題為ISP前傳,即正式開始研究ISP之前,我們不得不先得搞清楚的一些基礎概念:
ISP的傳統應用主要包括數碼相機和攝像機,而決定數碼相機與攝像機的成像質量的,除了圖像傳感器與ISP圖像處理芯片部分,最為重要的就是鏡頭部分。所謂玩單反窮三代,主要講的也是鏡頭部分的昂貴投入,并且不同焦距的鏡頭得換著伺候,更是望塵莫及。
在手機中,鏡頭也是影響成像質量最為重要的部件。當下阻礙手機越做越薄的關鍵,就是手機的鏡頭。甚至為了滿足不同焦距,不同光圈的拍照,以獲得更好的畫質以及拍攝體驗,手機開始集成了多個Sensor+配套鏡頭。如下是手機鏡頭的組成結構,主要由基板+圖像傳感器+650nm濾波片+光學鏡片組成。
對于我們草根來說,DIY設計或者產品定義,通常用不到手機這么復雜的鏡頭。如果不涉及Auto-Focus,那么鏡頭也沒有馬達部分,產品出廠的時候通過手動調焦后固定鏡頭部分,即可。針對這種設計及應用,我們該如何選擇圖像傳感器的鏡頭?
1.鏡頭座子選型
首先,手機攝像頭是通過在軟硬結合板上貼好傳感器后,再用膠鏡頭上去的,這種設計去定制生產,DIY太麻煩了(后面專門寫一篇文章講如何定制FPC模組)。我們常規的設計,就得在PCB上先留好鏡頭座的孔位(鏡頭裝在外殼的除外)。這里以如下圖,為20mm孔間距座子的PCB示意圖(思特威SC130GS):
鏡頭孔間距,是用來安裝鏡頭座子的。以M12鏡頭座為例,一般有18mm、20mm、22mm孔距,其中20mm最為常用。如下所示,為20mm M12鏡頭座的尺寸圖,我們主要關注固定孔間距以及邊框的尺寸(必須比Sensor大,否則就得換更大孔間距的座子)。
確定好了鏡頭座的固定孔尺寸(20mm),接下來就是鏡頭座子的選型。這里仍然以M12鏡頭座為例(CS類比),按照材料分有金屬以及塑料的鏡頭座。
這兩種材料的鏡頭也各有優缺點,對比如下:
1)塑膠座子:更輕、更便宜、不掉鐵屑;但容易擰歪,固定孔需要攻絲
2)金屬座子:精度更高、固定孔帶螺紋直接擰;但更貴,容易掉鐵屑
2.650nm濾波片的選擇
監控相機上有個重要的組件,要做IR-CUT,如下圖所示:
開始討論濾波片前,我們先看看傳感器在不同波段下的特性。以SC130GS彩色及黑白的光譜圖為例,如下所示:
可見SC130GS在350nm~950nm波段都可以接受光線,但是我們的人眼不行,人眼只能感受到650nm左右的波段(個別人除外),如下圖所示:
650nm后面,主要是紅色及紅外部分,此時綠色和藍色較弱,如果相機為了呈現人眼看到的景象,那么650n以上部分就是傳感器接收到的冗余的光線,因此也就會有了IR-CUT。IR-CUT在白天的時候打開,此時在鏡頭和Sensor之間加裝了650nm濾波片,有效濾除了冗余的紅色及紅外部分,盡可能地保持和人眼同樣的敏感程度。否則由于吸收了過多的紅外光,圖像容易偏紅,不太好做后續的圖像處理。
但是在夜晚,作為監控相機與生俱來背負的使命,就需要發揮價值了。晚上人眼看不到(動物除外),但為了更好的監控視覺,往往有850nm紅外補光,因此需要將IR-CUT關閉,此時Sensor感光全透,在850nm紅外光的作用下,可以看到人眼看不到的晚上。如下圖所示,為此刻的本人,雖然沒有開燈,但HK監控相機上的850nm補光后,客廳歷歷在目。
這里,我們得進一步解釋/提出3個問題:
1)如果是黑白相機,比如前面的SC130GS的光譜,始終只能看到黑白圖像,那么不需要650nm濾波片
2)紅外補光可以黑暗成像問題,但仍然是黑白成像,并且容易紅曝光
3)如何實現一個彩色低照度相機呢?有待后續我們深入研究!
再回到問題的源頭,我們如何加裝650nm濾波片呢?主要有以下幾個方法:
1)在鏡頭上貼650nm濾波片,如下(1)所示:
2)選擇集成了650nm的濾波片,如下(2)所示:
3)選擇IR-CUT鏡頭座,但需要額外電路控制
3.鏡頭選型
鏡頭的選型,一半依賴傳感器的尺寸,另一半根據需求來確定。傳感器的靶面,決定了我們能用多少靶面的鏡頭;而需要拍攝的距離,決定了我們鏡頭的焦距。最后,才是光圈、景深。
這里再舉一個例子,以思特威的SC2210為例子,其傳感器相關參數如下(左)所示:
由于傳感器的靶面為1/1.8'',那么我們至少得選擇1/1.8''的鏡頭,否則會導致4角不能正常成像;但如果選擇靶面過大的鏡頭(比如1寸),那么實際就中間部分有效,則容易導致成像角度過小。
另外,1/1.8寸常用的鏡頭為6mm,如果更短的焦距,則會有更大的畸變;那么如果沒有成熟的畸變矯正算法,則選擇6mm甚至以上的鏡頭更優。實際上能從淘寶上買到的1/1.8寸的鏡頭,幾乎也就是6mm的,我們設計的SC2210用的也是6mm焦距的鏡頭,SC2210模組及這款鏡頭的詳細參數,如下所示:
另外,這邊引入的話題就多了,待后續慢慢展開解釋,羅列如下:
1)FPGA畸變矯正算法,如何實現
2)如何根據靶面及焦距,計算視場角及拍攝距離
參考內容:無,online天馬行空!
PS:原本只想簡簡單單講一下鏡頭選型,但往往為了講一個問題,會引入更多的問題,這就是寫文章最可怕的地方
PS:夜深人靜,沒有嘈雜的打擾,愿這份寧靜,可以一直堅持下去。
審核編輯:湯梓紅
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原文標題:【ISP前傳1】草根DIY攝像頭,該如何選鏡頭?
文章出處:【微信號:瘋狂的FPGA,微信公眾號:瘋狂的FPGA】歡迎添加關注!文章轉載請注明出處。
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