Kako narediti pametni telefon z dvojno kamero
Izdelava pametnega telefona z dvojno kamero ni preprost projekt, kot je sestavljanje domačega računalnika. Gre za multidisciplinarno prizadevanje, ki združuje industrijsko oblikovanje, elektroniko, optiko, obdelavo slik, sistemsko programsko opremo (vdelano programsko opremo/OS), proizvodnjo in testiranje kakovosti. Vendar pa vam lahko razumevanje procesa pomaga razumeti, kako so sodobni telefoni zasnovani in izdelani – ter tehnične odločitve, ki stojijo za funkcijo dvojne kamere.
Ta članek obravnava glavne korake ustvarjanja pametnega telefona z dvojno kamero z vidika koncepta, komponent, integracije in testiranja.
-
1. Določite namen dvojne kamere
Prvi korak je opredeliti, zakaj ima pametni telefon dve kameri. »Dvojna kamera« lahko pomeni več različnih konfiguracij, na primer:
1. Širokokotni + ultraširokokotni: glavni fotoaparat za običajne fotografije in ultraširokokotni za širši kot gledanja.
2. Širokokotni + teleobjektiv: glavna kamera in kamera z optičnim zoomom (2x/3x).
3. Širokokotni + globinski senzor: druga kamera pomaga pri merjenju globine za učinke bokeh (portret).
4. Širokokotni + enobarvni: enobarvni fotoaparat izboljša podrobnosti in delovanje pri šibki svetlobi.
Ta cilj bo določil izbiro senzorja, objektiva, razdalje med kamerami (osnovna vrednost), zahtev glede obdelave in algoritma za združevanje slik.
-
2. Izbira platforme SoC in ponudnika internetnih storitev
Sodobni pametni telefoni se zanašajo na SoC-je (sistem na čipu), kot so Qualcomm Snapdragon, MediaTek Dimensity/Helio, Samsung Exynos ali Unisoc. Ključna komponenta za kamero je ISP (procesor slikovnih signalov), ki je običajno integriran v SoC.
Pri izbiri SoC upoštevajte:
– Podpora za število kamer (dvojne/trojne) in pasovno širino podatkovne poti.
– Največja ločljivost, podprta za dve kameri hkrati.
– Podpira funkcije, kot so HDR, zmanjševanje šuma v več sličicah in računalniška fotografija.
– Razpoložljivost gonilnikov in podpore prodajalcev za izbrani senzor kamere.
Brez ustreznega ponudnika internetnih storitev bosta imeli dvojni kameri težave s stabilnim delovanjem, zlasti v načinih, kot so portret, nočni način in video.
-
3. Določite senzor kamere in objektiv
Dve kameri pomenita vsaj dva senzorja in dve leči, poleg tega pa še mehanski modul in fleksibilen kabel (flex).
Pogoste stvari, ki jih je treba upoštevati:
– Velikost senzorja (npr. 1/1.56″, 1/2.0″): večji kot je, boljši je slabši svetlobni pogoji.
– Velikost slikovnih pik (npr. 0.8 µm, 1.0 µm, 1.4 µm) in podpora za združevanje slikovnih pik.
– Zaslonka objektiva (npr. f/1.8): vpliva na količino svetlobe.
– Goriščna razdalja in vidno polje (FOV): pomembni za širokokotni in ultraširokokotni objektiv.
– OIS/EIS: optična stabilizacija (OIS) je bolj zapletena, vendar resnično izboljša kakovost fotografij/videoposnetkov.
Pri konfiguracijah širokokotnega + ultraširokokotnega objektiva ima glavni fotoaparat običajno večji senzor, medtem ko ima ultraširokokotni objektiv lahko manjši senzor, vendar zelo širokokotni objektiv. Pri konfiguraciji širokokotnega objektiva + teleobjektiva teleobjektiv običajno zahteva daljšo goriščno razdaljo, zaradi česar je zasnova objektiva zaradi prostorskih omejitev bolj zahtevna.
-
4. Načrtovanje glavne plošče (PCB) in poti kamere
Sledi zasnova elektronike: matična plošča/vezavo mora biti sposobna hkrati upravljati dva modula kamere. Kamere so običajno povezane prek visokohitrostnega vmesnika, kot je MIPI CSI-2.
Bistvene stvari:
– Število MIPI stez zadostuje za dva senzorja.
– Postavitev komponent tako, da je signalna pot kratka in stabilna.
– Upravljanje EMI (elektromagnetne motnje), tako da slika nima »črt« ali šuma zaradi motenj.
– Razpoložljivost namenskih napajalnih tirnic za senzorje in aktuatorje ostrenja.
Poleg tega modul kamere zahteva krmilnike, kot je I2C za konfiguracijo senzorjev, ter linije za aktuator samodejnega ostrenja (VCM) in optično stabilizacijo slike, če sta prisotna.
-
5. Priprava energetskih, toplotnih in mehanskih struktur
Dve kameri povečata porabo energije in proizvodnjo toplote. Zato:
– PMIC (Power Management IC) mora biti sposoben zadovoljiti potrebe senzorjev in ISP-ja.
– Toplotna zasnova mora vzdrževati stabilne temperature, da se hrup ne poveča in zmogljivost ISP ne zmanjša (termično dušenje).
– Mehanska struktura mora držati modul kamere tako, da se ob padcu telefona ne premakne zlahka (test padca).
Kar se tiče mehanske strani, morate upoštevati tudi:
– Poravnava modula kamere z »oknom kamere« (pokrivnim steklom).
– Debelina telefona in »izboklina kamere«.
– Zaščita pred prahom/vodo, če si prizadevate za certifikat IP.
-
6. Razvoj vdelane programske opreme, gonilnikov in HAL-a za kamero
Kamera ne bo delovala samo z namestitvijo strojne opreme. Potrebujete:
– Gonilnik senzorja: tako da lahko sistem nadzoruje osvetlitev, ISO, hitrost sličic in način senzorja.
– HAL kamere (Hardware Abstraction Layer): plast, ki povezuje aplikacijo kamere s strojno opremo.
– Uglaševanje ISP-ja: dolgotrajen postopek prilagajanja barv, ostrine, zmanjševanja šuma, tonskega preslikavanja in HDR-ja.
Uglaševanje običajno vključuje fotografiranje na tisoče vzorčnih fotografij v različnih pogojih: v zaprtih prostorih, na prostem, pri šibki svetlobi, osvetlitvi od zadaj itd. Brez ustreznega uglaševanja lahko dvojne kamere ustvarijo neskladne barve med kamero 1 in kamero 2.
-
7. Sinhronizacija in kalibracija dveh kamer
Moč dvojne kamere je v sodelovanju dveh senzorjev. To zahteva:
– Sinhronizacija sličic: dve kameri morata zajeti sličice ob pravem času, zlasti pri globinskih učinkih ali videoposnetkih z več kamerami.
– Intrinzična kalibracija: optični parametri vsake kamere (popačenje, efektivna goriščna razdalja).
– Zunanja kalibracija: razmerje med položajem in orientacijo kamere 1 in kamere 2.
Če je kalibracija slaba, lahko portretni učinek nepravilno loči lase, robovi predmetov so lahko neurejeni ali pa se zdi, da način povečave "poskakuje". Kalibracija se izvede v tovarni s posebno tabelo in programsko opremo za kalibracijo, rezultati pa se nato shranijo kot kalibracijski podatki v napravi.
-
8. Razvoj algoritmov: portret, povečava in fuzija
Dvojne kamere običajno ponujajo vrhunske funkcije, kot so:
– Portret/bokeh: uporablja zemljevid disparitet ali podatke o globini za ločevanje motiva in ozadja.
– Brezhibna povečava: gladek prehod iz širokokotnega v teleobjektivni objektiv z zlivanjem.
– Združevanje slik: kombiniranje podrobnosti iz ene kamere (npr. enobarvne/teleobjektivne) z barvami iz glavne kamere.
Tukaj pride na vrsto računalniška fotografija. Izzivi vključujejo:
– Ohranite barvno skladnost med kamerami.
– Prilagodite osvetlitev in ravnovesje beline.
– Zmanjša podvajanje slike pri premikanju predmetov.
– Odpravljeno ultraširoko popačenje.
-
9. Aplikacija Kamera in uporabniška izkušnja
Aplikacija za kamero bi morala biti sposobna:
– Hitro preklapljanje med kamerami (širokokotni/ultraširokokotni/teleobjektivni).
– Prikazuje stabilen predogled brez zamika.
– Ponuja načine, kot so HDR, nočni, portretni in profesionalni način.
– Upravljanje shranjevanja in formatov (JPEG/HEIF, video H.264/H.265).
Uporabniška izkušnja je pomembna: na papirju ni smiselno imeti odlične dvojne kamere, če so prehodi med kamerami počasni ali če so fotografije pogosto nedosledne.
-
10. Testiranje in certificiranje
Zadnja faza je temeljito testiranje:
– Test kakovosti slike: ostrina, šum, barva, dinamični razpon.
– Video test: stabilizacija, rolo zaklop, sinhronizacija zvoka in videa.
– Preizkus zanesljivosti: preizkus padca, toplotni cikel, vibracije.
– Preizkus združljivosti: aplikacije drugih ponudnikov, storitve kamere v operacijskem sistemu.
– Skladnost: radijski certifikati, varnost baterij in regulativni standardi v posamezni državi.
V industrijskem obsegu se to testiranje izvaja v laboratorijih in po strogih standardih KPI (ključnih kazalnikov uspešnosti).
-
Zapiranje
Ustvarjanje pametnega telefona z dvema kamerama je kombinacija natančne izbire komponent, natančne zasnove tiskanega vezja in mehanske zasnove, podrobnega razvoja gonilnikov in nastavitve ponudnika internetnih storitev (ISP) ter kalibracije obeh kamer za delovanje kot en sam sistem. Pri dveh kamerah ne gre le za "dodajanje še enega objektiva", temveč za izgradnjo sinhroniziranega strojno-programskega ekosistema za vrhunske fotografije in videoposnetke.
Če je vaš cilj izobraževalni projekt, je najbolj realističen pristop običajno učenje sistema kamere na obstoječi napravi (npr. z uporabo razvojne plošče ali učenjem cevovoda kamere Android), namesto da bi pametni telefon dejansko zgradili iz nič. Vendar pa vam bo z vidika tehnologije razčlenitev zgornjega postopka pomagala razumeti, zakaj kakovost kamere telefona ni odvisna izključno od števila slikovnih pik, temveč od njene celotne zasnove in izvedbe.
-
Če želite, lahko ta članek prilagodim tudi enemu od naslednjih področij: (1) tehnična različica za študente elektronike, (2) priljubljena različica za splošne bralce ali (3) popolna različica "projektni načrt" s seznamom komponent in delovnih korakov.
