DIY相机（一）libcamera库

相机选型

DIY相机首先是要确定使用的相机型号。兼容树莓派，画质好一些的，目前主要有两款：一是Raspberry Pi Camera Module 3，二是Raspberry Pi HQ Camera。

下图是Raspberry Pi Camera Module 3的相关特性。支持自动对焦和HDR等特性，视场角为75度，1200万像素。

Raspberry Pi Camera Module 3使用的是索尼imx708传感器。此款传感器曾搭载在如OPPO Find X2等旗舰手机上。imx708传感器的参数如下表所示：

传感器	imx708
分辨率	11.9MP
画幅大小	1/2.43 (传感器对角尺寸7.4mm)
有效像素数	4608(H) × 2592(V)
单个像素大小	1.4μm × 1.4μm
接口	MIPI CSI-2 Interface
快门类型	滚动快门
帧率	2304x1296p56, 2304x1296p30, HDR 1536x864p120
输出格式	RAW10

其中说一下滚动快门。Rolling Shutter（滚动快门）是一种相机传感器工作方式，与其对立的是 Global Shutter（全局快门）。

在 Rolling Shutter 中，相机传感器会逐行地从顶部到底部逐个曝光，就像一个滚动的帘子一样。这意味着在一次曝光过程中，不同行的像素会有微小的时间差。

这种方式在拍摄运动速度较慢或相机固定时通常不会出现问题。然而，当拍摄快速移动的物体或相机本身在移动时，Rolling Shutter 可能会导致图像中出现奇怪的扭曲效果，这被称为"滚动快门效应"。

相比之下，Global Shutter 会在同一时间瞬间曝光整个图像传感器，而不是逐行进行。这意味着在拍摄运动物体或相机移动时，Global Shutter 不会导致扭曲效应，但相机可能会更昂贵，因为实现全局快门技术的传感器通常较复杂。

因此，在选择相机时，要考虑拍摄条件，如果你需要拍摄快速运动的物体，可能需要优先选择支持 Global Shutter 的相机。

第二款Raspberry Pi HQ Camera的优点是CMOS与镜头分离，可以根据需要搭载不同的镜头，比如长焦镜头、变焦镜头等，其使用imx477传感器。这款camera的详细信息等我们用时，再做详细说明。（主要是价格不菲，CMOS+镜头要小1k）。

除了考虑camera，还要考虑与树莓派的兼容性。下表是一个不同传感器与树莓派主板和驱动的对应关系。

从表中可以看到，imx708传感器，只支持libcamera驱动，而不是之前的旧的raspicam驱动。使用libcamera驱动，意味着我们在安装树莓派系统时，对应的Debian version要高于_Bullseye_，例如我用的就是Debian version: 12 (bookworm)系统。

拍照测试

使用bookworm系统的话，系统安装完成后，libcamera库是直接可以使用的。树莓派也会自动连接camera。但是首先确认/boot/config.txt文件的内容如下面的文件内容所示，尤其是camera_auto_detect=1项。对于树莓派camera module3来说，树莓派是可以自动检测的，不需要我们手动指定dtoverlay，后续我们用树莓派HQ camera的时候，其使用imx477传感器，这时候需要我们手动指定一下dtoverlay的型号。

# For more options and information see
# http://rptl.io/configtxt
# Some settings may impact device functionality. See link above for details

# Uncomment some or all of these to enable the optional hardware interfaces
#dtparam=i2c_arm=on
#dtparam=i2s=on
#dtparam=spi=on

# Enable audio (loads snd_bcm2835)
dtparam=audio=on

# Additional overlays and parameters are documented
# /boot/firmware/overlays/README

# Automatically load overlays for detected cameras
camera_auto_detect=1

# Automatically load overlays for detected DSI displays
display_auto_detect=1

# Automatically load initramfs files, if found
auto_initramfs=1

# Enable DRM VC4 V3D driver
dtoverlay=vc4-kms-v3d
max_framebuffers=2

# Don't have the firmware create an initial video= setting in cmdline.txt.
# Use the kernel's default instead.
disable_fw_kms_setup=1

# Run in 64-bit mode
arm_64bit=1

# Disable compensation for displays with overscan
disable_overscan=1

# Run as fast as firmware / board allows
arm_boost=1

[cm4]
# Enable host mode on the 2711 built-in XHCI USB controller.
# This line should be removed if the legacy DWC2 controller is required
# (e.g. for USB device mode) or if USB support is not required.
otg_mode=1

[all]

然后我们更新下系统

sudo apt update
sudo apt upgrade

预览camera流

直接使用libcamera-hello程序打开摄像头预览

sudo libcamera-hello -t 0

-t表示camera流持续多长时间，0表示一直持续。

拍摄照片

可以使用libcamera-jpeg命令拍摄图片。

libcamera-jpeg -o test.jpg

这个拍摄指令会显示一个5秒左右的预览串口，然后拍摄一张全像素的JPEG图像，保存为test.jpg。

另外，树莓派的libcamera驱动会针对不同的摄像头模块调用一个调谐文件，调谐文件中提供了各种参数，调用摄像头的时候，libcamera会调用调谐文件中的参数，结合算法对图像进行处理最终输出成预览画面。由于libcamera驱动只能自动感光芯片信号，但是摄像头的最终显示效果还会受整个模块的影响，调谐文件的使用就是为了可以灵活处理不同模块的摄像头，调整提高图像质量。

在这里，我们调用系统中提供的针对imx708的调谐文件。

libcamera-jpeg -o test1.jpg --tuning-file /usr/share/libcamera/ipa/rpi/vc4/imx708.json

但是通过使用faststone软件对比，两张图片的成像并没有什么差距。调谐文件同样适用于其他的libcamera指令。

还可以指定出图的分辨率以及预览窗口的预览时间。-t 2000指2s的预览时间。

libcamera-jpeg -o test.jpg -t 2000 --width 640 --height 480

曝光补偿和曝光增益

树莓派的AEC/AGX算法允许程序指定曝光补偿，也就是通过设置EV数值来调整图像的亮度。比如：

libcamera-jpeg --ev -0.5 -o darker.jpg
libcamera-jpeg --ev 0 -o normal.jpg
libcamera-jpeg --ev 0.5 -o brighter.jpg

我们对如下的名词进行解释：

AEC（Automatic Exposure Control）和 AGX（Automatic Gain Control）是图像处理中常用的两种自动控制算法，它们通常用于相机或摄像机系统中，以调整图像的曝光和增益，以确保在不同光照条件下获得合适的图像质量。

• AEC（自动曝光控制）：AEC 算法通过调整快门速度（曝光时间）来控制图像的亮度。在低光条件下，它会增加曝光时间以提高亮度，而在高光条件下，它会减少曝光时间以避免图像过曝。
• AGX（自动增益控制）：AGX 算法通过调整图像的放大倍数来控制亮度。它可以在光线较暗的情况下增加图像信号的放大程度，以提高亮度。

EV代表曝光值（Exposure Value），它是一个相机设置，用于调整照片的曝光水平。EV值的变化会影响相机的快门速度、光圈和ISO等参数，从而改变照片的亮度和细节。

EV值是一个以对数形式表示的指标，通常以"EV +/- 数值"表示，例如+1 EV 或 -2 EV。EV值的变化一般以1/3或1/2 EV为单位进行调整。

正的EV值表示相机会增加曝光，使图像变亮。负的EV值表示相机会减少曝光，使图像变暗。

曝光补偿常用于情况复杂、光照条件变化或拍摄者希望在相机自动设置之外进行调整的情况。例如，在拍摄对比度很高的场景时，你可能会使用曝光补偿来避免过曝或欠曝的情况。

我们上面3张照片通过调整EV值来实现不同的曝光等级。下表是上面3张图片的exif信息。

照片	快门	ISO
normal.jpg	0.025s(1/40)	112
brighter.jpg	0.030s(1/33)	130
darker.jpg	0.017s(1/57)	112

通过这3张照片的快门和ISO数据，可以看到我们通过调整EV值获得的不同曝光程度的照片，是通过调整快门和ISO数据得到的。

我们再来看一下libcamera通过控制增益来实现不同亮度的图片的。

libcamera-jpeg -o normal.jpg -t 2000 --shutter 25000 --gain 0
libcamera-jpeg -o brighter.jpg -t 2000 --shutter 25000 --gain -1
libcamera-jpeg -o darker.jpg -t 2000 --shutter 25000 --gain 1

我们通过--gain参数控制曝光增益，使用--shutter将快门时间固定在25ms。

照片名	图片	ISO
brighter.jpg		1600
normal.jpg		205
darker.jpg		112

树莓派的camera module 3设想模组，光圈大小是不可调节的，快门速度我们也固定为了25ms，目前只有ISO是可调节的。可见--gain参数也是通过控制ISO的值来得到不同曝光水平的照片的。

libcamera-still，更多的出图控制策略

可以像libcamera-jpeg一样，使用

libcamera-still -o test.jpg

得到一张图片。与libcamera-jpeg得到的图片基本一致，图片占用的存储空间也一致。

libcamera-still可以通过-e参数指定不同的编码器，实现不同的格式保存。可以支持png和bmp编码，也支持直接不带编码或者任何图像格式地将RGB或者YUV像素的二进制转储保存成文件。如果是直接保存RGB或者YUV数据，程序在读取此类文件的时候必须了解文件的像素排列方式。

libcamera-still -e png -o test.png
libcamera-still -e bmp -o test.bmp
libcamera-still -e rgb -o test.data
libcamera-still -e yuv420 -o test_yuv.data

png和jpg是两种常用的格式，这里介绍一下他们的区别：

PNG（Portable Network Graphics）和JPEG（Joint Photographic Experts Group）是两种常见的图像文件格式，它们在某些方面有着明显的区别。

1. 压缩算法：
   • PNG使用无损压缩算法，保留了所有图像细节，不会损失图像质量。这使得PNG格式适用于需要保留高质量细节的场景，比如图形设计、线条图像等。
   • JPEG使用有损压缩算法，通过消除图像中的一些细节和色彩信息来减小文件大小，从而降低了图像质量。这使得JPEG适用于照片等需要较小文件大小的情况。
2. 颜色深度：
   • PNG 支持索引色、灰度、RGB和RGBA等多种颜色模式，同时支持16位和8位深度的颜色，适用于各种色彩丰富的图像。
   • JPEG 主要用于保存照片，通常以8位RGB模式存储。
3. 透明度：
   • PNG 支持完全透明和半透明，能够在图像中创建复杂的透明效果，适用于图形设计等需要透明背景的场景。
   • JPEG 不支持透明度，它只能显示实色背景。
4. 文件大小：
   • JPEG 文件通常比同样分辨率和质量的PNG文件小得多，因为它是有损压缩的，可以在一定程度上减小文件大小。
   • PNG 文件相对较大，因为它是无损压缩的，会保留所有的图像细节。
5. 适用场景：
   • PNG 适用于需要保留高质量细节、有透明度要求或者需要无损压缩的图像，比如图形设计、图标、线条图像等。
   • JPEG 适用于照片和其他需要较小文件大小的场景。

综上所述，选择使用PNG还是JPEG取决于图像的具体用途和要求。如果需要保留高质量细节、支持透明度或者需要无损压缩，那么PNG是一个更好的选择。如果主要是保存照片或者需要较小的文件大小，那么JPEG可能更适合。

可以看到，jpg文件的大小是1.2M，但是png文件的大小就到了10.7M。但是从对比图看，png相比jpg，没有明显的画质优势。

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