学技术 | 摄像头的工作原理

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或电脑中处理，通过显示屏（DISPLAY）就可以看到图像了。

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。

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。

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。