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手机摄像头的结构和原理大揭秘

关键词:智能手机 手机摄像头 传感器 时间:2019-01-16 14:54:50       来源:网络

智能手机的功能越来越完善,如果一定要说还有需要进步的地方,除了电池续航以外,用户最期待进步的就是拍照了。虽然智能手机拍照效果近几年也取得了巨大的进步,但是与用户对拍照效果无上限的追求相比,还存在进步的空间,这点从手机厂商在拍照方面的努力也能看出来:最开始是像素升级,后来由单摄升级到两三年前的双摄。

据外媒报道,LG下一款手机V40将配备5个摄像头,前置2个后置3个。不只是LG,早在今年4月,华为就发布了P20系列,从主流双摄提升到了三摄。手机的摄像头是越来越多了,拍摄效果真的会越来越好吗?今天小编就带大家走进摄像头,讨论一下这个问题。

手机摄像头的结构和原理

手机摄像头组成结构

手机摄像头主要由以下几个部分组成:PCB板、DSP(CCD用)、传感器(SENSOR)、固定器(HOLDER)、镜头(LENS ASS′Y)。其中镜头(LENS ASS′Y), DSP(C,CD用),传感器(SENSOR)是最重要的三个部分。

手机摄像头的成像原理

物方光线进入系统,经过镜头,到达图像传感器,光子打到传感器上产生可移动电荷,这是内光电效应,可移动电荷汇集形成电信号,由于处理器无法识别电荷信号,需要把电信号转化为数字信号,对于图像传感器是cmos的系统不需要外加模数转换器,而对于以ccd作为图像传感器的系统需要A/D转换器,经过模数转换器件,电荷信号转换成数字信号,数字信号经过放大电路进入微处理器,数字信号经过DSP数字信号处理芯片经过存储处理后,传输到屏幕形成和物一样的图像。

影响手机摄像头性能的一些关键因素

像素

通常所说的“XXX万像素”实际是指相机的分辨率,其数值大小主要由相机传感器中的像素点(即最小感光单位)数量决定,例如500万像素就意味着传感器中有500万个像素点,和手机屏幕中的像素数量决定屏幕是720p或1080p分辨率是一个道理。

像素决定照片质量?

通常会以为相机像素越高,拍的照片就越清晰,实际上。相机的像素唯一能决定的是其所拍图片的分辨率,而图片的分辨率越高,只代表了图片的尺寸越大,并不能说明图片越清晰。

高像素的优势在哪里呢?

更高像素的相机所拍图片的尺寸更大,假如我们想把样张打印出来,以常规的300像素/英寸的打印标准来计算,1300万像素相机所拍的4208×3120像素样张,可打印17英寸照片,而800万像素相机的3200×2400像素样张,打印超过13英寸的照片就开始模糊了。很显然1300万像素相机样张可打印的尺寸更大。

传感器

既然像素不是决定图片质量的关键因素,那么谁才是呢?答案是传感器。

相机传感器主要分两种:CCD和CMOS。CCD传感器虽然成像质量好,但是成本较高,并不适用于手机,而CMOS传感器凭借着较低的功耗和价格以及优异的影像品质,在手机领域应用最为广泛。

CMOS传感器又分为背照式和堆栈式两种,二者系出同门,技术最早都由索尼研发,索尼背照式传感器品牌名为“Exmor R”,堆栈式传感器为“Exmor RS”。

相对来说,传感器尺寸越大,感光性能越好,捕捉的光子(图形信号)越多,信噪比越低,成像效果自然也越出色,然而更大的传感器却会导致手机的体积、重量、成本增加。

背照式传感器的出现,有效的解决了这个问题,在相同尺寸下,它使传感器感光能力提升了100%,有效地改善了在弱光环境下的成像质量。

镜头

镜头是将拍摄景物在传感器上成像的器件,相当于相机的“眼睛”,通常由由几片透镜组成,光线信号通过时,镜片们会层层过滤杂光(红外线等),所以,镜头片数越多,成像就越真实。

光圈

光圈由镜头中几片极薄的金属片组成,可以通过改变光圈孔的大小控制进入镜头到达传感器的光线量。光圈的值通常用f/2.2、f/2.4来表示,数字越小,光圈就越大,两者成反比例关系。

它的工作原理是,光圈开得越大,通过镜头到达传感器的光线就越多,成像画面就越明亮,反之画面就越暗。因此,在夜拍或暗光环境下,大光圈的成像优势就更明显。

除了控制通光量,光圈还具有控制景深的功能。生活中,我们时常会看到背景虚化效果很强的照片,不仅突出了拍摄焦点,还具有很唯美的艺术感,而这就是所谓的景深。光圈开的越大,景深越小,背景虚化效果就更明显。

手机厂商的噱头知多少?

关于后置摄像头

通过上面的介绍,我们已经知道,拍照好坏,不仅仅取决于像素多少,还取决于传感器感光面积等(为了便于解释,这里用单像素尺寸面积代替)各项硬件参数和软件优化(比如软件算法支持)等多个方面。这几年苹果华为三星的旗舰手机主摄像头都是1200万像素,大街上的某些大厂用到了2000万像素,拍照水平反而不占优势的原因就在这里。

这涉及三个主要的因素:像素数量、单像素面积、软件算法。

说得通俗一点,像素数量 X 单像素面积 = 实际感光面积。感光面积越大,拍照越清晰。

打个比方这样(数字仅做参考,不代表任何厂商参数):

一个1200万像素的摄像头,单像素尺寸是1.25μm,那么其感光面积=1.25*1.25*1200万=1875万平方微米

一个2000万像素的摄像头,单像素尺寸是0.9μm,那么其感光面积=0.9*0.9*2000万=1620万平方微米

也就是说,前者1200万像素的手机比后者2000万像素手机的感光面积还要大,这样一来,苹果华为三星的1200万像素拍照水平,不比某些厂商的2000万像素差,就不难解释了。

再说自拍

自拍是区别于正常拍照的。这个主要取决于各个厂商的算法差异,有的倾向于美白,有的倾向于真实,有的倾向于唯美......反正是各不相同。这类算法,技术难度比普通拍照简单得多,比较容易实现。

自拍800万像素足够,如果是大像素,400万像素也能达到非常好的效果。

至于那些2000万像素自拍,就是瞎胡闹,通过“美颜、磨皮”之后,就算是100000000万像素也还是一样的效果,纯粹就是噱头。

再就是软件算法。这是厂家的核心技术,一般不会对外的,比如现在的双摄算法,其实就掌握在少数三两家厂商手中。某些厂家跟风盲目上双摄,却没有核心技术,又不舍得花钱去买,出现R11那种“假双摄”的也就不足为怪了。

手机多摄像头靠谱儿吗?

目前手机后置双摄已经普及,主要有两种方案:一种是广角镜头+长焦镜头方案,这种方案的侧重点在于光学变焦,通过在两颗不同焦距的镜头之间切换,来实现(通常是)2倍光学变焦;另一种方案是彩色镜头+黑白镜头,通过彩色镜头记录整体画面,黑白镜头记录画面细节及增加曝光量,这种方案的侧重点是提升画面细节及暗光环境成像效果。通过双摄,这两种方案都能能带来“人像模式(背景虚化效果)”。

不可否认的是,多摄像头确实给我们带来了很多手机单摄像头无法实现的功能:大光圈的浅景深虚化效果、更加多样化的拍摄环境适应。

理论上说,想要手机拍摄擅长哪个方面,就在手机上加一颗专门用于这个方面拍摄的摄像头,专职化利用,这样就能满足用户对手机拍摄更加专业化的需求。所以,在手机上看到更多镜头的可能性也不是完全没有。

多后置摄像头的趋势还是值得一观的,不仅仅是这些系统能提供更精细的图像和更广泛的摄影范围,同时智能手机摄像头软件可以根据你拍摄的环境快速且智能地优化照片设置,无论是低光、广角、远处的场景,还是近距离拍摄一个人。这样的手机可以根据需要同时使用两个摄像头,而不需要用户去切换不同的模式或者调整复杂的相机设置菜单。这并不是说,这些手机不提供这样的设置:iPhone的肖像模式能够被启用来自拍和拍摄肖像,突出拍摄对象的脸,而不是她的背景环境。P20 Pro也有一个夜间模式,给你提供长达6秒钟的曝光时间来拍照,从而免去三脚架的需要。

当然,也需要注意的是,不论多摄像头拍照效果如何,这种比拼硬件的做法本身就不太适合手机行业,越来越多的镜头,越来越高的价格,最终买单的还是消费者。而且现在的智能手机本身性能过剩,继续进行这些没有意义的比拼显得有些鸡肋。

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