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一、攝像頭結構和工作原理.
拍攝景物通過鏡頭，將生成的光學圖像投射到傳感器上，然后光學圖像被轉換成電信號，電信號再經(jīng)過模數(shù)轉換變?yōu)?a target="_blank">數(shù)字信號，數(shù)字信號經(jīng)過DSP加工處理，再被送到電腦中進行處理，最終轉換成手機屏幕上能夠看到的圖像。
數(shù)字信號處理芯片DSP(DIGITAL SIGNAL PROCESSING)功能：主要是通過一系列復雜的數(shù)學算法運算，對數(shù)字圖像信號參數(shù)進行優(yōu)化處理，并把處理后的信號通過USB等接口傳到PC等設備。DSP結構框架:
1. ISP(image signal processor)(鏡像信號處理器)
2. JPEG encoder(JPEG圖像解碼器)
3. USB device controller(USB設備控制器)
常見的攝像頭傳感器類型主要有兩種，
一種是CCD傳感器（Chagre Couled Device），即電荷耦合器。
一種是CMOS傳感器（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）即互補性金屬氧化物半導體。
CCD的優(yōu)勢在于成像質量好，但是制造工藝復雜，成本高昂，且耗電高。在相同分辨率下，CMOS價格比CCD便宜，但圖像質量相比CCD來說要低一些。CMOS影像傳感器相對CCD具有耗電低的優(yōu)勢，加上隨著工藝技術的進步，CMOS的畫質水平也不斷地在提高，所以目前市面上的手機攝像頭都采用CMOS傳感器。
手機攝像頭的簡單結構
濾光片有兩大功用:
1.濾除紅外線。濾除對可見光有干擾的紅外光，使成像效果更清晰。
2.修整進來的光線。感光芯片由感光體(CELL)構成,最好的光線是直射進來,但為了怕干擾到鄰近感光體,就需要對光線加以修整,因此那片濾光片不是玻璃,而是石英片,利用石英的物理偏光特性,把進來的光線,保留直射部份,反射掉斜射部份,避免去影響旁邊的感光點.
二、相關參數(shù)和名詞
1、常見圖像格式
1.1 RGB格式：
傳統(tǒng)的紅綠藍格式，比如RGB565，RGB888，其16-bit數(shù)據(jù)格式為5-bit R + 6-bit G + 5-bit B。G多一位，原因是人眼對綠色比較敏感。
1.2 YUV格式：
luma?(Y)?+?chroma?(UV)?格式。YUV是指亮度參量和色度參量分開表示的像素格式，而這樣分開的好處就是不但可以避免相互干擾，還可以降低色度的采樣率而不會對圖像質量影響太大。YUV是一個比較籠統(tǒng)地說法，針對它的具體排列方式，可以分為很多種具體的格式。
色度(UV)定義了顏色的兩個方面─色調與飽和度，分別用CB和CR表示。其中，Cr反映了RGB輸入信號紅色部分與RGB信號亮度值之間的差異。而Cb反映的是RGB輸入信號藍色部分與RGB信號亮度值之間的差異。
主要的采樣格式有YCbCr 40、YCbCr 42、YCbCr 41和 YCbCr 44。
1.3 RAW data格式：
RAW圖像就是CMOS或者CCD圖像感應器將捕捉到的光源信號轉化為數(shù)字信號的原始數(shù)據(jù)。RAW文件是一種記錄了數(shù)碼相機傳感器的原始信息，同時記錄了由相機拍攝所產生的一些元數(shù)據(jù)（Metadata，如ISO的設置、快門速度、光圈值、白平衡等）的文件。RAW是未經(jīng)處理、也未經(jīng)壓縮的格式，可以把RAW概念化為“原始圖像編碼數(shù)據(jù)”或更形象的稱為“數(shù)字底片”。sensor的每一像素對應一個彩色濾光片，濾光片按Bayer pattern分布。將每一個像素的數(shù)據(jù)直接輸出，即RAW RGB data
Raw data（Raw RGB）經(jīng)過彩色插值就變成RGB.
RAW格式圖像示例
2. 相關技術指標
2.1 圖像解析度/分辨率(Resolution)：
SXGA(1280 x1024)又稱130萬像素
XGA(1024 x768)又稱80萬像素
SVGA(800 x600)又稱50萬像素
VGA(640x480)又稱30萬像素(35萬是指648X488)
CIF(352x288) 又稱10萬像素
SIF/QVGA(320x240)
QCIF(176x144)
QSIF/QQVGA(160x120)
2.2 彩色深度(色彩位數(shù))：
256色灰階，有256種灰色（包括黑白）。
15或16位彩色（高彩色）：65,536種顏色。
24位彩色（真彩色）：每種原色都有256個層次，它們的組合便有256*256*256種顏色。
32位彩色：除了24位彩色的顏色外，額外的8位是儲存重疊圖層的圖形資料(alpha頻道)。
2.3 光學變焦和數(shù)碼變焦：
光學變焦：?通過鏡頭的調整，拉近拉遠所要拍攝的對象，保持像素不變和畫質基本不變，卻可以拍到自己 ? ? ? ? ? ? 理想的物像。 ? ? 數(shù)碼變焦：其實沒有什么變焦，只是從原圖片中截取出來放大，你從液晶屏幕上看到變大了，實際上畫質并沒有本質提高，而像素比你相機能拍攝的最大像素降低了。畫質上說基本是雞肋把，但是可以提供一些方便。
2.4 圖像壓縮方式：
JPEG/M-JPEG
H.261/H.263
MPEG
H.264?
2.5 圖像噪音：
指的是圖像中的雜點干撓。表現(xiàn)為圖像中有固定的彩色雜點。
2.6 自動白平衡處理技術(auto?White Balance)：
簡單來說就是：攝像機對白色物體的還原。相關概念：色溫。
2.7 視角：
與人的眼睛成像是相成原理，簡單說就是成像范圍。
2.8 自動對焦：
自動對焦可以分成兩大類：一類是基于鏡頭與被拍攝目標之間距離測量的測距自動對焦，另一類是基于對焦屏上成像清晰的聚焦檢測自動對焦(清晰度算法)。
注：變焦就是把遠處的物體拉近。對焦是讓圖像清晰。
2.9 自動曝光和Gamma：
就是光圈和快門的組合。光圈，快門速度，ISO。Gamma即人眼對亮度的響應曲線。
CAMERA部分硬件架構
VFE：VIDEO front-end 視頻前端
VPE：Video preprocessing 視頻預處理
攝像頭模組中自帶了ISP（圖像信號處理器），所以，VFE和VPE有關圖像效果處理的功能都是關閉的。
1.VFE的功能：
1.1 通過算法提高圖像的質量。
1.2 提供高分辨率的圖像的AWB(自動白平衡)/AE(自動曝光)/AF(自動對焦)算法處理。
1.3 圖像衰減校正。
1.4 低光下的噪聲濾波。
1.5 圖像色彩效果優(yōu)化。
1.6 皮膚顏色效果優(yōu)化。
1.7 圖像抖動計算。
1.8?亮度適應算法。
2.VPE的功能：
2.1 圖像穩(wěn)定性。
2.2 數(shù)字對焦。
2.3 圖像旋轉。
2.4 Overlay。
三、android系統(tǒng)camera基本架構
1.應用層
Camera 的應用層在Android 上表現(xiàn)為直接調用SDK API 開發(fā)的一個Camera 應用APK 包。代碼在/android/packages/apps/Camera 下。主要對 android.hardware.Camera（在Framework中） 類的調用，并且實現(xiàn)Camera 應用的業(yè)務邏輯和UI 顯示。一個Android 應用中若要使用這個android.hardware.Camera類，需要在Manifest 文件聲明Camera 的權限，另外還 需要添加一些?元素來聲明應用中的Camera 特性，如自動對焦等。?具體做法可如下：
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?
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2.Framework層
2.1 android.hardware.Camera：代碼位置/android/frameworks/base/core/java/android/hardware/Camera.java
這部分目標是framework.jar。這是是Android 提供給app層調用的java接口。這個類用來連接或斷開一個Camera 服務，設置拍攝參數(shù)，開始、停止預覽，拍照等。
2.2 android.hardware.Camera這個類是和JNI中定義的類是一個，有些方法通過JNI的方式調用本地代碼得到，有些方法自己實現(xiàn)。? Camera的JAVA native調用部分（JNI）：/android/frameworks/base/core/jni/android_hardware_Camera.cpp。Camera.java 承接JAVA 代碼到C++?代碼的橋梁。編譯生成libandroid_runtime.so 。libandroid_runtime.so庫是公用的, 其中除了Camera 還有其他方面的功能。
2.3 Camera框架的client部分：
代碼位置：/android/frameworks/base/libs/camera/下5個文件。
Camera.cpp
ICamera.cpp
ICameraClient.cpp
ICameraService.cpp
它們的頭文件在/android/frameworks/base/include/camera目錄下。
這部分的內容編譯生成libcamera_client.so 。在Camera 模塊的各個庫中，libcamera_client.so 位于核心的位置，作為Camera 框架的 Client 客戶端部分，與另外一部分內容服務端 libcameraservice.so 通過進程間通訊（即Binder 機制）的方式進行通訊。
2.4 Camera框架的service部分：
代碼位置：/android/frameworks/base/services/camera/libcameraservice。
這部分內容被編譯成庫libcameraservice.so 。CameraService 是Camera 服務，Camera 框架的中間層，用于鏈接CameraHardwareInterface 和Client部分 ，它通過調用實際的Camera 硬件接口來實現(xiàn)功能，即下層HAL層。
四. 攝像頭預覽、拍照、錄像基本數(shù)據(jù)流向和處理流程以及驅動調試
cpp主要分為三個部分，preview，snapshot，video。它們分別用一個pthread進行處理。另外還有auto focus功能也是用pthread的方式處理。預覽或拍照、視頻線程處理得到的數(shù)據(jù)幀都以datacallback的方式回調到上層CameraService.cpp中，進行存儲或預覽等操作。以下是HAL層部分的代碼大概的調用結構流程。
整個模塊主要巡行三個主線程：control、config及frame。
control用來執(zhí)行總的控制，是上層控制接口。
config主要進行一些配置，這個線程里面主要進行3A的工作，另外還有一些跟效果有關的設置；
frame線程主要用來做幀queue的循環(huán)獲取處理。所有事件或狀態(tài)的反饋，用回調函數(shù)的方式傳回QualcommCameraHardware.cpp。
2. 驅動部分從設備驅動s5k8aa.c開始。新建平臺設備后，執(zhí)行入口函數(shù)probe時，調用創(chuàng)建攝像頭設備功能函數(shù)
int msm_camera_drv_start(struct platform_device *dev, ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?
int (*sensor_probe)(const struct msm_camera_sensor_info *,?
struct msm_sensor_ctrl *))
并將設備信息結構體和攝像頭設備調用入口sensor_probe傳入。msm_camera_drv_start（xxx）函數(shù)在msm_camera.c中實現(xiàn)。他創(chuàng)建了提供上層調用的四個終于設備結點：
/dev/msm_camera/frame%d
/dev/msm_camera/control%d
/dev/msm_camera/config%d
/dev/msm_camera/pic%d
實現(xiàn)了上層庫對VFE模塊，VPE模塊，jpeg_encoder模塊和攝像頭sensor模塊驅動的控制調用接口。在file_operations中的相應函數(shù)中分別實現(xiàn)的是這些設備的新建初始化和IOCTL功能調用接口。
然后這個函數(shù)還創(chuàng)建了四個工作隊列：?
struct msm_device_queue event_q;?
struct msm_device_queue frame_q;?
struct msm_device_queue pict_q;?
struct msm_device_queue vpe_q;
event_q包括/dev/msm_camera/control%d傳入的控制信號隊列，用于將上層傳下來的控制命令(command)傳到config thread中去。
frame_q用于對圖像幀的操作管理，預覽或錄像時幀將傳遞給DSP進行處理。
pict_q包含拍照幀，用于給jpeg_encoder進行圖像編碼處理。
vpe_q是VPE控制命令隊列。
s5k8aa.c是相應攝像頭設備的驅動部分。它的功能很簡單，主要實現(xiàn)sensor模塊的創(chuàng)建、初始化和控制。主要實現(xiàn)以下三個函數(shù)：?
s->s_init = ov2685_sensor_init;?
s->s_release = ov2685_sensor_release;?
s->s_config = ov2685_sensor_config;
ov2685_sensor_init函數(shù)：? ??
主要實現(xiàn)攝像頭的上電、時鐘控制（MCLK）、設備初始化功能。? ? 上電分為DOVDD、DVDD、AVDD、reset、PWDN幾個部分。需要按照設備要求順序操作，一般時鐘控制順序也包含在內。? ? 設備初始化過程是將sensor設備的所有寄存器全部初始化一遍，采用IIC方式將初始化寄存器地址和值全部發(fā)送到sensor端。完成后此時攝像頭模組才能正常工作，并將圖像通過MIPI線路傳送到CPU端。
ov2685_sensor_config函數(shù)：? ??
主要實現(xiàn)對sensor的各種配置接口，相應的有幀率配置，白平衡效果設置，曝光度設置，特效設置等等。相應接口將配置好的寄存器列表通過IIC發(fā)送到sensor中。
3. 攝像頭調試中的幾個問題點：
1.1 是否正確上電，是否有時鐘波形輸出。? ? 檢測輸出電壓的電壓值是否和上電時序以及MCLK是否符合sensor的要求。這部分可以用示波器和萬用表測量。測量電壓值和上電時序以及MCLK的時鐘頻率是否正確。
1.2 IIC讀寫是否正常。調試CPU與ISP間的I2C通信。? ? 檢測包括IIC地址是否正確，協(xié)議是否匹配。這部分也可以用示波器測量IIC的SDA、CLK的峰值、波形邏輯是否正確。
1.3 正確上電并初始化以后sensor模塊是否正常工作。? ? 這部分主要通過用示波器測量MIPI線路的數(shù)據(jù)和時鐘PIN是否正確，它的波形是否含有數(shù)據(jù)，是否標準波形，峰值有沒有達到要求等。
1.4 如果以上都正確了以后，MIPI控制器將接收到中斷，并開始處理圖像信號。此時如果出錯，可以通過中斷信號的出錯值查看錯誤狀態(tài)。除CPU端是否正常初始化工作的問題外，需要關注模組端設置的圖像格式和CPU接收的默認圖像格式和圖像大?。⊿IZE）是否一致。模組中圖片格式和圖像大小通過寄存器值查看。CPU端接收圖片格式和圖像大小在HAL部分的s5k8aa中設置, 拍照源圖像大小和預覽源圖像大小需要分別設置。
以上部分完成后，攝像頭可以正確預覽。
編輯：黃飛
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工商網(wǎng)監(jiān)
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