MTK 驱动开发（20）---camera 基础知识1

一、快门与曝光1. 快门快门是镜头前阻挡光线进来的装置，一般而言快门的时间范围越大越好。      秒数低适合拍运动中的物体，某款相机就强调快门最快能到1/16000秒，可轻松抓住急速移动的目标。不过当你要拍的是夜晚的车水马龙，快门时间就要拉长，常见照片中丝绢般的水流效果也要用慢速快门才能拍出来。至于单眼相机常见的快门功能，虽然可由你自由决定曝光时间的长短，拍摄弹性更高，不过目前大多数的消费性数码相机都还不能支持，最多提供如2秒、8秒、16秒等较慢速度的默认值。      快门时滞时间相机在不使用对焦锁定功能同时保证在自动对焦工作状态下，从按下快门释放按钮到开始曝光的这段时间称为快门时滞时间。      快门先决曝光模式由我们先自行决定快门速度后，相机测光系统依当时光线的情形，自动选择适当的光圈f值(可为无段式的f值)以配合。设有曝光模式转盘的数码相机，通常都会在转盘上刻上’s’字母来代表快门先决模式。快门先决模式适合于需要控制快门的摄影。利用高速快门可凝结动作，利用慢速快门可令行驶中的车辆变成光束。      快门延迟相机按下快门，经过一定的快门时滞时间，这时相机从取景模式进入曝光阶段，该阶段需要完成测光、计算曝光量、选择合适曝光组合…进行数据计算和存储处理，所需要的时间称为快门延迟。       快门速度快门速度通过秒或几分之一秒来表示时间的长短。不同的相机生产厂家的机身会有不同的快门速度起始范围，这个范围也是很重要的。所有的单镜头反光照相机至少都有以下的快门速度(也许会更多)：1、1/2、1/4、1/8、1/15、1/30、1/60、1/125、1/250、1/500、和1/1000秒。看了上面一系列的快门速度会发现，每一个快门速度都是前一个速度的一半，而是后一个的两倍。例如，1/125秒是1/60秒的一半，而是1/250秒的两倍。它们都相差一“挡”，每一挡都相差一半或一倍的时间。快门速度越快，运动物体就会在底片呈现更清晰的影象，反之，快门速度越慢，运动的物体就越模糊。快门不单要看“快”还要看“慢”，就是快门的延迟，比如有的数码相机最长具有16秒的快门，用来拍夜景足够了，然而快门太长也会增加数码照片的“噪点”，就是照片中会出现杂条纹。 2. 曝光曝光的定义，如果予以科学的解释的话，即是：光线的强度乘以光线所作用的时间。定义中的“光线的强度”，是指胶卷或数码相机里的感光元件受光线照射的强度，即照度（以I代表照度，单位是勒克司）。定义中的“光线所作用的时间”， 是指感光片受爱线照射的时间，即曝光时间（以T代表曝光时间，单位是秒）。 曝光量的计算单位是勒克司/秒。以E代表曝光量，即可得到曝光公式如下：           E（曝光量）＝I（照度）×T（曝光时间）　　依据这一公式，若要取得一定量的曝光量，则光强度愈大，曝光时间愈短；反之则光强度愈小，曝光时间愈长。如果光的强度增加一倍，曝光时间就需减少一半，假如光强度为2，时间为4，曝光量则为8；如果光强度为4，时间为2， 曝光量仍为8。      通过上面的说明，我们清楚地了解这样一个浅显的道理：开得较大的光圈要比收缩得较小的光圈能让较多的光线通过镜头到达胶片上，较低的快门速度要比较高的快门速度能让光线较长时间地停留在感光元件上。由此可以演变为以下情况：光圈f/1.8与快门速度1/500秒相组合，和光圈f/4与快门速度1/100秒相组合， 所获得的曝光效果是一样的。同样，它们又和光圈f/8与中等快门速度1/25 秒相组合所获得的曝光效果是一致的。这就叫作"等量曝光"。 曝光时间Exposure time为了将光投射到照相感光材料的感光面上，快门所要打开的时间。视照相感光材料的感光度和对感光面上的照度而定。相机曝光时间是指从快门打开到关闭的时间间隔，在这一段时间内，物体可以在底片上留下影像。曝光时间是看需要而定的，没有长短好坏的说法只有需要的讲法。比如你拍星星的轨迹，就需要很长的曝光时间（可能是几个小时），这样星星的长时间运动轨迹就会在底片上成像。如果你要拍飞驰的汽车清晰的身影就要用很短的时间（通常是几千分之一秒）。曝光时间长的话进的光就多，适合光线条件比较差的情况。曝光时间短则适合光线比较好的情况。曝光时间主要是指底片的感光时间，曝光时间越长底片上生成的相片越亮，相反越暗。在外界光线比较暗的情况下一般要求延长曝光时间（比如说夜景）。快门速度越快越可以抓取运动的物体，使其清晰成像。当快门速度高于60分之一秒的时候就最好要使用三角架了 ，不然的话成像很难清晰。 -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 二、焦距与光圈当一束平行光以与凸透镜的主轴穿过凸透镜时，在凸透镜的另一侧会被凸透镜汇聚成一点，这一点叫做焦点，焦点到凸透镜光心的距离就叫这个凸透镜的焦距。一个凸透镜的两侧各有一个焦点。焦距通常使用毫米（mm）来标示。        光心（Optical center）：透镜中的一个特殊点，凡是通过该点的光，其传播方向不变。       对厚透镜（厚度不能忽略的透镜），或是有好几片透镜或面镜的系统（像是照相机镜头或望远镜），焦距通常会以有效焦距（EFL，effective focal length）来表示。             前焦距（FFD）或前焦长（FFL）是系统前方的焦点至第一个光学表面顶点的距离。       后焦距（BFD）或后焦长（BFL）是系统最后一个光学表面顶点至后方焦点的距离。       在空气中的一个光学系统，有效焦距是由前面和后面的主平面至对应的焦点的距离。如果周围的环境不是空气，则距离要乘上该物质的折射系数（Refractive index）             焦距与视角、光圈都存在关系，所以下面介绍下视角和光圈的概念：       1.       视角                  镜头中心点到成像平面对角线两端所形成的夹角就是镜头视角，如图：                  (通常对于胶卷或者类长方形的CCD或者CMOS感光元件，对角线最长)                   

                 对于CCD或者CMOS的感光元件的尺寸随着sensor IC不同而不同(如有1/1.8inch、1/2.5inch、1/4inch、1/5inch等) ，所以同样焦距的镜头在不同         尺寸感光元件的数码相机上，成像的视角也不同。                 对于相同的成像面积，镜头焦距越短，其视角就越大；反之越小。                对于相同的焦距，成像面越小，其视角也越小；反之越大。                (可以对上图进行一下想象：成像面一定，就是让像平面做水平移动；而焦距一定，就可以将像平面在垂直方向伸缩。用这样的方法来观察，视角的变化。)          2.       光圈                   光圈英文名称为Aperture，是镜头的一个极其重要的指标参数，通常在镜头内，表达光圈大小我们是用F值。它的大小决定着通过镜头进入感光元件的光线的多少。                   对于已经制造好的镜头，我们不可能随意改变镜头的直径，但是我们可以通过在镜头内部加入多边形或者圆型，并且面积可变的孔状光栅来达到控制镜头通光量，         这个装置就叫做光圈。                  光圈F值=镜头的焦距/镜头光圈的直径                  从以上的公式可知要达到相同的光圈f值，长焦距镜头的口径要比短焦距镜头 的口径大。完整的光圈系列：                  f1.0，f1.4，f2.0，f2.8，f4.0，f5.6，f8.0，11，f16，f22，f32，f44，f64                  

                   这值得一提的是光圈 f 值越小，通光孔径越大（如上图所示），在同一单位时间内的进光量便越多，而且上一级的进光量刚好是下一级的两倍，例如光圈从          F8调整到5.6 ，进光量便多一倍，我们也说光圈开大了一级。F5.6的通光量是F8的两倍。同理，F2是F8光通量的16倍，从F8调整到F2，光圈开大了四级。                        光圈种类：                  固定光圈                 简单的相机只有一个圆孔的固定光圈——沃特侯瑟光圈。 最初的可变光圈只是一系列大小不同的圆孔排列在一个有中心轴的圆盘的周围；转动圆盘可将适当         大小的圆孔移到光轴上，达到控制孔径的效果。十九世记中叶约翰·沃特侯瑟发明这种光圈。                              猫眼式光圈                 光圈由一片中心有椭圆形或菱形孔的金属薄片平分为二组成，将两片有半椭圆形或半菱形孔的金属薄片对排，相对移动便可形成猫眼式光圈。猫眼式光圈         多用于简单照相机。                               瞬时光圈                 反相机的光圈是瞬时光圈，只在快门开启的瞬间，光圈缩小到预定大小。平时光圈在最大位置。                              兼快门光圈                 简便照相机的光圈兼有快门的功能，这类兼快门光圈大多是双叶片的猫眼式光圈，与单纯猫眼式光圈不同的是：兼快门光圈平时是完全关闭的：         在按下快门的瞬间，双叶片光圈开启到预定的孔径后，保持这孔径到一段预定快门开启时间之后，立刻闭合：如此一来，光圈便又兼快门的功能。------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

三、变焦与对焦

变焦       通常指通过移动镜头内的透镜镜片位置来拉长或缩短焦距，也叫ZOOM。       变焦目前可以分为光学变焦和数字变焦两种类型：       光学变焦：               光学变焦是通过移动镜头内部镜片的相对位置来改变焦点的位置，改变镜头焦距的长短，并改变镜头的视角大小，从而实现影像的放大与缩小。如果被拍摄的       物体位置保持不变，镜头的焦距与物体的放大倍率会呈现正比例的关系，如果要用一个词来形容光学变焦的话，那就是“望远镜”。(成像面水平方向移动)       

       数字变焦：               数字变焦是通过可拍照手机处理器，把图片内的每个像素面积增大，从而达到放大的目的，就像我们在ACDSEE等图像处理软件中，强行拉大图像的像素一样，       只不过这个过程在手机中进行，把原来SENSOR上的一部分像素使用插值手段进行放大。与光学变焦不同的是，数码变焦是在SENSOR垂直方向上的变化，而给人以       变焦效果的。由于整个过程焦距没有任何变化，所以图像质量是会随着放大比例的增加，逐渐下降。(成像面垂直方向缩放)               数字变焦也可以分为插值算法变焦和伪数字变焦两种：               插值算法变焦：对图像进行插值运算，将图像的尺寸扩大到所需的规格，这种算法就其效果而言，并不理想，尤其是当使用在手机上的时候，手机上的摄像头       本身得到的数据就有较大的噪声，再插值的话，得到的图像几乎没法使用。               伪数字变焦：当摄像头不处在最大分辨率格式的情况下，比如130 万像素的 sensor 使用 640*480 的规格拍照时，仍旧设置 sersor 工作在 1280*960 的分辨率       下，而后通过采集中央部分的图像来获取 640*480 的照片，使得在手机上看来所拍物体尺寸被放大了一倍。这种办法几乎不需要额外的算法支持，对图像质量也没有影       响，缺点是只有小尺寸情况下可以采用。        光学变焦不会牺牲清晰度       数字变焦显著牺牲清晰度       

 对焦(调焦)       1. 对焦概念               用凸透镜做照像机的镜头时，它成的最清晰的像一般不会正好落在焦点上，或者说，最清晰的像到光心的距离(像距)一般不等于焦距，而是略大于焦距。       具体的距离与被照的物体与镜头的距离（物距）有关，物距越大，像距越小，(但实际上总是大于焦距)。                由于我们照像时，被照的物体与相机(镜头)的距离不总是相同的，比如给人照像，有时，想照全身的，离得就远，照半身的，离得就近。也就是说，像距不总是       固定的，这样，要想照得到清晰的像，就必须随着物距的不同而改变感光面到镜头光心的距离，这个改变的过程就是我们平常说的“调焦”。所以，我们所说的“调焦”      调整的并不是真正意义上的焦距，而是只不过在摄影中，把投射到底片或感光元件上的图象调整到最清晰这一过程达成共识的称谓罢了。               对焦实际上是调整整个镜头的位置(而不是镜头内的镜片)的位置，来控制像距，从而使成像最清晰。             2. 对焦分类               对焦可以分为手动对焦，自动对焦，多点对焦：               手动对焦，它是通过手工转动对焦环来调节相机镜头从而使拍摄出来的照片清晰的一种对焦方式。               自动对焦，由照相机根据被摄体距离的远近，自动地调节镜头的对焦距离。               多点对焦，也叫区域对焦，当对焦中心不设置在图片中心的时候，可以使用多点对焦。常见的多点对焦为5点，7点和9点对焦。       3. 自动对焦原理                

               更多可参考系列文章：              AF系统：自动调焦(AF)原理              http://www2.xitek.com/info/showarticle.php?id=1039              AF系统：主动型自动调焦系统              http://www2.xitek.com/info/showarticle.php?id=1041              AF系统：相位检测被动型自动调焦系统              http://www2.xitek.com/info/showarticle.php?id=1043             AF系统：透镜分离相位检测原理             http://www2.xitek.com/info/showarticle.php?id=1048             AF系统：TCL相位检测原理             http://www2.xitek.com/info/showarticle.php?id=1045             AF系统：一些与自动对焦有关的新概念             http://www2.xitek.com/info/showarticle.php?id=1055             AF系统：自动调焦系统框图             http://www2.xitek.com/info/showarticle.php?id=1051             不过大部分手机用camera都没有AF功能，最近接触的OV5640 camera sensor具有AF功能，另外模组厂提供的CCM在结构体上和普通的CCM也有一些差别。            自动对焦通常是在微量调整镜头，所以需要有相应的驱动机构。通常来说，Voice Coil Motor（音圈马达VCM），Stepping Motor（步进马达），Piezoelectric Motor（压电马达）这3种。此外还有通过改变镜头光学特性的Liquid Lens（液体镜头）而达到真正的变焦的方法。             

            

           自动对焦模组的基本结构：           

             

           

     4. VCM音圈马达          所谓音圈直线电机(Voice Coil Motor)因其结构类似于喇叭的音圈而得名。具有高频响、高精度的特点。          





          日韩音圈马达的基本结构：          



          音圈马达的原理：安培力定律（弗莱明左手法则）          

         空间有磁场B,在横切磁场的电线通电流I,电线产生向上方向的力F。          音圈马达评价指标：                 手机AF音圈马达（圈内叫法：透镜驱动装置）。评价一个音圈马达，主要是看一个电流和行程距离的比值。一般现在都是15mA作为启动电流，         之后如果每上升10mA所能驱动的行程距离是相等的那算是一个比较合格的产品，如果精度能达到每上升5mA也能行程相等，那就是很优秀厂家的产品，         依次类推...而不是像现在的某些厂家鼓吹的最大行程，最大耗电量，最大功率，尺寸大小。当然这些也都是不可烧的衡量指标。                 

            音圈马达的基本动作：            

          某种AF镜头的结构以及镜头驱动原理：           

          

          OV5640 sensor IC集成了VCM控制器，电路模块如图：          

         

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------四、景深 景深就是当与光轴平行的光线射入凸透镜时，理想的镜头应该是所有的光线聚集在一点后，再以锥状扩散开来，这个聚集所有光线的一点，就叫做焦点。在焦点前后，光线开始聚集和扩散，点的影象变成模糊的，形成一个扩大的圆，这个圆就叫做弥散圆。 如果弥散圆的直径小于人眼的鉴别能力，也就是说在一定范围内，实际影象产生的模糊肉眼是不能感觉到的，结果人的肉眼看上去这个范围内的影像仍是清晰的．这个在理论上已经模糊但实际上却被肉眼辨认为清楚的弥散圆就称为容许弥散圆。 在焦点前后各有一个容许弥散圆，这两个弥散圆之间的距离就叫景深，即：在被摄主体(对焦点)前后，其影像仍然有一段清晰范围的，就是景深。换言之，被摄体的前后纵深，呈现在底片面的影象模糊度是肉眼不能辨认的（人们肉眼看出的图像感觉仍是清晰的），都在容许弥散圆的限定范围内。 上面这段用规范的专业语言解释的景深，过于专业了点，比较晦涩难懂，但还得先这样说一下，不能理解也没有问题，下面我会用通俗的语言再解释一遍。 在进行拍摄时，调节相机镜头，使离相机一定距离的景物清晰成像的过程，叫做对焦，那个景物所在的点，称为对焦点，因为"清晰"并不是一种绝对的概念，所以，对焦点前（靠近相机）、后一定距离内的景物的成像用我们的眼睛看都可以是清晰的，这个前后清晰范围的总和，就叫做景深。举个例子，你以一个离相机5米远的人作为对焦点，人前1米有朵花，离开相机的11米处有棵树，12米处有间房子，13米处有辆汽车。当你拍出的照片上，花、人和树都是清晰的，而花前和房子及房子以后的都是模糊的，那么，这张照片的清晰范围是在离相机的4--11米处，那么，这张照片的景深就有7 米。要是这张照片上从花、人到树和房子都是清晰的，而花前、汽车和汽车以后的景色都是模糊的，那这张在照片的景深我想大家已经知道，那就是8米。 景深的大小，首先与镜头焦距有关，焦距长的镜头，景深小，焦距短的镜头景深大。其次，景深与光圈有关，光圈越小（数值越大，例如f16的光圈比f11的光圈小），景深就越大；光圈越大（数值越小，例如f2.8的光圈大于f5.6）景深就越小。其次，前景深小于后后景深，也就是说，精确对焦之后，对焦点前面只有比较短的距离内的景物能清晰成像，而对焦点后面很长一段距离内的景物，都是清晰的。 来自：什么是景深以及如何来控制景深？http://bbs.zhiyin.cn/thread-256910-1-1.html 

 弥散圆 (Circle of Cnfusion)又译为：弥散圈、模糊圈等等在焦点前后，光线从聚集到扩散，点的影象从圆到点（焦点），继而有扩散到圆，这个焦点前面和后面的圆就叫做弥散圆。

如果此圆形足够小，肉眼依然可被视为点的成像。这个可以被接受的最大直径被称为容许弥散圆直径δ (Permissible circle of confusion)。观赏拍摄的影象是以某种方式来观察的，人的肉眼所感受到的影象与观看距离有很大的关系，如果弥散圆的直径小于人眼的鉴别能力，人眼将感觉是清晰的。这时的弥散圆的大小就称为容许弥散圆。 景深 (Depth of field)在对焦时，通过镜头将在焦平面上清晰成像，而对焦点的前景和后景也在焦平面成像，只要它们成像的弥散圆等于或小于容许弥散圆直径，我们将认为是清晰的，这样影像就有一个的清晰的区间，这就是景深（下图）。

从以上可知道，在焦点前后各有一个容许弥散圆，这两个弥散圆之间的距离我们称呼它叫焦深，它和景深是相对应的。所谓景深即：在被摄主体(对焦点)前后，其影像具有的一段清晰范围，这范围内的景物在焦平面上成像，都在容许弥散圆的限定范围内。景深是随镜头的焦距、光圈值、对焦距离的不同而变化。一般来说：1、焦距短，景深大，2、对焦点离远，景深大，3、光圈小，景深大。

以拍摄者为基准，从对焦点到近点的清晰范围叫前景深，从对焦点到远点的清晰范围叫后景深。 景深的计算 

从公式中可以看出，后景深 > 前景深。由景深计算公式可以看出，景深与镜头使用光圈、镜头焦距、拍摄距离以及对像质的要求（表现为对容许弥散圆的大小）有关。这些因素对景深的影响如下：(1)、镜头光圈：光圈越大，景深越小；光圈越小，景深越大；(2)、镜头焦距：镜头焦距越长，景深越小；焦距越短，景深越大；(3)、拍摄距离：距离越远，景深越大；距离越近，景深越小。 拍摄时景深的控制景深大小的控制主要决定于三个因素：照相机镜头光圈的大小调节、所用镜头焦距的长短以及拍摄距离的远近。　　　　A.光圈在控制景深的作用中，扮演一了个非常重要的角色。记住一个最基本的原则：光圈越大，景深越小；光圈越小，景深越大。   拍摄时，若希望主体的前后景物都非常清晰，可以将光圈尽量向小处调节，比如f/16、f/22；反过来，若希望对焦的物体清晰，虚化前后的另外一些景物，那就尽量将光圈开大，比如f/2.8、f/2，甚至f/1.4。(根据相机支持的光圈)在调节光圈的同时，还要注意曝光量也会发生变化，必须依靠调节快门速度加以平衡；光圈收小了，快门速度就要放慢些；光圈开大了，快门速度就要相对提高些。     B.所用镜头焦距的长短    C.拍摄距离的远近   　　当拍摄时的光圈大小不变，被摄体的位置也不改变时，使用的镜头焦距越短，景深就越大；镜头的焦距越长，景深就越小。也就是在光圈不变的条件下，使用广角镜头时，景深的清晰范围就要相对大一些，使用中、长焦距镜头时，景深的清晰范围就相对要小得多。   而当拍摄时的光圈大小不变，所使用的镜头焦距也不改变时，被摄体越远，画面中的前后清晰范围就越大；反之，被摄体越近，前后的清晰范围也就相对越小。这就提醒我们，在拍摄一些特定和近景的画面时，调焦应该特别仔细，稍有疏忽，使主体景物越出景深范围。整个画面就都虚了。