通过显示屏(DISPLAY)就可以看到图像了。

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2、数据格式:

数字信号处理(DSP)sensor阵列输出的信号,在每个像素上都只是单色的,需要用相邻像素的色彩去猜测本像素的其他色彩。这个由传感 器直接输出的,每个像素只有单色信息的数据,叫做 Raw RGB 数据。而 DSP 的目的,就是把 Raw RGB 数据,去通过计算和后期加工,变成真正的 RGB 或 YUV 格式的数据。简而言之,DSP 的主要工作, 就是把 Raw RGB 格式转换成 RGB 格式或者是 YUV 格式。

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ISP(Image Signal Processing)或DSP(Digital Signal Processing), 图像信号处理,就是处理图像的器件。ISP/DSP将由 Sensor 输出的原始信号处理成通用的成像数据,这些 处理过的成像数据可以直接被 AP 处理器或者 MTK、高通的基带芯片来使用,至于这些通用的图像格式 数据,是再处理还是显示还是保存,这就看各个平台的应用需求。

RGB 数据: 理论上任何颜色都可以用红(R)绿(G)蓝(B)三种基本颜色混合而成。RGB称为三基色。RGB 格式有 RGB565,RGB24, ARGB32 等几种标准。大家都知道,在数据传输中,一个字节是 8 个比特。RGB565:共 16 比特, 占两个字节。其中 5 个比特表示 R,6 个比特表示 G,剩下来 5 个比特表示 B,所以一共可以表 示的颜色数为 2^16 = 65536 色, 其中红色 R 和蓝色 B 可表示为 32 种不同值,而绿色 G 可以表示 为 64 种不同值;RGB24:共 24 比特,占三个字节。其中 RGB 三种颜色各种 8 个比特位, 所 以一共可以表示的颜色数为 2^24 = 1677 万色,每种颜色可表示成 256 种不同值;ARGB32:共32 比特,占四个字节。其中 RGB 三种颜色各占 8 比特,剩下来 8 比特表示 Alpha 通道值, 所以一共可以表示的颜色数为 2^24 = 1677 万色,每种颜色可表示成 256 种不同值。但是因为加了 Alpha 值,所以每种颜色还可以另外显示为 256 种不同的透明度。

YUV的原理是把亮度与色度分离,研究证明,人眼对亮度的敏感超过色度。利用这个原理,可以把色度信息减少一点,人眼也无法察觉这一点。YUV三个字母中,其中"Y"表示明亮度(Luminance)也就是灰阶值;而"U"和"V"表示的则是色度(Chrominance),作用是描述影像色彩及饱和度,用于指定像素的颜色。采用YUV色彩空间的重要性是它的亮度信号Y和色度信号U、V是分离的。

YUV 数据和标准 RGB 数据互相转换公式:

Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B

U = 0.147R - 0.289G + 0.436B

V = 0.615R - 0.515G - 0.100B

R = Y + 1.14V

G = Y - 0.39U - 0.58V

B = Y + 2.03U

Raw数据:CCD/CMOS感受光线后输出的原始数据只有灰度数据,因为滤光层关系每个灰度数据只表示一种颜色的强度,所以 Raw 数据就是传感器输出的原始图像数 据,其中的颜色信息是不完整的,不通过计算插值出其他颜色信息的话,是还原不出完整图像的。

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3、图像输出:

目前市面上的平台厂商,例如 MTK、高通、展讯、全志、安霸等都有自己的图像处理引擎,其实就 是一块封装了 ISP 以及其他功能的芯片。这块芯片的主要作用,是处理原始图像数据(Raw)。Pre-ISP 部分称之为前端影像处理,是把原始图像数据处理为通用图像数据的最关键的一个部分。各 家的图像处理引擎中,最核心的也就是这个 Pre-ISP 的部分,对应着不同的图像数据的转换和处理方式。其实简单地说 Pre-ISP 就是一个调整图像的过程(类似 PS 的过程)。这个和在电脑上用 Photoshop 或者光影魔术手去给你的图像拉曲线,调色调等是一样的过程。只不过 ISP 是直接处理 Raw-RGB 数据 的,这个原始数据虽然是不完整的 RGB 颜色数据,但是没有失真和画质损耗,处理 Raw-RGB 数据,所带 来的画质损失是最小的。而经过 Pre-ISP 处理过的数据,即 RGB 或者 YUV 数据,虽然有了完整的颜色 信息,但是画质已经有了一定的损耗。如果再把这个 RGB 或 YUV 数据编码压缩成 JPG 格式,画面细节的 损耗就更大了。而我们一般是直接使用出片的 JPG 文件去更进一步的处理,在手机上或者导出到电脑上进一步修改,这就是第三次对画质进行了损坏。

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