手機攝像頭

手機攝像頭

手機的數位相機功能指的是手機是否可以通過內置或是外接的數位相機進行拍攝靜態圖片或短片拍攝,作為手機的一項新的附加功能,手機的數位相機功能得到了迅速的發展。 隨著攝像頭像素的提高,其拍攝效果也越來越接近傳統卡片。 手機攝像頭分為內置與外置,內置攝像頭是指攝像頭在手機內部,更方便。外置手機通過數據線或者手機下部接口與數位相機相連,來完成數位相機的一切拍攝功能。外置數位相機的優點在於可以減輕手機的重量,而且外置數位相機重量輕,攜帶方便,使用方法簡單。 處於發展階段的手機的數位相機的性能應該也處於初級階段,僅有個別手機攝像頭帶有光學變焦功能,但大部分都擁有數碼變焦功能。不過相信隨著手機數位相機功能的發展,帶有光學變焦的手機也會逐漸上市。除此之外,手機的數位相機功能主要包括拍攝靜態圖像,連拍功能,短片拍攝,鏡頭可鏇轉,自動白平衡,內置閃光燈等等。手機的拍攝功能是與其螢幕材質、螢幕的解析度、攝像頭像素、攝像頭材質有直接關係。

主要參數

攝像頭主要衡量的參數。解析度(像素)解析度是我們最熟悉的參數之一了。解析度主要由圖像感測器決定,解析度越高,圖像就越細膩,效果也越好,但圖像所占存儲空間更大。通常所說的攝像頭像素是拍照模式下的最大像素,攝影(拍視頻)時的像素通常會比較小,例如N97攝像頭有500W像素,但攝影模式下的最大解析度只有640 x480。

對手機攝像頭解析度進行說明,常常使用圖像解析度的專用名詞(如CIF,VGA等)來表示解析度(像素=解析度長寬數值相乘,如:640X480=307200,就是30W像素):

簡稱 (代號) 解析度 像素

subQCIF : 128 x 96

QCIF : 176 X 144

CGA : 320 x 200

Quarter-VGA: 320 x 240

CIF : 352 x 288 10W

EGA : 640 x 350

VGA : 640 x 480 30W

SVGA : 800 x 600

XGA : 1024 x 768

XGA-W : 1280 x 768

QVGA : 1280 x 960 120W

SXGA : 1280 x 1024

SXGA+ : 1400 x 1050

SXGA-W : 1600 x 1024

UGA : 1600 x 1200

HDTV : 1920 x 1080 200W

UXGA : 1900 x 1200

UXGA-W : 1920 x 1200

QXGA : 2048 x 1536 320W

QSXGA : 2560 x 2048 500W+

QUXGA : 3200 x 2400 700W+

QUXGA-W : 3840 x 2400 900W+

傳輸速率(幀數)

該參數主要由數位訊號處理晶片(DSP)決定,該參數主要對連拍和攝像有影響。一般傳輸速率越高,視頻越流暢。常見的傳輸速率有15fps,30fps,60fps,120fps等。(fps:幀/秒)。

傳輸速率與圖像的解析度有關,圖像解析度越低,傳輸速率越高,例如某攝像頭在CIF(352*288)解析度下可實現30fps傳輸速率,則在VGA(640*480)解析度下就只有10fps左右,因此當商家說傳輸速率時一定要清楚對應的解析度。一般30fps的流暢度已經足夠了,關鍵看此時對應的解析度有多高。

原理

CPU集成了視頻處理系統和攝像頭驅動等,CPU和攝像頭數據信號有8-10個,是根據CPU型號和攝像頭本身來定的,當手機系統進入拍照或攝像狀態,由電源提供一個2.8V電壓,由CPU送出的復位信號使攝像頭進行復位,數據開始傳送同時攝像頭進入工作狀態。

最大像素

最大像素英文名稱為Maximum Pixels,所謂的最大像素是經過插值運算後獲得的。插值運算通過設在數位相機內部的DSP晶片,在需要放大圖像時用最臨近法插值、線性插值等運算方法,在圖像內添加圖像放大後所需要增加的像素。插值運算後獲得的圖像質量不能夠與真正感光成像的圖像相比。以最大像素拍攝的圖片清晰度比不上以有效像素拍攝的。

對於手機的數位相機像素,只能處於中級發展階段,像素數並不很高,大都在130萬--800萬像素之間。數位相機的像素數越大,所拍攝的靜態圖像的解析度也越大,相應的一張圖片所占用的空間也會增大。

像素

數位相機的像素數包括有效像素(Effective Pixels)和最大像素(Maximum Pixels)。與最大像素不同的是有效像素數是指真正參與感光成像的像素值,而最高像素的數值是感光器件的真實像素,這個數據通常包含了感光器件的非成像部分,而有效像素是在鏡頭變焦倍率下所換算出來的值。

有效像素

有效像素數英文名稱為Effective Pixels。與最大像素不同,有效像素數是指真正參與感光成像的像素值。最高像素的數值是感光器件的真實像素。

數碼圖片的儲存方式一般以像素(Pixel)為單位,每個像素是數碼圖片裡面積最小的單位。像素越大,圖片的面積越大。要增加一個圖片的面積大小,如果沒有更多的光進入感光器件,唯一的辦法就是把像素的面積增大,這樣一來,可能會影響圖片的銳力度和清晰度。所以,在像素麵積不變的情況下,數位相機能獲得最大的圖片像素,即為有效像素。

感測器

作為手機新型的拍攝功能,內置的數位相機功能與我們平時所見到的低端的(10萬--130萬像素)數位相機相同。與傳統相機相比,傳統相機使用“膠捲”作為其記錄信息的載體,而數位相機的“膠捲”就是其成像感光器件,而且是與相機一體的,是數位相機的心臟。感光器是數位相機的核心,也是最關鍵的技術。當前手機數位相機的核心成像部件有兩種:一種是廣泛使用的CCD(電荷藕合)元件;另一種是CMOS(互補金屬氧化物導體)器件。

CCD

電荷藕合器件圖像感測器CCD(Charge Coupled Device),它使用一種高感光度的半導體材料製成,能把光線轉變成電荷,通過模數轉換器晶片轉換成數位訊號,數位訊號經過壓縮以後由相機內部的閃速存儲器或內置硬碟卡保存,因而可以輕而易舉地把數據傳輸給計算機,並藉助於計算機的處理手段,根據需要和想像來修改圖像。CCD由許多感光單位組成,通常以百萬像素為單位。當CCD表面受到光線照射時,每個感光單位會將電荷反映在組件上,所有的感光單位所產生的信號加在一起,就構成了一幅完整的畫面。

CCD和傳統底片相比,CCD 更接近於人眼對視覺的工作方式。只不過,人眼的視網膜是由負責光強度感應的桿細胞和色彩感應的錐細胞,分工合作組成視覺感應。 CCD經過長達35年的發展,大致的形狀和運作方式都已經定型。CCD 的組成主要是由一個類似馬賽克的格線、聚光鏡片以及墊於最底下的電子線路矩陣所組成。

CMOS

互補性氧化金屬半導體CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)和CCD一樣同為在數位相機中可記錄光線變化的半導體。CMOS的製造技術和一般計算機晶片沒什麼差別,主要是利用矽和鍺這兩種元素所做成的半導體,使其在CMOS上共存著帶N(帶–電) 和 P(帶+電)級的半導體,這兩個互補效應所產生的電流即可被處理晶片紀錄和解讀成影像。然而,CMOS的缺點就是太容易出現雜點, 這主要是因為早期的設計使CMOS在處理快速變化的影像時,由於電流變化過於頻繁而會產生過熱的現象。

CCM

CCM其實就是CMOS鏡頭,只是CCM的畫質比CMOS高一點,拍照時感應速度也較快,但以照片品質來說還是遜色於CCD鏡頭,在實際拍攝中也可以感覺出來,取景速度非常快,就算迅速移動手機攝像頭時,螢幕都可以迅速顯示所捕抓的畫面,過程非常流暢,幾乎沒有什麼延遲。

CCD與CMOS

由兩種感光器件的工作原理可以看出,CCD的優勢在於成像質量好,但是由於製造工藝複雜,只有少數的廠商能夠掌握,所以導致製造成本居高不下,特別是大型CCD,價格非常高昂。

在相同解析度下,CMOS價格比CCD便宜,但是CMOS器件產生的圖像質量相比CCD來說要低一些。到目前為止,市面上絕大多數的消費級別以及高端數位相機都使用CCD作為感應器;CMOS感應器則作為低端產品套用於一些攝像頭上,若有哪家攝像頭廠商生產的攝像頭使用CCD感應器,廠商一定會不遺餘力地以其作為賣點大肆宣傳,甚至冠以“數位相機”之名。一時間,是否具有CCD感應器變成了人們判斷數位相機檔次的標準之一。

CMOS影像感測器的優點之一是電源消耗量比CCD低,CCD為提供優異的影像品質,付出代價即是較高的電源消耗量,為使電荷傳輸順暢,噪聲降低,需由高壓差改善傳輸效果。但CMOS影像感測器將每一畫素的電荷轉換成電壓,讀取前便將其放大,利用3.3V的電源即可驅動,電源消耗量比CCD低。CMOS影像感測器的另一優點,是與周邊電路的整合性高,可將ADC與訊號處理器整合在一起,使體積大幅縮小,例如,CMOS影像感測器只需一組電源,CCD卻需三或四組電源,由於ADC與訊號處理器的製程與CCD不同,要縮小CCD套件的體積很困難。但如今CMOS影像感測器首要解決的問題就是降低噪聲的產生,未來CMOS影像感測器是否可以改變長久以來被CCD壓抑的宿命,往後技術的發展是重要關鍵。

感光器件發展

CCD是1969年由美國的貝爾研究室所開發出來的。進入80年代,CCD影像感測器雖然有缺陷,由於不斷的研究終於克服了困難,而於80年代後半期製造出高解析度且高品質的CCD。到了90年代製造出百萬像素之高解析度CCD,此時CCD的發展更是突飛猛進,算一算CCD 發展至今也有二十多個年頭了。進入90年代中期後,CCD技術得到了迅猛發展,同時,CCD的單位面積也越來越小。但為了在CCD面積減小的同時提高圖像的成像質量,SONY於1989年開發出了SUPER HAD CCD,這種新的感光器件是在CCD面積減小的情況下,依靠CCD組件內部放大器的放大倍率提升成像質量。以後相繼出現了NEW STRUCTURE CCD、EXVIEW HAD CCD、四色濾光技術(專為SONY F828所套用)。

對於CMOS來說,具有便於大規模生產,且速度快、成本較低,將是數字相機關鍵器件的發展方向。另外由於CMOS先天的可塑性,可以做出高像素的大型CMOS感光器而成本卻不上升多少。相對於CCD的停滯不前相比,CMOS作為新生事物而展示出了蓬勃的活力。作為數位相機的核心部件,CMOS感光器以已經有逐漸取代CCD感光器的趨勢,並有希望在不久的將來成為主流的感光器。

感光器件因素

對於數位相機來說,影像感光器件成像的因素主要有兩個方面:一是感光器件的面積;二是感光器件的色彩深度。

感光器件面積越大,成像較大,相同條件下,能記錄更多的圖像細節,各像素間的干擾也小,成像質量越好。但隨著數位相機向時尚小巧化的方向發展,感光器件的面積也只能是越來越小。

除了面積之外,感光器件還有一個重要指標,就是色彩深度,也就是色彩位,就是用多少位的二進制數字來記錄三種原色。非專業型數位相機的感光器件一般是24位的,高檔點的採樣時是30位,而記錄時仍然是24位,專業型數位相機的成像器件至少是36位的,據說已經有了48位的CCD。對於24位的器件而言,感光單元能記錄的光亮度值最多有2^8=256級,每一種原色用一個8位的二進制數字來表示,最多能記錄的色彩是256x256x256約16,77萬種。對於36位的器件而言,感光單元能記錄的光亮度值最多有2^12=4096級,每一種原色用一個12位的二進制數字來表示,最多能記錄的色彩是4096x4096x4096約68.7億種。舉例來說,如果某一被攝體,最亮部位的亮度是最暗部位亮度的400倍,用使用24位感光器件的數位相機來拍攝的話,如果按低光部位曝光,則凡是亮度高於256備的部位,均曝光過度,層次損失,形成亮斑,如果按高光部位來曝光,則某一亮度以下的部位全部曝光不足,如果用使用了36位感光器件的專業數位相機,就不會有這樣的問題。

閃光燈

閃光燈的英文學名為Flash Light。閃光燈也是加強曝光量的方式之一,尤其在昏暗的地方,打閃光燈有助於讓景物更明亮。使用閃光燈也會出現弊端,例如在拍人物時,閃光燈的光線可能會在眼睛的瞳孔發生殘留的現象,進而發生「紅眼」的情形,因此許多相機商都將"消除紅眼"這項功能加入設計,在閃光燈開啟前先打出微弱光讓瞳孔適應,然後再執行真正的閃光,避免紅眼發生。中低檔數位相機一般都具備三種閃光燈模式,即自動閃光、消除紅眼與關閉閃光燈。再高級一點的產品還提供“強制閃光”,甚至“慢速閃光”功能。

變焦

變焦分兩種,一種是數字變焦;一種是光學變焦。作用與手機上,多數都採用數碼變焦。

數字變焦

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數字變焦也稱為數碼變焦,英文名稱為Digital Zoom,數碼變焦是通過數位相機內的處理器,把圖片內的每個象素麵積增大,從而達到放大目的。這種手法如同用圖像處理軟體把圖片的面積改大,不過程式在數位相機內進行,把原來CCD影像感應器上的一部份像素使用"插值"處理手段做放大,將CCD影像感應器上的像素用插值算法將畫面放大到整個畫面。

與光學變焦不同,數碼變焦是在感光器件垂直方向上的變化,而給人以變焦效果的。在感光器件上的面積越小,那么視覺上就會讓用戶只看見景物的局部。但是由於焦距沒有變化,所以,圖像質量是相對於正常情況下較差。

通過數碼變焦,拍攝的景物放大了,但它的清晰度會有一定程度的下降,所以數碼變焦並沒有太大的實際意義。

光學變焦

光學變焦英文名稱為Optical Zoom,數位相機依靠光學鏡頭結構來實現變焦。數位相機的光學變焦方式與傳統35mm相機差不多,就是通過鏡片移動來放大與縮小需要拍攝的景物,光學變焦倍數越大,能拍攝的景物就越遠。

光學變焦是通過鏡頭、物體和焦點三方的位置發生變化而產生的。當成像面在水平方向運動的時候,視覺和焦距就會發生變化,更遠的景物變得更清晰,讓人感覺像物體遞進的感覺。

顯而易見,要改變視角必然有兩種辦法,一種是改變鏡頭的焦距。用攝影的話來說,這就是光學變焦。通過改變變焦鏡頭中的各鏡片的相對位置來改變鏡頭的焦距。另一種就是改變成像面的大小,即成像面的對角線長短在這時的數碼攝影中,這就叫做數碼變焦。實際上數碼變焦並沒有改變鏡頭的焦距,只是通過改變成像面對角線的角度來改變視角,從而產生了“相當於”鏡頭焦距變化的效果。

如今的數位相機的光學變焦倍數大多在2倍-5倍之間,即可把10米以外的物體拉近至5-3米近;也有一些數位相機擁有10倍的光學變焦效果。家用攝錄機的光學變焦倍數在10倍~22倍,能比較清楚的拍到70米外的東西。使用增倍鏡能夠增大攝錄機的光學變焦倍數。如果光學變焦倍數不夠,我們可以在鏡頭前加一增倍鏡,其計算方法是這樣的,一個2倍的增距鏡,套在一個原來有4倍光學變焦的數位相機上,那么這台數位相機的光學變焦倍數由原來的1倍、2倍、3倍、4倍變為2倍、4倍、6倍和8倍,即以增距鏡的倍數和光學變焦倍數相乘所得。

連拍

連拍功能英文學名為continuous shooting,是通過節約數據傳輸時間來捕捉攝影時機。連拍模式通過將數據裝入數位相機內部的高速存儲器(高速快取),而不是向存儲卡傳輸數據,可以在短時間內連續拍攝多張照片。由於數位相機拍攝要經過光電轉換,a/d轉換及媒體記錄等過程,其中無論轉換還是記錄都需要花費時間,特別是記錄花費時間較多。因此,所有數位相機的連拍速度都不很快。

連拍一般以幀為計算單位,好像電影膠捲一樣,每一幀代表一個畫面,每秒能捕捉的幀數越多,連拍功能越快。當前,數位相機中最快的連拍速度為7幀/秒,而且連拍3秒鐘後必須再過幾秒才能繼續拍攝。當然,連拍速度對於攝影記者和體育攝影受好者是必須注意的指標,而普通攝影場合可以不必考慮。一般情況下,連拍捕捉的照片,解析度和質量都會有所減少。有些數位相機在連拍功能上可以選擇,拍攝解析度較小的照片,連拍速度可以加快,反之,解析度 大的照片的連拍速度會相對減緩。

通過連續快拍模式,只須輕按按鈕,即可連續拍攝,將連續動作生動地記錄下來。

白平衡

白平衡英文名稱為White Balance。物體顏色會因投射光線顏色產生改變,在不同光線的場合下拍攝出的照片會有不同的色溫。例如以鎢絲燈(電燈泡)照明的環境拍出的照片可能偏黃,一般來說,CCD沒有辦法像人眼一樣會自動修正光線的改變。下面一些圖片,就顯示了在不同顏色光線下的不同圖象。

白平衡就是無論環境光線如何,讓數位相機默認“白色”,就是讓他能認出白色,而平衡其他顏色在有色光線下的色調。顏色實質上就是對光線的解釋,在正常光線下看起來是白顏色的東西在較暗的光線下看起來可能就不是白色,還有螢光燈下的"白"也是"非白"。對於這一切如果能調整白平衡,則在所得到的照片中就能正確地以"白"為基色來還原其他顏色。當前大多數的商用級數位相機均提供白平衡調節功能。正如前面提到的白平衡與周圍光線密切相關,因而,啟動白平衡功能時閃光燈的使用就要受到限制,否則環境光的變化會使得白平衡失效或干擾正常的白平衡。

視頻拍攝

短片拍攝功能即數位相機具備拍攝視頻檔案的功能。有別於DV(數碼攝像機),數位相機只可以把視頻檔案存放在記憶卡裡面,由於記憶體的空間有限,所以視頻檔案的質量跟大小都比較差。

自動對焦

自動對焦(Auto Focus),通常用於相機和手機的攝像頭拍照,但可不是所有手機都支持自動對焦,一般是320萬像素-1400萬像素。自動對焦用於鏡頭靠近一件物品拍攝,使用“自動對焦”功能。可以讓圖片的模糊、斑點現象消除,而且能把圖片變成清晰、明亮。通常對焦狀態是輕輕按住快門鍵,這時圖片會出現一個游標。白色變成綠色,就說明對焦已對準。如果光表示黃色、紅色或者橙色,就是代表對焦失敗。要放開快門鍵重新對焦。

有些手機或者數位相機會自動根據場景來做適合的對焦,例如在那些美麗的風景遠拍照。是不能對焦的。如果把鏡頭靠近一件物品(2cm-3cm)就可以自動對焦。

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發展現狀

目前國內市場的手機攝像頭晶片分別有國產的、韓系的和美系的,其中最好的是美系晶片,韓系的晶片價格適中,國產晶片最便宜。這些晶片價格不同,所針對的市場也不同。如美系的OVT晶片,其價格相對比較高,一般套用在高端的手機中;針對國內的山寨市場,基本上都是用國內的產品。相對來說,做高端產品的廠商所需要的資金門檻和技術門檻都比較高,他們生產出的攝像頭主要以高像素為主。高像素還是要以COB為主,COB對技術要求比較高,主要是與國際品牌手機合作。品牌手機對攝像頭的像素要求需達到1000萬、1500萬。OVT也能做500萬像素,但用的人比較少,因為它的解析度沒有美光那么好。一般大廠還是用COB,COB對廠商的設備以及技術要求非常高,鮮少有國內本土廠商做,目前只有信利、舜宇兩家國產廠家在做COB,其他都是在圍繞CSP這種低端的在走。也就是說國內能做到200萬、300萬像素的本土廠商很少,基本上都是外資企業。

針對國產手機市場,主要還是以低像素攝像頭為主流。不過,隨著涉足這個市場的廠商越來越多,今年市場的形勢大不如去年。僧多粥少,致使整個產品的利潤也下降了,市場也正面臨著價格戰。誰的底子厚,誰就能生存下去。現在有些攝像頭廠商針對有量的客戶就會放款給他們,但他們買晶片都是要用現金的,在這種情況下如果沒有足夠的流動資金,到最後可能很難生存下去。這也是國內廠商做COB的根本原因,做COB要求有大量的流動資金以及固定資產。

未來隨著3G網路的進一步普及,國產手機攝像頭的解析度也會要求更高像素,肯定會以300萬、500萬像素的攝像頭為主流。

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