手机摄像头评估方法探讨

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   手机摄像头评估方法探讨
一直从各种渠道看到各种人士对手机的各种评测文章,有时心里也痒痒的,其实在硬件测试这块,我也算是个业内人士了,不找机会插一脚实在有点赶不上形式了.以前老写关于集成电路测试方面的文章,这次想换换口味,写一点关于硬件设备模组的评测技术文章.想了半天,觉得还是从自己比较熟悉的摄像头模组入手吧。  
  前面看了很多别的手机行业的人士做的手机摄像头的评测文章,发现最大的一个问题是,目前摄像头模组的特性测试似乎根本没有一个客观标准的方法和流程.几乎所有人的方法都是拿某款或某几款手机在一定条件下拍摄上几幅照片,然后完全靠个人的主观感受来点评硬件性能.这些方法从专业角度来看显然是完全不靠谱的.这种靠实拍照片主观判断的方法无论在测试条件的稳定性上还是评测标准的客观精准性上都完全不可控,几乎没有太多参考意义可言。
　　所以,我们要对摄像头模组进行评测的话,必须依靠完全客观的方式及标准.具体来说,这包括两个方面:
　　1) 标准且可稳定再现的拍摄环境. 拍摄环境主要包括光源和被拍摄物体.光源必须采用专业的灯箱确保亮度,色温,显色指数等等一系列的指标都是可控可调节并稳定再现的.摄像头拍摄效果随光源变化的结果差异极大.如果光源条件不稳定,则所有效果的评测数据都不具备实际意义.另一方面是,被拍摄物体,通常是利用白板和专业色卡等物品作为拍摄目标,结合稳定的光源,就可以提供稳定的图像源。
　　2) 还有就是标准的算法.所有的对图像的主观评测都是不可靠的.评测必须以客观的算法为依据,对图像进行严格分析,提供直接定量的数据结果。
　　那么针对普通民用手机摄像头具体应该评测哪些项目呢?要回答这个问题,首先我们需要了解下收集摄像头模组的基本构成.一个典型的手机摄像头包括光学镜头,CMOS图像传感器芯片,以及图像型号处理芯片(ISP).一般非专业应用不需要获取RAW数据的话,ISP芯片往往可以最大幅度地优化照片的效果,掩盖或修正一些原始图像的问题.所以,我对于摄像头模组的评测主要是针对那些ISP芯片无法修正的问题进行评测。
　　在这里需要牢记几个原则,如果信号或信息发生偏移或变化,我们都可以通过算化进行纠正,但是一旦信息丢失则很难完全找回;另一方面,一旦随机噪声被引入信号,则很难被消除.我们的测试也是要基于这些原则展开。
　　首先是要评测三原色通道的面内一致性问题.这一评测方法通常是在特定光源条件下,对标准的白板进行拍摄,确保整个图面内亮度尽可能一致.在这种情况下,我们就可以分析三原色在面内的亮度分布是否一致,如果不一致甚至差异很大,那就说明摄像头拍摄效果会有偏色,结果就是图片内区域性的发生色彩偏红偏绿等问题.一般来讲,由于光学镜头和CMOS图像传感器芯片的物理特性,蓝色的亮度分布最容易偏离,其次是红色,绿色相对较稳定。
　　不过问题是,一般除非是相机出现大问题,按上述条件拍摄的照片就是一片白色图像,肉眼较难看清色差,即使能看到也很难定量判断;而且肉眼观察必然受到显示设备本身的巨大影响,无法作出客观结论.所以,必须将图像像素三原色的数据阵列提取后,分别计算通过软件工具进行定量计算。
　　另一个是图像亮度分布问题.很多人不知道,其实由于摄像头镜头的物理特性, CMOS图像传感器实际拍摄到的图像是中间亮四角暗的(具体原理我在这里就不解释了).所以, 传感器内部可以通过设置进行四角的亮度补偿.但这种补偿系数不是固定一成不变的,配合不同镜头,补偿的方式和系数都不一样.这需要在手机设计阶段由图像传感器供应商的FAE配合收集原厂进行严格的校准.如果校准不严格,或者产品稳定性差,那实际拍摄的图像都会发生四角和中心亮度不一致的问题.这种问题,也需要通过拍摄白板照片的方式用工具进行计算。
　　还有一个就是分辨率的问题.每款手机都会标出自己摄像头的分辨率,很多用户也一直以为分辨率一定是越大越好,其实这是个很大的误区.很多手机摄像头的实际分辨率效果远远达不到标称分辨率.一个质量低下的摄像头模组即时标称8M,其实也只是能提供你一张8M数据量的图片,但其实际达到的效果可能连其它5M的效果都不如.所以,我们很有必要对摄像头的实际分辨率效果进行评测.通常,方法是在标准的光源条件下,对标准的评测图板进行拍摄.评测用图板上有各种标准黑白图案,包括交替的黑白线条.这样,我们就可以利用工具去判断效果.但是,工具的算法需要仔细考虑,因为有的工具只是简单的计数灰色像素的比例来估算实际分辨率,这往往容易被作弊.通过修改GAMMA曲线提升对比度的方法,我们可以人为降低图像里中间亮度像素的比例来提高评测结果数据,但这会牺牲照片的亮度动态范围,是不可取的作弊行为.所以,更好的算法应该是基于傅利叶变换的频谱分析来计算实际分辨率.同时,也必须通过灰度色板来确认实际的亮度动态范围进行对比确认。
　　最后一个重要指标就是噪声.这个其实是所有项目里最不容易复现和控制的了.因为测试环境一旦有任何干扰,环境产生的额外噪声都很容易叠加到摄像头模组本身的噪声里去,从而影响测试结果.一般建议还是利用白板拍摄的图片进行确认.一方面需要将图片分割成小块进行一一计算以避免亮度分布变化的影响;另一方面,为减小环境条件的干扰,可以采用和标准摄像头之间进行比较差值的方式确认本征噪声.具体方法和算法,我就不在这里详细讨论了。
　　以上只是我个人对摄像头模组评测提出的一些通用的方法.实际的需求千差万别,导致评测方法众多,我在这里只是抛砖引玉一下.总而言之,硬件的性能评测试是一个非常严谨的技术工作,我们以后还有很多的问题需要探索。