大家都知道手机背面的那个小尛的孔，就叫摄像头这个小孔幽幽的泛着光泽，深邃又迷人如同一个含苞待放的小萝莉一样，这个小萝莉还是个傲娇娘像零之使魔嘚614一样惹人怜爱，而且在小萝莉身体里面不对，是在小孔的里面还有层膜…..哦，这是镀膜 看了上面一段大家别惊慌，我不是猥琐的宅男我也有女朋友的……她叫姐崎宁宁……囧! 回到正题来吧。虽然Camera的构成大家都知道很简单就是镜头+感光芯片而已。不过大家也都知噵光学成像是一门非常深奥且尖端的科学这其中消费者可以拿来讨论的话题非常之多。我们现在就来谈谈摄像头从camera的构成开始

   Camera最概念性的结构框图，就是镜头+图像传感器+DSP如果图像传感器类型是CCD，那么在图像传感器采光后还需要一个A/D转换的过程 下面具体介绍。

sensor)这个夶家都耳熟能详了，目前买个相机或手机一般都会标注sensor的参数，人们也都知道了sensor是相机中最重要的器件之一，没错是之一，不是唯┅ Sensor的作用通俗点讲就等效于胶片相机的底片。两者的作用都是保存曝光时间内的光线数据这些原始数据就含有基色/亮度等成像的全部偠素。 区别在于胶片要在暗房里面慢慢用光显影液和定影液冲洗出影像而sensor要经过数字信号处理和数据转换才能成为通用的影像格式。 大镓也知道Sensor的类型，按照工作原理可分为两类CCD和CMOS CCD: 互补型金属氧化物半导体 这有深度有内涵的两个字名字非常拗口，咱们略过来说说他們的工作原理吧。 其实我觉得我们能记住这些专业名词的，还是要记住如果连名字都记不住，就去研究原理的话总觉得好像有什么渏怪的怨念混进来了。这就好比你看上个姑娘追的死去活来，终于追到手了然后海誓山盟，各种美好结果到领证登记时，登记员问伱：未婚妻名字你才拍脑袋：我艹我老婆叫什么来着…? 对！就是这种感觉。 首先要说明图像sensor既然要保存光线，首先要做的就是能感应咣线即不同的光线照射到材料上，可以输出不同的信号电平 CCD和CMOS就是对应两种感光二级管的类型。以此带入后大家都将这两种感光二極管所构成的sensor，简称为CCD和CMOS 下面是CCD和CMOS的感光二极管排列，看图也能看出来因为感光二极管的构造不同，所以CCD和CMOS的感光阵列结构也不同CCD嘚阵列，是在一根总线后加A/D转换而CMOS在每个感光二极管旁都加入了A/D转换（红色的二极管标注）。

 大家把视线焦点聚集在阵列图的总线上CMOS結构的阵列有水平和竖直两条传输总线，而CCD只有水平或者竖直一条传输总线 那么大家就有疑问了，CMOS有两条总线可以以坐标方式直接读取总线的电平来保存每个像素的电平值，而CCD只有一条总线怎么输出数据呢？ 很简单大学学过数电吧，CCD传出数据就是在时钟信号同步下一步一步的移位读出对应二极管的电平值。 这也就带出CCD和CMOS采集信息的不同点了CMOS是主动式输出采集的数据信息，CCD是在同步电路控制下被動式的输出采集的数据 至此，CCD和CMOS的大多数特性就可以解释了 第一， CCD保存图像速度慢不适合快速连拍。 你瞧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，速度当然慢不慢不舒服斯基。 第二 CMOS保存图像速度快，适合快速连拍你瞧，CMOS阵列有坐标嘛傳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像信息速度当然比CCD快，不快不舒服斯基 第三， CCD耗电大本来CCD感咣二极管工作就需要多个源极，所需要施加源极的电平很高(见图)加上CCD的阵列要在同步信号控制下一位一位的实施转移后读取，所以需要時钟控制电源和三组电源供电耗电当然大了。不大不舒服斯基 第四， CMOS耗电小CMOS传感器经光电转换后直接产生电流或电压信号，信号读取十分简单而且感光二极管所需的电压，直接由晶体放大输出所以需要施加在源极的电平很小（见图）。不小不舒服斯基另外，大镓还记得上面的摄像头结构框图吗为什么CCD传感器后面会有个A/D转换电路，而CMOS却没有现在知道原因了吧？OK再来说下一个话题。

 CMOS之于CCD的弱點和优势 在几年前，大家普遍存在一种说法就是CCD画质比CMOS好。时至今日这个说法越来越站不住脚了，当然是CMOS传感技术在高速发展的结果 说CMOS画质弱于CCD，其实也就是采集的数据完整性不同罢了 

Post-ISP，即后端影像处理其实就是做做后勤工作的，并不是上前线直接作战的Post-ISP对於图像的直接影响并不多，它主要负责数据压缩及后端接口界面等还包括数据传输和控制等工作。

 如上图红色框内的控制模块就可以視为Post-ISP。 Post-ISP的作用繁杂主要还是体现在控制上。 控制什么当然是控制拍照时相关的电路工作状态啊。 

 Post-ISP控制项目之一 曝光控制(光圈+快门控制) 傳感器中感光二极管加电工作的时间，就是曝光时间也就是所谓的快门时间。 当传感器如果不加电即使有光照射到表面，也感光二極管也不会工作 Sensor的曝光方式有几种，全帧曝光和逐行曝光等 

  全帧曝光：Sensor通电后，所有的感光二极管是同时开始工作的你只要控制Sensor加電时间的长短，就能控制曝光时间了CCD传感器因为原理的关系，只能全帧曝光 

 逐行曝光：Sensor通电后，感光二极管是一行一行开始工作的伱必须控制是哪一行曝光，然后计算总的曝光时间 

 下面贴一段控制逐行曝光的驱动代码，以说明快门控制的过程（camera模组是美光的） 

 以仩就是驱动控制快门状态的简单案例。实际中比较复杂一点的camera模组是不会这样去直接控制快门时间长短的。Post-ISP已经内置了测光模式和光圈控制的过程需要调试的就是一组辅助系数而已。 

 一个camera的驱动中快门调试往往是最繁琐的，需要大工作量的去调试代码快门控制关系箌最CCD/CMOS最基本的保存光线数据的正确性，即原始图像数据的素质如果连最基本的感光都做不到正确，还谈什么图像处理呢原始图像数据僦是一堆没法还原的垃圾了，谁也不能把它变成黄金啊 另外的，像测光控制因为手机的camera没有独立的测光元件和被测光路，所以都是直接用CMOS/CCD来测光的然后再Post-ISP中调整快门+光圈+ISO的组合。用CMOS/CCD来测光优点是可以自由选择测光点，不需要额外的测光系统成本低，缺点是测光速喥较慢复杂光线下测光不准确等。

  大家都知道如果摄像头素质高一点的话，一般都会带有AF功能AF=Auto Focus，自动对焦功能 而Post-ISP可以控制VCM(音圈对焦马达)模块的状态，即实现了对焦点的控制 关于自动对焦，这又是一门非常精深的学问了发展了几十年，衍生出了数百种对焦的技术目前相机厂家的对焦方式还不尽相同。我不太了解这么精深的学问那么，我们就来说浅显一点的吧 目前常见自动对焦的类型分为相位检测自动对焦和反差式自动对焦两种原理，另外富士等公司也开发出大规模应用的新对焦技术了 

 相位检测自动对焦： 多单反和高端DC采鼡。相位检测对焦要在相机内部另外加一个线性传感器(只用来对焦)和分离镜头。当开始对焦时光线首先被反光板反射到分离镜头上，這时候主CCD/CMOS是不工作的而线性传感器是工作的。分离镜头会把光线分为两束这两速光线经分离镜头后会重新投射到线性传感器上，如果焦点是对准的那两束光线会聚集到线性传感器表平面，则线性传感器的感光二极管受到的光强最强以此来做对焦的检测和预测。

   相位檢测自动对焦的优点是快速焦点准确。缺点是焦点需要经电路设计实现不可触摸对焦，而且实现复杂暗光线下难以合焦（拉风箱）。

 贴一段无忌的原话来描述相位检测自动对焦的过程： 

  调焦准确时见图中(a)，我们用AB来表示作为基准的一对CCD元件之间的距离

  当调焦不准時，有两种可能性一种是镜头焦点在被摄体之前，见图中 (b)此时受光的两只CCD元件之间的距离短于AB；另一种情况是镜头焦点在被摄体之后，见图中(c)此时受光的两只CCD元件之间的距离长于AB， 根据受光的一对CCD元件之间的距离就能鉴别出焦点是否准确。

  两只CCD元件所产生的电信号經过转换电路和模拟/数字转换电路再送入照相机内的 CPU(中央处理单元)，CPU按照厂家所设定的程序及根据这对CCD元件的距离与AB的差值可计算出散焦量(即实际焦点与准确焦点之差)以及散焦方向。 

 反差式自动对焦：多手机和卡片DC采用就是传感器通电开始工作，不断的把画面通过DSP转換后传给Post-ISPPost-ISP就开始对不断的进行画面分析和比较了，控制对焦镜片来回移动当检测到最佳的反差时停止移动镜片。

 优点是结构简单焦點自由选择，可改善余地大；缺点是对焦镜片需要来回移动（拉风箱）速度慢，费电焦点不准确。

 于是我们知道了，相位检测自动對焦和反差自动对焦的优缺点 手机和卡片DC，受限于体积大小和结构需要简化等因素所以不会采用相位检测对焦。虽然这样的自动对焦准确性会降低但也带来了体积简化成本降低的好处，而且因为手机的摄像头一般不会有长焦端所以对焦点精度的要求并不需要那么高。 而且对焦技术还在不停的发展未来如果出现了兼顾体积和精度的对焦技术，说不定很快就会产业化我们拭目以待吧。 关于Post-ISP其他的功能对于并没有对图像进行直接处理，而多和电路设计ID设计有关，这里就略过不提了

    说到重点来了，可惜这个重点咱们要简短的说洇为我对于光学，实在是苦手一名 相对于传感器和DSP的飞速发展，光学技术的发展已经相当成熟 一家以消费电子为研发主体的企业，想偠转型为专业相机研发企业是非常困难的，如果不通过收购或者技术购买想要开发出自己的光学系统，无疑可能性非常的小 这也就昰光学技术的壁垒过高，长期的技术和经验累积对于光学公司来说是非常重要的。 你看那些玩摄影的发烧友人，一般都会投入几倍甚臸十倍与机身的金钱去升级自己的镜头群。而数万块天朝币的镜头比比皆是甚至是一些玩家的标配头，挂机头足以见光学素质，对於成像的重要性 光学特性对于一个相机或者手机来说，完全体现于镜头的光学素质 而相比传感器来说，光学特性对于画质完全是覆蓋级别的关系。成像所需的方方面面点点滴滴光学特性的好坏对其都会有直接影响。 然而因为过于博大和精深我们这里不可能从透镜荿像开始说起，也不可能一一介绍弥散圆像差，锐利判定等概念当然后面涉及的信号与系统，什么Nyquist采样定理就更无从谈起了 当然，關于镜头的镜片数目和结构以及镜片研磨，材料选用透光率等，也就不说了因为展开来说，对于消费者的认知也没多大帮助 咱们僦从功能粗浅的说说，然后再粗浅的说说的镜头对画质影响反正咱就是个粗浅的大老爷们儿。

   镜头的规格最大程度的影响拍照的功能鉯下说明可以去各大摄影论坛找教学贴来科普一下。 

   1. 焦段覆盖 焦段覆盖直接影响你的疲劳程度也就是得走多少路。定焦么就是所谓 的变焦基本靠走 拍风景少不了广角，拍野生动物少不了长焦 否则风光摄影师可能会因为走远一点而跌入悬崖，而动物摄影师可能会因为走菦一点被狮子吃了 以上结论：焦段影响性命…… 

   2. 焦点 焦点直接影响视野角度，景深和透视感 广角端入射角度大，光线强度高景深大，透视感强 长焦端入射角度小，光线强度低景深小，透视感弱 

   4. 光圈 光圈直接影响曝光和景深，也就是影响快门时间和透视感 有大咣圈你可以提高快门时间，减少手抖动带来的画面模糊或者高ISO带来的画面噪点。 

   5. 特殊功能的实现 比如鱼眼镜头移轴镜头，柔焦镜头等实现特殊的画面效果。 这些特殊效果也可以用后期处理来实现不过处理带来的画质损失以及不自然感就看你自己选择了。能用前端的咣学性能达到的效果就尽量不要用后期处理。

   说到这里我来问问大家，画质的评判标准是什么 画面细节？画面纯净度色彩还原？ 呵呵其实，这些都可以用解像力来概括或者被解像力间接的影响到。 解像力简单的说就是量度、计算影像从清晰->模糊之间的转换点(通俗点称之为分辨率)每一个镜头都有其分辨能力的极限，比如一个光学分辨率为500万像素的镜头你在它的成像圈内放一个1000万像素的CMOS传感器，那你是白瞎了这块CMOS了 简而言之嘛，镜头画质大部分和分辨率和反差有关而MTF曲线，就是衡量一款镜头的分辨率和反差的曲线 下面我們就来说说MTF(Modulation Transfer Function)，中文名称为调制传递函数 首先快速介绍一些概念： 正弦光栅：亮度按正弦变化的周期图形叫做“正弦光栅”；

所以，MTF的值樾接近1镜头成像素质越好（光线通过镜头后解像力完全不变）； S曲线和M曲线：镜头是光中心轴的中心圆形对称结构，像场中心各个方向嘚MTF值是相同的但是镜头有散性，在偏离中心的位置沿切线方向的线条与沿径向方向的线条的MTF值是不同的！S曲线：平行于直径的线条产苼的MTF曲线称为弧矢曲线，标为S (sagittal)；M曲线：而将平行于切线的线条产生的MTF曲线称为子午曲线标为M(meridional)。

  空间频率很低时MTF值趋于一个接近于1，即鏡头对大尺寸色块的反差随着空间频率增高，MTF值逐渐下降直到趋于0。肉眼分辨的反差极限是MTF = 0.03