Comprensión profunda de los puntos de conocimiento básicos de la cámara (1)

1. Introducción
La capa de hardware de la cámara, como la capa inferior de todo el marco, recibe los efectos reales de luz y sombra del mundo objetivo a través del módulo de hardware,las convierte en señales digitales conocidas por el ordenador, y proporciona continuamente efectos estables y de imagen de acuerdo con un cierto formato de datos.Se puede decir que una excelente base de hardware es como la base de todo el marco de la cámara. Tener una buena base hace posible construir un rascacielos. A continuación, vamos a entrar en detalles. Vamos a presentar la situación básica de cada componente en esta parte.

2. Estructura básica del hardware
Los sistemas de hardware de las cámaras de hoy en día son complicados, pero si estudias con cuidado, descubrirás que los componentes centrales no son en realidad más que la lente, el fotorreceptor y el procesador de imagen.La lente se utiliza para enfocar la luz, y el dispositivo fotosensible se utiliza para la conversión fotoeléctrica. A continuación, comenzaremos a explorar el mundo de los sistemas de cámaras con estos tres componentes.

1. Lente
Mueva el tocadiscos del tiempo hacia adelante y volvamos a nuestros respectivos días de escuela primaria. En ese momento, el profesor nos asignó una tarea.La tarea era hacer un modelo simple de imágenes de agujeros pequeñosEste modelo sencillo era el más familiar para mí, el sistema de imagen original y más simple, pero esa es una pregunta que siempre he tenido, ¿por qué la imagen es tan borrosa?Esta pregunta sólo se resolvió después de que entré en contacto con una cámara realResulta que todo es causado por la luz.

De acuerdo con el principio de imágenes de agujeros pequeños, un extremo del agujero pequeño es la fuente de luz, y el otro extremo es el plano de imagen.La luz pasa a través del pequeño agujero y es incidente en el aviónUn sinnúmero de rayos de luz se encuentran en este plano, formando una imagen de la fuente de luz. , es decir, la luz se propaga de acuerdo con el camino divergente.Un cierto haz de luz emitido desde un cierto punto de la fuente de luz llegará a un cierto punto del plano de imagen después de pasar a través del pequeño agujero, pero obviamente este punto también recibirá luz de otra fuente de luz.que a su vez afecta el efecto final de imagenPor lo tanto, para mejorar este problema, se inventó la lente. De hecho, la lente es una lente convexa con la que entramos en contacto en la vida diaria.Su propósito fundamental es resolver el problema de la interferencia mutua de la luzSu principio es utilizar el principio de refracción de la lente convexa para desviar la luz del mismo punto. El punto de convergencia es el punto de imagen del punto de la fuente de luz detrás de la lente.A medida que el punto de la fuente de luz continúa cambiando, su punto de imagen cambiará en consecuencia, por lo que a menudo pasamos la luz desde una distancia infinita a través de la lente.y la distancia desde el foco hasta el centro de la lente se llama distancia focalUna vez que se hace la lente, se determina la distancia focal.

2. Obturador de apertura
Para una lente terminada, el diámetro de la lente no se puede ajustar a voluntad, por lo que se le agrega un componente llamado apertura.Este componente generalmente utiliza un polígono regular o una rejilla circular en forma de agujeroLa lente se controla ajustando el tamaño de apertura y cierre de la rejilla.no es suficiente con confiar únicamente en la apertura para controlar la cantidad total de luz que entraSe necesita otro componente llamado obturador, que determina principalmente la duración de la exposición.Con el avance de los tiempos, el obturador ha derivado ahora múltiples métodos de implementación, incluyendo el obturador mecánico,que es una estructura de obturación que solo utiliza resortes u otras estructuras mecánicas y no depende de la electricidad para conducir y controlar la velocidad. El obturador electrónico de corte es una estructura de obturación sin estructura mecánica en absoluto.Tiene una alta velocidad de obturación y una frecuencia de captura de impacto rápida, pero la desventaja es que es propenso a resaltar la floración.

La apertura controla la cantidad instantánea de luz que entra y el obturador controla el tiempo de exposición.el objetivo de controlar la cantidad de luz que ingresa se logra, reproduciendo así con mayor exactitud los efectos de luz y sombra de la escena, y evitando la sobreexposición, lo que mejoró enormemente la calidad general de la imagen.

3Motor de enfoque
Como se mencionó anteriormente, los rayos de luz incidente convergerán en una trayectoria en forma de cono después de pasar a través de la lente hasta un punto, que se llama el punto de imagen, y luego divergerán en forma de cono.Todos los rayos de luz emitidos desde la misma distancia convergerán a sus respectivos Cuando el punto de imagen está en el punto de imagen, se forma un plano compuesto por los puntos de la imagen, y este plano se llama generalmente el plano de la imagen.La imagen está clara en el avión., y ahora La esencia del enfoque de hoy es mover la lente para que el plano de la imagen coincida con el plano del dispositivo fotosensible, formando así una imagen clara en el dispositivo fotosensible.En términos generales, el enfoque se puede lograr moviendo manualmente la lente, pero más generalmente, se logra mediante un dispositivo llamado motor de enfoque.Además de ajustar manualmente la lente para completar la operación de enfoque, el método más común ahora es mover automáticamente la lente para completar la operación de enfoque.El enfoque de hoy ha desarrollado una estrategia de enfoque automáticoEl principio básico es ajustar la lente hacia adelante y hacia atrás para hacer que el plano de imagen coincida con el plano sensible a la luz del fotorreceptor.de forma que se forme un efecto de imagen claroAdemás, para sistemas de cámaras más complejos, para obtener una mejor calidad de imagen, generalmente se utilizan combinaciones de múltiples lentes para lograr esto.se puede eliminar la aberración cromática, y en segundo lugar, la distancia entre las lentes se puede ajustar a través del motor para modificar dinámicamente toda la distancia focal del grupo de lentes puede satisfacer las necesidades de imagen de escenas más complejas.

d) Fotorreceptor (sensor)
Como se mencionó anteriormente, la función de la lente es reunir luz para formar un plano de imagen, pero ¿cómo convertir este llamado plano de imagen en información de imagen conocida por las computadoras?Esto requiere el uso del fotorreceptor aquíEl fotorreceptor no es un invento exclusivo de la sociedad moderna. De hecho, este concepto existía en Europa ya a principios del siglo XIX.Un francés llamado Niepce usó asfalto para añadir aceite de lavanda., y usando una placa de aleación de plomo como base de la película, filmó la escena fuera de la ventana vista desde el piso superior de su casa, una foto llamada "Nido de Palomas",Y el asfalto aquí mezclado con aceite de lavanda es un material fotosensible simpleEn 1888, la compañía estadounidense Kodak produjo un nuevo tipo de material fotosensible, una película suave y rebobinable, que se convirtió en una película fotovoltaica.que fue un salto cualitativo en materiales fotosensibles. , luego en 1969 en los Laboratorios Bell, el dispositivo fotosensible digital CCD fue inventado, empujando toda la tecnología fotosensible a la era digital.que facilitó la producción en masa a gran escala, surgió como los tiempos requieren, empujando el sistema de imagen a un tamaño más pequeño.ha reemplazado gradualmente el CCD con sus obvias ventajas y se ha convertido en el dispositivo fotosensible principal en los sistemas de cámaras.

4. Filtro infrarrojo
Debido a las características del material fotosensible, detectará la luz en el rango de longitud de onda de la luz visible, como parte de la luz infrarroja.Como esta parte de la luz infrarroja es invisible, no es de ninguna utilidad práctica para nosotros (por supuesto, esto no es absoluto, en algunos casos es necesario recopilar información de luz infrarroja (como las cámaras de visión nocturna),y puede interferir con el procesamiento posterior del ISP, por lo que a menudo es necesario utilizar un filtro para filtrar la luz infrarroja, evitar la interferencia de la luz infrarroja y corregir la luz entrante.Los filtros generalmente se dividen en tipo de interferencia IR/AR-CUT (revestidos con un chip de filtro de paso bajo), utilizando el principio de destructividad por interferencia) y el vidrio de tipo de absorción (utilizando el principio de absorción espectral).

5El flash.
Para algunas escenas especiales, como las necesidades de disparo en entornos de luz oscura, debido a la falta de luz en sí, no se pueden completar operaciones de fotosensibilidad suficientes.para obtener las necesidades normales de disparoPara los teléfonos móviles, se dividen principalmente en dos tipos:lámparas de xenón y lámparas LEDDado que las lámparas de flash LED tienen las ventajas de un menor consumo de energía y un tamaño más pequeño, son la opción principal para las lámparas de flash de teléfonos móviles.muchos teléfonos móviles ahora adoptan una estrategia de flash de dos coloresEl flash de dos colores puede ajustar la intensidad de las dos luces de acuerdo con las necesidades del entorno, lo que puede aproximarse más al efecto de la luz natural.Comparado con un solo destello, la intensidad se mejora, y la temperatura del color también es más alta que la de un flash doble ordinario.

6Procesador de imágenes (ISP)
Una vez que el dispositivo fotosensible completa la conversión fotoeléctrica, los datos se entregarán al procesador de imagen.¿Qué es el ruido de corriente oscura?Para el CCD/CMOS, no todos se utilizan generalmente para la fotosensibilidad.Algunos de ellos están especialmente bloqueados y se utilizan para recoger la corriente oscura cuando no hay fotosensibilidadDe esta manera se elimina el ruido causado por la corriente oscura.

Debido a las diferentes propiedades del índice de refracción de la lente, a medida que el campo de visión aumenta lentamente, el haz oblicuo que puede pasar a través de la lente disminuye gradualmente,lo que resulta en un mayor brillo en el centro de la imagen que en el borde. Este fenómeno ocurre en óptica. Se llama viñetaje en el sistema. Obviamente, esta diferencia hará que la imagen no sea natural, por lo que el ISP necesita corregir esta desviación a continuación.El algoritmo de corrección es la corrección de la sombra de la lenteEl principio específico es hacer que el brillo sea uniforme en el centro de la imagen. Tomando el área como el centro, calcular la velocidad de oscurecimiento de la imagen debido a la atenuación en cada punto,Así, se calcularán los factores de compensación de los tres canales RGB., y corregir la imagen en función de estos factores de compensación.

Posteriormente, dado que el dispositivo fotosensible utiliza tres colores primarios de rojo, verde y azul para recoger la luz, los datos generalmente mostrarán un efecto de disposición similar a un mosaico.El proceso de desmosaicing debe completarse.El principio básico es a través de un cierto algoritmo de interpolación, el componente de color que falta del píxel se adivina a partir de los componentes de color cercanos,y el efecto de color verdadero de cada píxel se restaura, formando así un dato de imagen con color verdadero, y el formato de datos en este momento es el formato de datos RAW. , es decir, los datos de imagen más originales.

Cuando el fotorreceptor realiza la conversión fotoeléctrica, cada enlace producirá una cierta desviación, y esta desviación finalmente se expresará en forma de ruido.es necesario realizar cierto procesamiento de reducción de ruido en esta información irrelevante - ruidoEn la actualidad, se utilizan principalmente algoritmos de denosificación no lineales, como los filtros bilaterales.pero también se considera el grado de similitud entre los píxeles, manteniendo así la división general de bloques de la imagen original.

Después de reducir aún más el ruido, el ISP necesita procesar el balance de blanco de la imagen.el valor del componente RGB debe ajustarse de acuerdo con una cierta relación, por lo que en el fotorreceptor, el blanco sigue apareciendo blanco. El balance de blancos puede utilizar el balance de blancos manual, que logra el propósito del balance de blancos ajustando manualmente la relación proporcional entre los tres componentes de color.se utiliza el procesamiento automático del balance de blancosAquí, el ISP es responsable de la misión de balance automático de blancos.y luego el efecto de imagen se ajusta.

Después de ajustar el balance de blancos de la imagen, es necesario ajustar aún más el error de color.durante el proceso de afinación, la imagen capturada por el módulo de cámara se comparará con la imagen estándar.ISP utiliza esta matriz para realizar corrección de color de imagen en la imagen capturada, logrando así el propósito de restaurar el verdadero color en la escena del rodaje.

Lo anterior es una breve lista de varias funciones básicas del procesador de imagen. Aunque los ISP producidos por cada fabricante son diferentes, básicamente incluyen los pasos anteriores.Se puede ver que el procesador de imagen se utiliza para mejorar el conjunto El efecto de imagen del sistema de cámara.