全面解讀攝像頭結(jié)構(gòu)和工作原理

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一、攝像頭結(jié)構(gòu)和工作原理.

拍攝景物通過鏡頭，將生成的光學(xué)圖像投射到傳感器上，然后光學(xué)圖像被轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，電信號(hào)再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換變?yōu)?a target="_blank">數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)經(jīng)過DSP加工處理，再被送到電腦中進(jìn)行處理，最終轉(zhuǎn)換成手機(jī)屏幕上能夠看到的圖像。

數(shù)字信號(hào)處理芯片DSP(DIGITAL SIGNAL PROCESSING)功能：主要是通過一系列復(fù)雜的數(shù)學(xué)算法運(yùn)算，對(duì)數(shù)字圖像信號(hào)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化處理，并把處理后的信號(hào)通過USB等接口傳到PC等設(shè)備。DSP結(jié)構(gòu)框架:

1. ISP(image signal processor)(鏡像信號(hào)處理器)

2. JPEG encoder(JPEG圖像解碼器)

3. USB device controller(USB設(shè)備控制器)

常見的攝像頭傳感器類型主要有兩種，

一種是CCD傳感器（Chagre Couled Device），即電荷耦合器。

一種是CMOS傳感器（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）即互補(bǔ)性金屬氧化物半導(dǎo)體。

CCD的優(yōu)勢(shì)在于成像質(zhì)量好，但是制造工藝復(fù)雜，成本高昂，且耗電高。在相同分辨率下，CMOS價(jià)格比CCD便宜，但圖像質(zhì)量相比CCD來說要低一些。CMOS影像傳感器相對(duì)CCD具有耗電低的優(yōu)勢(shì)，加上隨著工藝技術(shù)的進(jìn)步，CMOS的畫質(zhì)水平也不斷地在提高，所以目前市面上的手機(jī)攝像頭都采用CMOS傳感器。

手機(jī)攝像頭的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)

濾光片有兩大功用:

1.濾除紅外線。濾除對(duì)可見光有干擾的紅外光，使成像效果更清晰。

2.修整進(jìn)來的光線。感光芯片由感光體(CELL)構(gòu)成,最好的光線是直射進(jìn)來,但為了怕干擾到鄰近感光體,就需要對(duì)光線加以修整,因此那片濾光片不是玻璃,而是石英片,利用石英的物理偏光特性,把進(jìn)來的光線,保留直射部份,反射掉斜射部份,避免去影響旁邊的感光點(diǎn).

二、相關(guān)參數(shù)和名詞

1、常見圖像格式

1.1 RGB格式：

傳統(tǒng)的紅綠藍(lán)格式，比如RGB565，RGB888，其16-bit數(shù)據(jù)格式為5-bit R + 6-bit G + 5-bit B。G多一位，原因是人眼對(duì)綠色比較敏感。

1.2 YUV格式：

luma?(Y)?+?chroma?(UV)?格式。YUV是指亮度參量和色度參量分開表示的像素格式，而這樣分開的好處就是不但可以避免相互干擾，還可以降低色度的采樣率而不會(huì)對(duì)圖像質(zhì)量影響太大。YUV是一個(gè)比較籠統(tǒng)地說法，針對(duì)它的具體排列方式，可以分為很多種具體的格式。

色度(UV)定義了顏色的兩個(gè)方面─色調(diào)與飽和度，分別用CB和CR表示。其中，Cr反映了RGB輸入信號(hào)紅色部分與RGB信號(hào)亮度值之間的差異。而Cb反映的是RGB輸入信號(hào)藍(lán)色部分與RGB信號(hào)亮度值之間的差異。

主要的采樣格式有YCbCr 40、YCbCr 42、YCbCr 41和 YCbCr 44。

1.3 RAW data格式：

RAW圖像就是CMOS或者CCD圖像感應(yīng)器將捕捉到的光源信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)的原始數(shù)據(jù)。RAW文件是一種記錄了數(shù)碼相機(jī)傳感器的原始信息，同時(shí)記錄了由相機(jī)拍攝所產(chǎn)生的一些元數(shù)據(jù)（Metadata，如ISO的設(shè)置、快門速度、光圈值、白平衡等）的文件。RAW是未經(jīng)處理、也未經(jīng)壓縮的格式，可以把RAW概念化為“原始圖像編碼數(shù)據(jù)”或更形象的稱為“數(shù)字底片”。sensor的每一像素對(duì)應(yīng)一個(gè)彩色濾光片，濾光片按Bayer pattern分布。將每一個(gè)像素的數(shù)據(jù)直接輸出，即RAW RGB data

Raw data（Raw RGB）經(jīng)過彩色插值就變成RGB.

RAW格式圖像示例

2. 相關(guān)技術(shù)指標(biāo)

2.1 圖像解析度/分辨率(Resolution)：

SXGA(1280 x1024)又稱130萬像素

XGA(1024 x768)又稱80萬像素

SVGA(800 x600)又稱50萬像素

VGA(640x480)又稱30萬像素(35萬是指648X488)

CIF(352x288) 又稱10萬像素

SIF/QVGA(320x240)

QCIF(176x144)

QSIF/QQVGA(160x120)

2.2 彩色深度(色彩位數(shù))：

256色灰階，有256種灰色（包括黑白）。

15或16位彩色（高彩色）：65,536種顏色。

24位彩色（真彩色）：每種原色都有256個(gè)層次，它們的組合便有256*256*256種顏色。

32位彩色：除了24位彩色的顏色外，額外的8位是儲(chǔ)存重疊圖層的圖形資料(alpha頻道)。

2.3 光學(xué)變焦和數(shù)碼變焦：

光學(xué)變焦：?通過鏡頭的調(diào)整，拉近拉遠(yuǎn)所要拍攝的對(duì)象，保持像素不變和畫質(zhì)基本不變，卻可以拍到自己 ? ? ? ? ? ? 理想的物像。 ? ? 數(shù)碼變焦：其實(shí)沒有什么變焦，只是從原圖片中截取出來放大，你從液晶屏幕上看到變大了，實(shí)際上畫質(zhì)并沒有本質(zhì)提高，而像素比你相機(jī)能拍攝的最大像素降低了。畫質(zhì)上說基本是雞肋把，但是可以提供一些方便。

2.4 圖像壓縮方式：

JPEG/M-JPEG

H.261/H.263

MPEG

H.264?

2.5 圖像噪音：

指的是圖像中的雜點(diǎn)干撓。表現(xiàn)為圖像中有固定的彩色雜點(diǎn)。

2.6 自動(dòng)白平衡處理技術(shù)(auto?White Balance)：

簡(jiǎn)單來說就是：攝像機(jī)對(duì)白色物體的還原。相關(guān)概念：色溫。

2.7 視角：

與人的眼睛成像是相成原理，簡(jiǎn)單說就是成像范圍。

2.8 自動(dòng)對(duì)焦：

自動(dòng)對(duì)焦可以分成兩大類：一類是基于鏡頭與被拍攝目標(biāo)之間距離測(cè)量的測(cè)距自動(dòng)對(duì)焦，另一類是基于對(duì)焦屏上成像清晰的聚焦檢測(cè)自動(dòng)對(duì)焦(清晰度算法)。

注：變焦就是把遠(yuǎn)處的物體拉近。對(duì)焦是讓圖像清晰。

2.9 自動(dòng)曝光和Gamma：

就是光圈和快門的組合。光圈，快門速度，ISO。Gamma即人眼對(duì)亮度的響應(yīng)曲線。

三、高通的CAMERA部分硬件架構(gòu)

CAMERA部分硬件架構(gòu)

VFE：VIDEO front-end 視頻前端

VPE：Video preprocessing 視頻預(yù)處理

攝像頭模組中自帶了ISP（圖像信號(hào)處理器），所以，VFE和VPE有關(guān)圖像效果處理的功能都是關(guān)閉的。

1.VFE的功能：

1.1 通過算法提高圖像的質(zhì)量。

1.2 提供高分辨率的圖像的AWB(自動(dòng)白平衡)/AE(自動(dòng)曝光)/AF(自動(dòng)對(duì)焦)算法處理。

1.3 圖像衰減校正。

1.4 低光下的噪聲濾波。

1.5 圖像色彩效果優(yōu)化。

1.6 皮膚顏色效果優(yōu)化。

1.7 圖像抖動(dòng)計(jì)算。

1.8?亮度適應(yīng)算法。

2.VPE的功能：

2.1 圖像穩(wěn)定性。

2.2 數(shù)字對(duì)焦。

2.3 圖像旋轉(zhuǎn)。

2.4 Overlay。

三、android系統(tǒng)camera基本架構(gòu)

1.應(yīng)用層

Camera 的應(yīng)用層在Android 上表現(xiàn)為直接調(diào)用SDK API 開發(fā)的一個(gè)Camera 應(yīng)用APK 包。代碼在/android/packages/apps/Camera 下。主要對(duì) android.hardware.Camera（在Framework中） 類的調(diào)用，并且實(shí)現(xiàn)Camera 應(yīng)用的業(yè)務(wù)邏輯和UI 顯示。一個(gè)Android 應(yīng)用中若要使用這個(gè)android.hardware.Camera類，需要在Manifest 文件聲明Camera 的權(quán)限，另外還 需要添加一些?元素來聲明應(yīng)用中的Camera 特性，如自動(dòng)對(duì)焦等。?具體做法可如下：

?

?

?

2.Framework層

2.1 android.hardware.Camera：代碼位置/android/frameworks/base/core/java/android/hardware/Camera.java

這部分目標(biāo)是framework.jar。這是是Android 提供給app層調(diào)用的java接口。這個(gè)類用來連接或斷開一個(gè)Camera 服務(wù)，設(shè)置拍攝參數(shù)，開始、停止預(yù)覽，拍照等。

2.2 android.hardware.Camera這個(gè)類是和JNI中定義的類是一個(gè)，有些方法通過JNI的方式調(diào)用本地代碼得到，有些方法自己實(shí)現(xiàn)。? Camera的JAVA native調(diào)用部分（JNI）：/android/frameworks/base/core/jni/android_hardware_Camera.cpp。Camera.java 承接JAVA 代碼到C++?代碼的橋梁。編譯生成libandroid_runtime.so 。libandroid_runtime.so庫是公用的, 其中除了Camera 還有其他方面的功能。

2.3 Camera框架的client部分：

代碼位置：/android/frameworks/base/libs/camera/下5個(gè)文件。

Camera.cpp

CameraParameters.cpp

ICamera.cpp

ICameraClient.cpp

ICameraService.cpp

它們的頭文件在/android/frameworks/base/include/camera目錄下。

這部分的內(nèi)容編譯生成libcamera_client.so 。在Camera 模塊的各個(gè)庫中，libcamera_client.so 位于核心的位置，作為Camera 框架的 Client 客戶端部分，與另外一部分內(nèi)容服務(wù)端 libcameraservice.so 通過進(jìn)程間通訊（即Binder 機(jī)制）的方式進(jìn)行通訊。

2.4 Camera框架的service部分：

代碼位置：/android/frameworks/base/services/camera/libcameraservice。

這部分內(nèi)容被編譯成庫libcameraservice.so 。CameraService 是Camera 服務(wù)，Camera 框架的中間層，用于鏈接CameraHardwareInterface 和Client部分 ，它通過調(diào)用實(shí)際的Camera 硬件接口來實(shí)現(xiàn)功能，即下層HAL層。

四. 攝像頭預(yù)覽、拍照、錄像基本數(shù)據(jù)流向和處理流程以及驅(qū)動(dòng)調(diào)試

cpp主要分為三個(gè)部分，preview，snapshot，video。它們分別用一個(gè)pthread進(jìn)行處理。另外還有auto focus功能也是用pthread的方式處理。預(yù)覽或拍照、視頻線程處理得到的數(shù)據(jù)幀都以datacallback的方式回調(diào)到上層CameraService.cpp中，進(jìn)行存儲(chǔ)或預(yù)覽等操作。以下是HAL層部分的代碼大概的調(diào)用結(jié)構(gòu)流程。

整個(gè)模塊主要巡行三個(gè)主線程：control、config及frame。

control用來執(zhí)行總的控制，是上層控制接口。

config主要進(jìn)行一些配置，這個(gè)線程里面主要進(jìn)行3A的工作，另外還有一些跟效果有關(guān)的設(shè)置；

frame線程主要用來做幀queue的循環(huán)獲取處理。所有事件或狀態(tài)的反饋，用回調(diào)函數(shù)的方式傳回QualcommCameraHardware.cpp。

2. 驅(qū)動(dòng)部分從設(shè)備驅(qū)動(dòng)s5k8aa.c開始。新建平臺(tái)設(shè)備后，執(zhí)行入口函數(shù)probe時(shí)，調(diào)用創(chuàng)建攝像頭設(shè)備功能函數(shù)

int msm_camera_drv_start(struct platform_device *dev, ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

int (*sensor_probe)(const struct msm_camera_sensor_info *,?

struct msm_sensor_ctrl *))

并將設(shè)備信息結(jié)構(gòu)體和攝像頭設(shè)備調(diào)用入口sensor_probe傳入。msm_camera_drv_start（xxx）函數(shù)在msm_camera.c中實(shí)現(xiàn)。他創(chuàng)建了提供上層調(diào)用的四個(gè)終于設(shè)備結(jié)點(diǎn)：

/dev/msm_camera/frame%d

/dev/msm_camera/control%d

/dev/msm_camera/config%d

/dev/msm_camera/pic%d

實(shí)現(xiàn)了上層庫對(duì)VFE模塊，VPE模塊，jpeg_encoder模塊和攝像頭sensor模塊驅(qū)動(dòng)的控制調(diào)用接口。在file_operations中的相應(yīng)函數(shù)中分別實(shí)現(xiàn)的是這些設(shè)備的新建初始化和IOCTL功能調(diào)用接口。

然后這個(gè)函數(shù)還創(chuàng)建了四個(gè)工作隊(duì)列：?

struct msm_device_queue event_q;?

struct msm_device_queue frame_q;?

struct msm_device_queue pict_q;?

struct msm_device_queue vpe_q;

event_q包括/dev/msm_camera/control%d傳入的控制信號(hào)隊(duì)列，用于將上層傳下來的控制命令(command)傳到config thread中去。

frame_q用于對(duì)圖像幀的操作管理，預(yù)覽或錄像時(shí)幀將傳遞給DSP進(jìn)行處理。

pict_q包含拍照幀，用于給jpeg_encoder進(jìn)行圖像編碼處理。

vpe_q是VPE控制命令隊(duì)列。

s5k8aa.c是相應(yīng)攝像頭設(shè)備的驅(qū)動(dòng)部分。它的功能很簡(jiǎn)單，主要實(shí)現(xiàn)sensor模塊的創(chuàng)建、初始化和控制。主要實(shí)現(xiàn)以下三個(gè)函數(shù)：?

s->s_init = ov2685_sensor_init;?

s->s_release = ov2685_sensor_release;?

s->s_config = ov2685_sensor_config;

ov2685_sensor_init函數(shù)：? ??

主要實(shí)現(xiàn)攝像頭的上電、時(shí)鐘控制（MCLK）、設(shè)備初始化功能。? ? 上電分為DOVDD、DVDD、AVDD、reset、PWDN幾個(gè)部分。需要按照設(shè)備要求順序操作，一般時(shí)鐘控制順序也包含在內(nèi)。? ? 設(shè)備初始化過程是將sensor設(shè)備的所有寄存器全部初始化一遍，采用IIC方式將初始化寄存器地址和值全部發(fā)送到sensor端。完成后此時(shí)攝像頭模組才能正常工作，并將圖像通過MIPI線路傳送到CPU端。

ov2685_sensor_config函數(shù)：? ??

主要實(shí)現(xiàn)對(duì)sensor的各種配置接口，相應(yīng)的有幀率配置，白平衡效果設(shè)置，曝光度設(shè)置，特效設(shè)置等等。相應(yīng)接口將配置好的寄存器列表通過IIC發(fā)送到sensor中。

3. 攝像頭調(diào)試中的幾個(gè)問題點(diǎn)：

1.1 是否正確上電，是否有時(shí)鐘波形輸出。? ? 檢測(cè)輸出電壓的電壓值是否和上電時(shí)序以及MCLK是否符合sensor的要求。這部分可以用示波器和萬用表測(cè)量。測(cè)量電壓值和上電時(shí)序以及MCLK的時(shí)鐘頻率是否正確。

1.2 IIC讀寫是否正常。調(diào)試CPU與ISP間的I2C通信。? ? 檢測(cè)包括IIC地址是否正確，協(xié)議是否匹配。這部分也可以用示波器測(cè)量IIC的SDA、CLK的峰值、波形邏輯是否正確。

1.3 正確上電并初始化以后sensor模塊是否正常工作。? ? 這部分主要通過用示波器測(cè)量MIPI線路的數(shù)據(jù)和時(shí)鐘PIN是否正確，它的波形是否含有數(shù)據(jù)，是否標(biāo)準(zhǔn)波形，峰值有沒有達(dá)到要求等。

1.4 如果以上都正確了以后，MIPI控制器將接收到中斷，并開始處理圖像信號(hào)。此時(shí)如果出錯(cuò)，可以通過中斷信號(hào)的出錯(cuò)值查看錯(cuò)誤狀態(tài)。除CPU端是否正常初始化工作的問題外，需要關(guān)注模組端設(shè)置的圖像格式和CPU接收的默認(rèn)圖像格式和圖像大?。⊿IZE）是否一致。模組中圖片格式和圖像大小通過寄存器值查看。CPU端接收?qǐng)D片格式和圖像大小在HAL部分的s5k8aa中設(shè)置, 拍照源圖像大小和預(yù)覽源圖像大小需要分別設(shè)置。

以上部分完成后，攝像頭可以正確預(yù)覽。

編輯：黃飛

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