智能手機攝像頭基本原理（一）

原本我打算圍繞攝像頭效果的基本概念一個個介紹它們的概念和基本邏輯，但是介於時間有限，並且各位大都不是相關從業人員，太過注重於技術細節可能沒有太多意義。

所以，今天的培訓將主要是圍繞一個核心問題展開，即到底什麼是攝像頭效果。接下來的時間，我會盡量用通俗易懂的話來解釋什麼是攝像頭效果、調試攝像頭的意義以及我的具體工作是什麼。

我們知道，目前使用的手機攝像頭都是源於數碼相機，它們其實都是仿生學的產物，數碼攝像頭就是對人眼的模擬。正常人眼可以看清不同距離的物體，適應夜晚和白天的亮度，並且可以看到五顏六色的東西。因此，為了有效模仿人眼，數碼攝像頭最終要的目標就是做到三點：看遠近，辨明暗，識色彩。

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舉例來說，排除近視等情況，正常人眼都具有看遠景和看近景的能力，對應的相機能力就是對焦，數碼攝像機仿照人眼的對焦方法，通過改變焦距來實現遠近景物之間的切換。

相機與眼球結構對比

通過上圖可見，攝像頭的前玻璃，俗稱lens對應了眼睛的晶狀體，攝像頭的感光元件，俗稱sensor對應了人眼的視網膜。為了仿照眼睛的對焦，數碼相機里就有了一個AF自動對焦的概念，目的就是讓數碼攝像頭能對場景中的物體實現實時的自動對焦。

在物理的光學上概念上，改變最佳成像距離的方法一般有兩種：改變透鏡的焦距或者改變透鏡到感官元件的距離。數碼相機就是使用馬達來控制透鏡lens和感光sensor之間的距離實現對焦的。

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說完如何實現遠近，接下來需要讓數碼攝像頭能夠分辨明暗。大家應該都有過這樣的經驗，晴天早上起床拉開窗帘，都會覺得很刺眼，但是過一小會兒，就能適應這個亮度。能夠快速切換明暗就要歸功於人眼的瞳孔，通過收縮和放大瞳孔就能夠控制進光量，來適應不同的亮度環境。一般高端的單反相機都有一個光圈的概念，其實就是把瞳孔的功能遷移到相機上。

但我們手機上的攝像頭由於成本、體積以及工藝等問題都沒有把實體光圈集成進去。

實際上是通過數字信號處理的方法實現的，由於亮度在電子感光器件上的反應就是一堆數字，數字越大，亮度越大，那麼在攝像頭髮現環境比較暗的情況，就可以把亮度數據乘以一個較大的係數來提亮，這個概念就是數字增益Gain，在數碼攝像頭的使用的時候就是ISO這個概念，ISO越大，數字提亮越大。

還有一個方法可以控制亮度就是，感光器件sensor感受亮度的時間，當時間越長圖片也會越亮，也就是俗稱的曝光時間。當環境亮度不一樣的時候，數碼相機就可以通過調節曝光時間和數字亮度增益來實現照片亮度的調節，它們就一起構成了數碼相機的自動曝光功能AE。

大家也都對過曝，或者亮度太暗有直觀的感受，這些都是AE需要解決的問題。

此外，還要說一下HDR模式的概念。PPT後邊的圖就是所謂的HDR模式對比。人眼的偏好就是看清楚場景內所有的東西，但有時候將場景內亮暗差異比較大，大腦會自動調節不同區域的亮度，形成一個比較舒服的亮度。但計算機和數字是線性的，不可能和人腦一樣。為了拉亮暗區亮的太亮，和為了平衡天空又出現暗的太暗的情況。

為了解決亮暗場景同時出現的情況，就在存在了一個HDR模式。手機通過符合人眼的感受進行後期處理，能夠同時看到亮的和暗的區域。我們也一般把看的到的區域越大，叫做動態範圍越大。

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最後，數碼相機還要學人眼最難的一個東西就是識色彩，為什麼說識色彩可能是最難的呢？主要的原因是，我們人眼有一個極其強大的後台處理器——人腦。而數碼相機只有一個ISP處理晶元，它必須嘗試學習大腦還原各種場景下物體本來的顏色。

其實，我們生活中的一個物體的本來顏色和看到的顏色並不一定是一樣的。主要原因是，我們生活中的環境光源是多變的，哪怕是自然光，上午的陽光、中午的陽光以及傍晚的陽光顏色其實也是不一樣的。

在工程中，一般會對常見的各種顏色的光源做色溫定義，色溫值越高顏色越藍，色溫越低顏色越黃越紅。

為了還原不同顏色光源下的色彩，就會引入一個概念就是白平衡。通過黑白灰這些中性的顏色來校正環境光顏色的干擾。由於白平衡概念比較複雜，這邊不進行展開。

不過，我們可以通過識顏色這個問題，引出了數碼攝像頭最後一個放生功能——自動白平衡的功能，俗稱AWB。白平衡弄的不好，會直接影響照片的直觀感受。因此，它非常重要。

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說道最後，我們總結一下

其實，數碼相機就是模仿人眼實現：看遠近，辨明暗，識色彩 這三個核心功能的。在數碼相機中對應了自動對焦AF,自動曝光AE，以及自動白平衡AWB三個功能，以上的三個核心概念就是攝像頭工程師唱說的3A。

一般來說了，數碼攝像頭通過對應的3A演算法實現上述的功能。但是演算法只是工具，不同模組和不同的硬體存在個體性差異，因此具體代碼的校準和實現就是效果工程師的工作。

當然，畢竟數碼攝像頭是電子設備，在通過3A來模擬人類眼球時，它本身也會引入很多副產品。比如雜訊，比如亮度不一致等問題。

因此，實現攝像頭的整體效果最優是一個複雜的系統工程。由於很多情況是互斥的，這個工作更像是控制各方面的平衡的過程，而不可能做到完全規避掉問題。所有，攝像頭效果可能不存在什麼完全解除故障，只存在更多的優化。