Comprensión profunda de los puntos de conocimiento básicos de la cámara (2)

3Introducción a las cámaras de los teléfonos móviles

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Para el sistema de cámaras en los teléfonos móviles, debido a las limitaciones de tamaño y consumo de energía, no puede ser como una cámara profesional.puede sustituirse fácilmente por una lente más grande y se puede añadir un dispositivo fotosensible CCD/CMOS más grandeSe ha incorporado un módulo de procesamiento de imágenes más potente, por lo que el espacio que queda para los teléfonos móviles no es muy grande.Los principales fabricantes de teléfonos móviles todavía usan espacio limitado y duración de la batería para hacer que el sistema de cámara sea comparable a las cámaras profesionales en algunos campos.A continuación, vamos a presentar brevemente este sistema de cámaras que es pequeño en tamaño pero tiene una gran potencia.

Como se muestra en la figura, el sistema de cámara de un teléfono móvil se puede dividir en dos partes, una es el módulo de cámara y la otra es el procesador de imagen ISP.El módulo de la cámara se utiliza para la conversión fotoeléctrica, y el procesador de imagen es como se introdujo antes Se utiliza para el procesamiento de imágenes.

1Modulo de la cámara
Debido a las restricciones de tamaño, los módulos de cámara de teléfonos móviles a menudo se fabrican muy delicados y compactos, que incluyen principalmente lentes, motores de enfoque, filtros y sensores.

Las lentes de los teléfonos móviles generalmente utilizan una combinación de múltiples lentes para eliminar la aberración cromática.La mayoría de sus materiales son una combinación de vidrio y plásticoLas lentes de plástico tienen costes más bajos y son adecuadas para aplicaciones de gama baja.pero el costo es ligeramente más alto que el de las lentes de plástico, por lo que se utiliza a menudo en algunos teléfonos móviles que persiguen la calidad de imagen.

El campo de visión FOV, este parámetro indica el rango de escenas que pueden ser captadas a través de la lente.Pero puede causar una grave distorsiónLos algoritmos de corrección de distorsión posterior a la etapa se utilizan generalmente para corregir la escena. Corregir la distorsión causada por un FOV grande.

La longitud focal F estipula que el punto donde convergen todos los rayos de luz paralelos al eje principal de la lente se llama foco,y la distancia del foco al centro de la lente es la distancia focal aquíEn general, cuanto mayor sea la distancia focal, menor será el FOV de la lente.

El valor de apertura f se especifica por la relación entre la distancia focal de la lente y el diámetro de la apertura real.Las lentes de los teléfonos móviles generalmente utilizan una apertura fija de f/2.0.

El siguiente es el motor de enfoque, que se utiliza principalmente en teléfonos móviles.La placa base transmite instrucciones a través del bus I2C para conducir el motorPara mover y ajustar la lente para lograr enfoque o zoom, aquí presentamos brevemente el motor de bobina de voz.

El motor de bobina de voz se llama motor de bobina de voz en electrónica.Está dentro de un campo magnético permanente y cambia la corriente de corriente continua de la bobina en el motorControlan la posición de elevación de la hoja de resorte, y luego impulsan la lente para moverse hacia arriba y hacia abajo para lograr el enfoque o el zoom.se ha convertido en un componente de enfoque principal para los teléfonos móviles.

En los teléfonos móviles, el uso de motores de bobina de voz generalmente se divide en dos modos, uno es el zoom y el otro es el enfoque.

Zoom: El motor ajusta el movimiento de una determinada lente en el grupo de lentes, cambiando así la distancia focal de toda la lente, causando cambios en el campo de visión,logrando así el propósito de acercarse y alejarse de la escenaEste método es lo que a menudo llamamos zoom óptico. La ventaja de este método de zoom es que los detalles de la imagen no se perderán durante el proceso de zoom. Sin embargo, la desventaja también es obvia.Debido a la limitación del volumenPor lo tanto, los fabricantes de teléfonos móviles generalmente utilizan una combinación de zoom óptico y digital. método para lograr fines de zoom de alto alcance.

Enfoque: El motor de la bobina de voz mueve directamente toda la lente hacia adelante y hacia atrás para hacer que el plano de imagen del objeto coincida con el plano fotosensible del fotorreceptor,obteniendo así una imagen claraEste método es el proceso de enfoque. El propósito es obtener una imagen clara.

Después de que la luz pasa a través de la lente, primero entrará en el siguiente componente, el filtro, que procesará la luz y tiene dos propósitos principales:

Filtración de los rayos infrarrojos: Dado que el fotorreceptor detectará parte de los rayos infrarrojos invisibles, lo que interferirá con el procesamiento posterior de la imagen,se requiere un filtro para filtrar esta parte de los rayos infrarrojos y sólo permitir que la luz visible pase a través.

Corrección de la luz: Después de que la luz pasa a través de la lente, no es paralela y vertical al fotorreceptor.Obviamente si no es interceptado, causará cierta interferencia en el fotorreceptor,Las propiedades polarizantes físicas del cuarzo retienen la luz directa y reflejan partes oblicuas para evitar afectar los puntos fotosensibles cercanos, mejorando aún más el efecto de imagen.

Después de filtrar y corregir por el filtro, la luz incidente tiene una cierta estabilidad.Es necesario realizar la conversión fotoeléctrica a través del fotorreceptor central del sistema de cámara..

Los fotorreceptores en los teléfonos móviles incluyen principalmente CCD y CMOS. Sin embargo, debido a su alto costo y gran tamaño, CCD no se utiliza mucho en los teléfonos móviles.CMOS se ha convertido en el fotorreceptor principal en este campoCMOS en los teléfonos móviles todavía utiliza una estructura de tres capas. , microlentes/filtro/capa fotosensible, la definición específica es la siguiente:

La capa de microlentes se utiliza principalmente para ampliar el área de recepción de luz de un solo píxel.

El modo Bayer utilizado por el filtro es similar al modo RGB. Utiliza componentes de color RGB para medir el valor de gris de los tres canales de cada píxel.basado en la regla básica de que el ojo humano es más sensible al verdeEl modo enfatiza aún más el componente verde, definiendo así los componentes verdes como Gr y Gb respectivamente para expresar mejor el color y el brillo de la imagen.

La capa fotosensible se utiliza para convertir los fotones en señales electrónicas,y luego convertirlos en señales digitales a través del circuito de amplificación y el circuito de conversión analógica a eléctrica.

El núcleo de la capa fotosensible es un diodo fotosensible, y cada diodo contiene un amplificador y un circuito de conversión digital a analógica.Aunque acelera la lectura hasta cierto punto, no puede garantizar que el efecto de amplificación de cada amplificador sea consistente, por lo que este diseño traerá posible ruido.ya que CMOS agrega circuitos de hardware adicionales al lado de cada diodo, esto reducirá inevitablemente el área fotosensible, por lo que este diseño afectará el efecto fotosensible general.Los fabricantes de CMOS han introducido un diseño de retroiluminaciónEste diseño coloca píxeles fotosensibles y transistores de electrodos metálicos en ambos lados de la hoja fotosensible, lo que aumenta el ciclo de trabajo de los píxeles, aumenta la eficiencia de detección de luz,aumenta el número de píxelesEl efecto de imagen se mejora en gran medida.

2Procesador de imagen
El proceso de implementación del procesador de imagen en el teléfono móvil es básicamente similar al del sistema de cámaras de teléfonos no móviles.incluye principalmente módulos de hardware como IFE/BPS/IPE/JPEGEn el siguiente artículo, los presentaremos brevemente uno por uno:

IFE (Image Front End): La salida de datos del sensor llegará primero al IFE. Este módulo de hardware hará alguna corrección de color, downsampling,y demosaicing estadísticas para la vista previa y el procesamiento de datos de vídeo 3A.

BPS (segmento de procesamiento de Bayer): Este módulo de hardware se utiliza principalmente para la eliminación de píxeles muertos, enfoque de fase, demosaicing, downsampling,Procesamiento HDR y procesamiento híbrido de Bayer para reducir el ruido de los datos de imágenes fotografiadas.

IPE (Image Processing Engine): Este hardware está compuesto principalmente por NPS y PPS, y es responsable de tareas de procesamiento de imágenes como la reducción de ruido del hardware (MFNR, MFSR), el recorte de imágenes,reducción del ruido, procesamiento de color y mejora de detalles.

JPEG: El almacenamiento de datos fotográficos se realiza por este módulo de hardware para la codificación jpeg.

En comparación con las cámaras profesionales, el público de las cámaras de teléfonos móviles no sabe mucho sobre fotografía profesional.Pero este grupo tiene una característica que es obviamente diferente de la audiencia para cámaras profesionalesNo hace falta decir que las cámaras de teléfonos móviles en su conjunto son famosas por su compacidad.pero en términos de jugabilidad, los principales fabricantes de teléfonos móviles también se han esforzado mucho y han adoptado muchas estrategias para expandir la capacidad de reproducción de las cámaras, entre las que el multi-shot es un ejemplo clásico de comparación.

Las primeras cámaras de teléfonos móviles tenían generalmente una sola cámara trasera y eran populares en todo el mundo.En la actualidad, el consumo de alcohol en los jóvenes es cada vez mayor., la demanda de selfies se hizo más fuerte, y también hubo avances tecnológicos en este campo. Por lo tanto, los fabricantes de teléfonos móviles aprovecharon la tendencia y lanzaron un modo de doble cámara, agregando un módulo de cámara adicional a la parte delantera del teléfono principalmente para selfies.También añadieron innovadoramente un algoritmo de belleza al ISPInmediatamente después, los fabricantes de teléfonos móviles integraron múltiples módulos en los teléfonos móviles para satisfacer las necesidades de fotografía de múltiples escenas.El siguiente., presentaremos brevemente el sistema de cámaras múltiples.

Las cámaras de los teléfonos móviles de hoy en día a menudo utilizan múltiples módulos de cámara.y sistemas de doble cámara desarrollados para satisfacer necesidades específicasDebido al rápido desarrollo de la tecnología de cámaras duales, se han producido muchas soluciones maduras.

Como su nombre indica, la tecnología de doble cámara utiliza dos módulos de cámara para obtener imágenes por separado,y los procesa a través de algoritmos específicos para fusionarlos en una imagen para satisfacer los requisitos específicos de imágenesEn términos generales, la solución actual de doble cámara se utiliza principalmente para lograr el desenfoque de fondo, mejorar la calidad de imagen en condiciones de luz oscura / escena nocturna y zoom óptico.La siguiente es una breve introducción:

a) Desdibujar el fondo (RGB + RGB)
Para lograr este propósito, se utilizan principalmente dos módulos de cámara RGB para obtener imágenes de la escena al mismo tiempo.Basándose en esta serie de datos, el primer plano y el fondo se separan, y luego a través del algoritmo de desenfoque se enfoca en el procesamiento de desenfoque de fondo y, finalmente, crea un efecto de imagen de fondo borroso.Cabe señalar que debido a la limitación del principio de triangulación, los dos módulos de cámara deben calibrarse de modo que los planos de imagen de los dos estén en el mismo plano y los píxeles estén alineados.

b) Mejora de la luz oscura (RGB + MONO)

En un entorno más oscuro, el efecto de disparo es a menudo insatisfactorio, por lo que los fabricantes de teléfonos móviles utilizan un RGB y un módulo de cámara en blanco y negro (MONO) para mejorar el efecto de imagen de luz oscura.El principio específico es que debido a que el módulo de cámara en blanco y negro no hay filtro Bayer, por lo que en condiciones de luz oscura, se puede obtener más luz, preservando así más detalles de la imagen.En cuanto a la calidad de imagen bajo luz oscura, ya que la imagen de los dos módulos de cámara también debe fusionarse, todavía se requiere una operación de calibración para que los dos módulos de cámara puedan mantener la alineación de píxeles.

c) Zoom óptico (amplio ángulo + teleobjetivo)

El zoom óptico, tal como se introdujo anteriormente, puede lograr el propósito de zoom ajustando la distancia focal de una sola lente en el motor de enfoque.a menudo es imposible obtener un rango de zoom más amplio con un solo módulo de cámaraPor lo tanto, los fabricantes de teléfonos móviles han propuesto el uso de dos módulos de cámara con diferentes distancias focales (wide-angle y tele) para lograr conjuntamente el propósito del zoom óptico.El principio es utilizar el módulo gran angular para presentar una amplia gama de escenasPara las escenas distantes, el cambio de módulo y los excelentes algoritmos de fusión logran operaciones de zoom relativamente suaves al tomar fotografías.

Desde la introducción anterior, podemos ver que un sistema de cámara está compuesto por una lente, un obturador de apertura, un fotorreceptor y un procesador de imagen.motores de enfoqueEn el proceso de desarrollo, se añaden gradualmente componentes que, al mismo tiempo, para integrar el sistema de cámara en el teléfono móvil, son inevitables ciertos cortes de hardware.Por ejemplo:, la apertura se abandona a menudo en la forma ajustable y adopta una apertura fija.Los fotorreceptores convencionales en los teléfonos móviles se utilizan principalmente CMOSEl motor de enfoque también se reduce debido a las limitaciones de volumen.a través del desarrollo continuo de chips de procesamiento de imágenes y la optimización continua de algoritmos en los últimos años, los sistemas de cámaras de teléfonos móviles están reduciendo gradualmente la brecha con las cámaras profesionales.Los efectos de imágenes de las cámaras de los teléfonos móviles serán completamente comparables a las cámaras profesionales.