相機鏡頭變焦與對焦概念

定義

焦點：相機的鏡頭是一組透鏡，當平行光線穿過透鏡時，會匯聚到一點上，這個點叫做焦點。

焦距：從光心（凸透鏡的中心）到焦點的距離，用"f"表示。

定焦鏡頭：焦距固定的鏡頭，即定焦鏡頭。

變焦鏡頭：焦距可以調節(jié)變化的鏡頭，即變焦鏡頭。

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詳 解 變 焦 原 理

通常指通過移動鏡頭內的透鏡鏡片位置來拉長或縮短焦距，也叫ZOOM。改變鏡頭的焦距，從而造成視角或圖像大小的變化，獲取拉近或拉遠的效果。焦距越長，視角越窄，畫面中能容納的景象就少，畫面看起來越近。焦距越短，視角越大，畫面中能容納的景物就多，畫面看起來較遠。

變焦目前可以分為光學變焦和數(shù)字變焦兩種類型

①光學變焦：通過移動鏡頭內部鏡片的相對位置來改變焦點的位置，改變鏡頭焦距的長短，并改變鏡頭的視角大小，從而實現(xiàn)影像的放大與縮小。如果被拍攝的物體位置保持不變，鏡頭的焦距與物體的放大倍率會呈現(xiàn)正比例的關系，如果要用一個詞來形容光學變焦的話，那就是“望遠鏡”。(成像面水平方向移動)

②數(shù)字變焦：通過可拍照手機處理器，把圖片內的每個像素面積增大，從而達到放大的目的，就像我們在ACDSEE等圖像處理軟件中，強行拉大圖像的像素一樣，只不過這個過程在手機中進行，把原來SENSOR上的一部分像素使用插值手段進行放大。與光學變焦不同的是，數(shù)碼變焦是在SENSOR垂直方向上的變化，而給人以變焦效果的。由于整個過程焦距沒有任何變化，所以圖像質量是會隨著放大比例的增加，逐漸下降。(成像面垂直方向縮放)

數(shù)字變焦也可以分為插值算法變焦和偽數(shù)字變焦兩種

插值算法變焦：對圖像進行插值運算，將圖像的尺寸擴大到所需的規(guī)格，這種算法就其效果而言，并不理想，尤其是當使用在手機上的時候，手機上的攝像頭本身得到的數(shù)據(jù)就有較大的噪聲，再插值的話，得到的圖像幾乎沒法使用。

偽數(shù)字變焦：當攝像頭不處在最大分辨率格式的情況下，比如130 萬像素的 sensor 使用 640*480 的規(guī)格拍照時，仍舊設置 sersor 工作在 1280*960 的分辨率下，而后通過采集中央部分的圖像來獲取 640*480 的照片，使得在手機上看來所拍物體尺寸被放大了一倍。這種辦法幾乎不需要額外的算法支持，對圖像質量也沒有影

響，缺點是只有小尺寸情況下可以采用。

結論：光學變焦不會犧牲清晰度、數(shù)字變焦顯著犧牲清晰度

詳 解 對 焦 原 理

其實并不是改變鏡頭的焦距，而是改變像距，調整成像面和鏡頭距離，使成像面到光心的距離等于像距，使物體可以清晰的成像到膠片（感光元件）上。調整相機使被攝體成清晰的像的過程，就是調焦（對焦）過程。成像位置位于透鏡1倍焦距之外、2倍焦距之內，并且成像位置即是感光元件CCD/CMOS所在的位置，這時成像非常清晰。如果成像位置偏離了感光元件CCD/CMOS所在的平面，這時成像變得非常虛，比較模糊，即出現(xiàn)攝影時的對焦不準現(xiàn)象。

對焦實際上是調整整個鏡頭的位置(而不是鏡頭內的鏡片)的位置，來控制像距，從而使成像最清晰。

對焦分類

手動對焦：通過手工轉動對焦環(huán)來調節(jié)相機鏡頭從而使拍攝出來的照片清晰的一種對焦方式。

自動對焦：由照相機根據(jù)被攝體距離的遠近，自動地調節(jié)鏡頭的對焦距離。

多點對焦：也叫區(qū)域對焦，當對焦中心不設置在圖片中心的時候，可以使用多點對焦。常見的多點對焦為5點，7點和9點對焦。

以下為大家詳細介紹自動對焦的原理

自動對焦（Auto Focus，簡稱AF）是一個復雜的光電一體化過程，主要可以實現(xiàn)三個功能：一是自動判斷所拍攝的主體，二是測量被攝主體與相機感光元器件之間的距離，三是驅動馬達將鏡頭的對焦裝置推到與之相應的距離刻度。

自動對焦按照是否主動測量合焦距離分為以下兩種：

（1）主動式：激光對焦、TOF對焦等

優(yōu)勢：低反差、弱光線、細線條、運動物體

劣勢：當被攝物體能吸收光波時、光波被玻璃反射等場景不能對焦到正確物體上。

（2）被動式：相位對焦、反差對焦等

優(yōu)勢：自身無發(fā)射系統(tǒng)，耗能少，小型化、逆光場景等

劣勢：細線條、弱光下、偏光物體、運動物體

反差對焦（CDAF）

• 概念：反差對焦（Contrast Detection Auto Focus，簡稱CDAF），又稱對比度對焦，是目前普及率最高、使用最廣泛、成本相對較低的自動對焦技術。

• 原理和過程：反差對焦是一個反復迭代逐漸收斂的過程，即一個簡單的求最大值的過程，反差對焦類似手動調焦的過程：模糊-清晰-模糊，然后逐漸平衡到一個最清晰的位置(計算反差度—>移動鏡頭、比較反差度—>直到反差度最大)。

• 對焦步驟

  （1）未合焦狀態(tài)：此時圖像處于虛焦狀態(tài)（2）對焦開始狀態(tài)：鏡頭開始移動，畫面逐漸清晰，對比度開始上升

  （3）合焦狀態(tài)：對比度最高，畫面最清晰，繼續(xù)移動鏡頭

  （4）繼續(xù)移動鏡頭發(fā)現(xiàn)對比度開始下降，錯過焦點

  （5）鏡頭回退至對比度最高的位置，完成對焦

• 優(yōu)點：

  （1）物理成本低

  （2）無單獨的子系統(tǒng)，不占用獨立的空間（3）對焦精度高

• 缺點：對焦耗時會比較長，在純色或者反差不明顯的場景，對焦時間過長或精度低

• 難點：反差對焦處理方式很簡單，而且對處理器性能要求也不高，那為什么不同相機的反差對焦的效果差異那么大呢？反差對焦要不斷的篩選，需要以下兩個條件：一是降低序列圖像的規(guī)模，減小對比次數(shù)；另一個是更加快速密集的數(shù)據(jù)源，讓數(shù)據(jù)提供變得更快。

• 影響性能的因素如下：

  （1）感光器的采樣幀率：采樣幀率，也稱為實時刷新率，這是反差對焦性能不佳的關鍵原因。

  （2）鏡頭的采樣幀率：鏡頭也有采樣幀率的概念，一般也用FPS表示。步進馬達和鏡頭的協(xié)調工作更好地提高反差對焦性能。

  （3）算法優(yōu)劣的影響：有了密集的高頻數(shù)據(jù)源，不等于對焦速度會有絕對提升，還需要良好的算法支持。

相位對焦（PDAF）

• 概念：相位對焦（Phase Detection Auto Focus，簡稱PDAF），全稱是“相位檢測自動對焦”

• 原理和過程：在整體相位檢測焦點位置之后，鏡頭驅動模塊會將鏡片組進行移動合焦，因此耗時更少。

  PDAF sensor的一種實現(xiàn)如下，在CMOS上面一半的位置加了金屬遮蓋，從像素傳感器上找出成對像素點，通過相位差檢測，找出準確的對焦點，馬達一次將鏡片推動到相應位置完成對焦。

• 優(yōu)點：一半計算一次即可完成對焦，馬達移動距離更短。

• 缺點：專用PDAF sensor，暗環(huán)境效果差。

激光對焦（LDAF）

• 概念：激光對焦（Laser Detection Auto Focus，簡稱LDAF），也稱為測距式對焦。

• 原理和過程：激光對焦是通過單獨的紅外激光傳感器向被攝物體發(fā)射低功率紅外激光，經(jīng)過反射后被傳感器接收，在計算出被攝物體之間的距離之后，對焦馬達便會將鏡片組驅動到相應位置完成對焦。

• 優(yōu)點：暗環(huán)境、文理不明顯的純色區(qū)域

• 缺點：對焦距離有限，距離遠的主體對焦效果差

TOF對焦是一種激光對焦方法，TOF是飛行時間（Time of Flight）技術的縮寫，即傳感器發(fā)射紅外光，經(jīng)被攝物體反射后，傳感器通過計算光線發(fā)射和反射時間差或相位差，來換算被拍攝景物的距離。

TOF對焦通過TOF傳感器的自動對焦系統(tǒng)，檢測物體與相機之間的距離來進行對焦

• 優(yōu)點：計算一次即可完成對焦，降低處理器計算負擔，降低了背景光的干擾。

• 缺點：物理器件性能要求很高，時間測量精度要求高

相機成像的原理

被攝景物反射出的光線通過照相鏡頭（攝景物鏡）和控制曝光量的快門聚焦后，被攝景物在暗箱內的感光材料上形成潛像，經(jīng)沖洗處理（即顯影、定影）構成永久性的影像（百度百科）。傳統(tǒng)膠片相機的感光材料為膠卷，現(xiàn)代數(shù)碼相機的感光原件一般為CMOS傳感器。它的尺寸一定程度上決定了成像質量，所以是很多相機/手機廠商宣傳的重點，比如坊間經(jīng)常聽到的“一英寸大底”，“底大一級壓死人”等等。

當一束與凸透鏡的主軸平行的光穿過凸透鏡時，在凸透鏡的另一側會被凸透鏡匯聚成一點，這一點叫做焦點，焦點到凸透鏡光心的距離就叫這個凸透鏡的焦距。一個凸透鏡的兩側各有一個焦點。

理論上只有處于鏡頭焦點距離的景物是成像清晰的，而在焦點前后，光線開始聚焦和擴散，成像變的模糊，成像點形成一個擴大的圓：彌散圓(circle of confusion)，而人眼的分辨能力有限，只有當彌散圓直徑大到一定程度，我們才感覺到模糊，比如圖 1的草地看起來中間一段都是清晰的，通俗的說，這一段“看起來清晰”的距離就是景深(Depth of Field)。
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圖?1 草地上看起來清晰的一段距離就是 景深

在焦點前后各有一個容許彌散圓，這兩個彌散圓之間的距離稱為焦深，對應在被拍攝點處即為景深，換言之，被攝物體前后景深距離內，呈現(xiàn)在成像平面上的影像模糊度都在容許彌散圓的限定范圍內。小孔成像模型示意圖如圖 2所示。

相機的基本原理

一、獲取圖像

1、小孔成像

要講清楚攝像頭成像的原理，就得介紹下小孔成像的原理。
中國春秋時代的墨子，發(fā)現(xiàn)在一間黑暗的屋子朝陽的墻上開一個小孔，人對著小孔站在屋外，屋里相對的墻上就會出現(xiàn)一個倒立的人影，這就是全世界最早關于小孔成像的記載。

小孔成像實驗中，點燃蠟燭，會在小孔另一面的白紙上看到一個倒立的燭焰。

此現(xiàn)象可以用來解釋物理學原理：光在同種均勻介質中，在不受引力作用干擾的情況下沿直線傳播。

這樣，我們就用一種最簡單的方法在白紙上獲得了蠟燭燭焰的圖像。

2、凸透鏡

?把天空搬進房間，這就是理科生的浪漫嗎？【小孔成像】_嗶哩嗶哩_bilibili，一個B站的UP主的視頻 ，很有藝術浪漫細胞哦，想到了使用小孔成像的原理，將窗外的風景搬入室內。
她是怎么做到的呢 ? 其實也就是把窗戶全部用錫紙包住，只留一個小孔，這樣室外的風景就會倒立這投影到房間里的白墻上了，不過這樣投出的畫面會很暗淡。(因為光線不足)

這時候就需要使用到凸透鏡了，凸透鏡具有聚攏光線的效果，它既可以收集足夠多的入射光線，又可以讓出射光線集中的打在屏幕上。

所以只要選擇合適焦距的凸透鏡，就可以讓窗外的風景清晰地投屏到白墻上了。
手機攝像頭成像的原理也類似的

二、捕獲圖像——底片原理

如果將小孔成像實驗中的白紙換為底片（膠片），就可以將蠟燭燭焰的圖像記錄下來。

膠片的全稱為銀鹽感光膠片，也叫菲林，原理是將鹵化銀涂抹在乙酸片基上，當有光線照射到鹵化銀上時，鹵化銀轉變?yōu)楹谏你y，經(jīng)顯影工藝后固定于片基，成為我們常見到黑白負片，而彩色負片則是涂抹了三層鹵化銀以表現(xiàn)三原色。

這樣一個最簡單的照相機就誕生了。

三、聚焦成像——凸透鏡的成像原理

小孔成像實驗中，蠟燭自身是強光源，才能透過小孔在白紙上成像，所以該種方式對光源的要求極高，在日常生活中，我們不可能像蠟燭一樣點亮自己，更多的是靠太陽光進行漫反射。

凸透鏡可以改變光線折射率，對光線進行聚焦成像，凸透鏡的成像原理如下：

1. 焦距
焦距是指平行光線通過鏡頭匯聚到一點，這一點到鏡頭中心的距離稱為焦距，也就是上圖中的F。

2. 凸透鏡成像規(guī)律的應用
首先需要知道什么是物距？什么是相距？物距指的是上圖中左邊物體與鏡頭的距離，記作u uu，相距指的是上圖中右邊成像與鏡頭的距離，記作v vv。

（1）照相機

成像規(guī)律：當物體處于凸透鏡的2倍焦距之外（u > 2 F u>2Fu>2F），成倒立的、縮小的、實像，成像位于一倍焦距和二倍焦距之間（f < v < 2 F f<v<2Ff<v<2F）

根據(jù)此成像規(guī)律，可以將凸透鏡應用于照相機，拍攝2倍焦距之外的物體。

（2）投影儀

成像規(guī)律：當物體處于凸透鏡的1倍焦距和2倍焦距之間（F < u < 2 F F<u<2FF<u<2F），成倒立的、放大的、實像，成像位于二倍焦距之外（v > 2 F v>2Fv>2F）

根據(jù)此成像規(guī)律，可以將凸透鏡應用于投影儀，放大在1倍焦距和2倍焦距之間的物體成像。

（3）放大鏡

成像規(guī)律：當物體處于凸透鏡的1倍焦距之內（u < F u<Fu<F），成正立的、放大的、虛像，并且物體和成像在凸透鏡的同一側。

根據(jù)此成像規(guī)律，可以將凸透鏡應用于放大鏡，放大在1倍焦距之內的物體成像。

3. 焦距與視角的關系
視角的專業(yè)名詞叫視場角（Field of view），簡稱FOV，指照相機最終能成像的角度范圍。

視角與焦距之間的關系如下圖：

圖中f ff是焦距，h hh是感光元件的長度，可以近似得出焦距與FOV角度的關系：

得出結論：當f越小，F(xiàn)OV越大，即焦距越小，成像角度范圍越大。

鏡頭的焦距和視角對應情況如下：

不同焦距的鏡頭拍攝出的實際成像區(qū)別如下：

一般情況下，相機鏡頭可以按視角分為

魚眼鏡頭：焦距為16mm或更短，視角范圍極廣，接近180°
超廣角鏡頭：24mm以下
廣角鏡頭：24-35mm，視角范圍廣，景物個體小
標準鏡頭：35-85mm，視角接近于人類的視野
遠攝鏡頭：85-300mm，視角范圍窄，景物個體大
超遠攝鏡頭：300mm以上
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四、數(shù)字圖像——感光元件（sensor）

膠片的原理是通過光產(chǎn)生化學反應來記錄，而感光元件的原理將光轉化為模擬電信號來記錄，感光元件使得照相機從傳統(tǒng)的膠片相機變?yōu)閿?shù)碼相機。

感光元件產(chǎn)生的模擬信號，首先經(jīng)過模擬信號放大器進行信號放大，進而經(jīng)過數(shù)模轉換電路（DAC）變?yōu)閿?shù)字圖像，數(shù)字圖像再經(jīng)過ISP（Image Signal Processor）圖像處理器進行數(shù)字圖像處理，最后數(shù)字圖像經(jīng)過壓縮編碼算法，存儲到SD卡中成為一個照片文件。

感光元件也叫圖像傳感器（sensor），分為兩種：一種是廣泛使用的CCD(電荷耦合)元件，另一種是CMOS(互補金屬氧化物半導體)器件。

1. CCD

CCD全稱Charge Coupled Device，它使用一種高感光度的半導體材料制成，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，即把光轉換為電荷，所有的感光單位所產(chǎn)生的信號加在一起，就構成了一幅完整的畫面。

2. CMOS

CMOS全稱Complementary Metal-Oxide Semiconductor，它主要是利用硅和鍺這兩種元素所做成的半導體，使其在CMOS上共存著N極和P極的半導體，這兩個互補效應所產(chǎn)生的電流即可被處理芯片記錄為影像。

兩者最主要的區(qū)別在于：CCD傳感器的圖像質量優(yōu)于CMOS傳感器，而CMOS傳感器在成像速度、功耗、價格等方面優(yōu)于CCD傳感器。

CMOS圖像傳感器用來接收光信號，并轉化為電信號，再通過內部的ADC轉化為數(shù)字信號

2.1 微透鏡

在彩色濾鏡陣列(CFA)的上方，用來把光線聚集到每一個像素點上，每一個像素點上方都有一個微透鏡，6400萬像素就有6400萬個微透鏡，1億像素就有1億個微透鏡

2.2 彩色濾鏡陣列 (CFA)

CFA的作用就是賦予圖像顏色，陽光通過CFA的某個像素的時候，只有對應顏色(紅/綠/藍)的光線才能進入。
一般用的就是拜耳(Bayer) 陣列 (RGGB 排列)，由于人眼對于綠色更敏感，所以有兩個綠色像素，紅色和藍色像素各占一個。

當然也有其他的排列，比如華為和特斯拉就用的RYYB排列，這樣做的好處是進光量更大，在同等條件下夜晚拍照會更清晰。
但是存在一個問題，就是需要多一步將黃色的光再分解為紅色和綠色，這導致照片會容易出現(xiàn)偏色問題，后期算法層面需要進行更多的優(yōu)化。

2.3 像素陣列

也就是光電二極管(photodiode)，它收集著光子，并將其轉化為電子。
一個光電二極管，就代表著一個像素，是照片上最小的成像單元，一般用微米(um)來表示它的大小，比如0.8um

2.4 ADC 模數(shù)轉換器

負責將電子信號轉化為數(shù)字信號

2.5. 拓展知識

CMOS圖像傳感器的結構

CMOS圖像傳感器結構有前罩式，被罩式，以及堆棧式。

前罩式 : 比較浪費光線
被罩式 : 電路層移到了光電二極管的下面，光線利用率高
堆棧式 : 本質也是被罩式圖像傳感器，但多加入了一層DRAM，這樣手機才能去拍攝超級慢動作

怎么評價圖像傳感器的好壞
信噪比 = 有用信號 / 噪聲，信噪比越高，就意味著畫質越好，越純凈。
信噪比越低，整個畫面就會看上去有很多的噪點。

除此之外，還有三個對成像質量有影響的點

清晰度 : 像素越高越清晰 (前提是信噪比高才有用)
寬容度 (動態(tài)范圍) : 相機所能記錄最亮與最暗的入射光亮度之比，動態(tài)范圍越高，拍攝的明暗層次越多，細節(jié)也更多；一般單像素面積越大，動態(tài)范圍越大。
感光能力 : 圖像傳感器的尺寸越大，感光能力越強，在暗光環(huán)境下，畫質更好

五、 ISP圖像信號處理

一般ISP也集成在CMOS中，并不是每一個圖像傳感器(CMOS)都自帶ISP，隨著現(xiàn)在的手機攝像越來越往計算攝影去發(fā)展，這個處理過程也更多的被放在SoC級的ISP上進行。

ISP，主要用來對前端圖像傳感器(CMOS)輸出的信號做后期處理，主要功能有去馬賽克(也叫反馬賽克 ，demosaicing，由于每個像素點經(jīng)過CFA后只能感應到一種顏色，所以需要通過該像素周圍像素來預測出該點的插補值)、自動對焦(協(xié)同對焦馬達)、曝光、白平衡、校正鏡頭缺陷、焦躁、HDR、格式轉換等功能。

具體功能有 : 黑電平校正(BLC)、鏡頭陰影校正(LSC)、壞點校正(DPC)、顏色插值(Demosaic)、自動白平衡 (AWB)、顏色校正 (CCM)、彩色空間轉換 (CSC)、Gammma校正 (Gamma Correction) 、寬動態(tài) (WDR) 、多幀降噪 (3DNR)、銳化 (Sharp)、自動曝光 (AE)等。
ISP中的模塊有IFE、BPS、IPE，JPEG等，其中JPEG會將數(shù)據(jù)進行jpeg編碼工作。
顏色插值功能是去馬賽克的一種方法。
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六、手機相機拍照過程

手機相機的鏈路

先來整體看一下手機相機的鏈路，總共有5步，本篇文章會針對前3部分(硬件部分)進行講解 :

Camera Lens : 手機相機鏡頭，光線通過透鏡，到達COMS圖像傳感器
Image Sensor : CMOS圖像傳感器會將光信號轉化為電信號，再通過內部的ADC轉化為數(shù)字信號
ISP : 數(shù)字信號會傳輸給ISP進行處理，主要進行矯正、白平衡、曝光控制等
SOC : 這一步就在應用層了(比如App)，通過CPU和GPU對圖像數(shù)據(jù)進行后處理，比如添加濾鏡等操作
Display : 最終將圖像數(shù)據(jù)顯示到屏幕上

Camera Lens手機鏡頭示意圖：

文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-774926.html

到了這里，關于簡述相機鏡頭變焦與對焦、成像的原理的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內容，請在右上角搜索TOY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！