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：

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。

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。

输出RAW图

原始图像（Raw image)就是直接图像传感器输出的图像， 没有经过任何ISP或者CPU处理。在摄影后期中，在摄影的后期中，使用后期尤其重要，有以下的原因：

使用RAW格式图像相比JPEG格式具有一些优点，尤其是在后期处理方面：

1. 更高的动态范围：RAW图像包含了相机传感器捕捉到的原始数据，因此它们通常具有比JPEG更高的动态范围。这意味着在后期处理中你可以更好地调整高光和阴影部分，以保留更多细节。

2. 更多的色彩深度：RAW图像通常以更高的色彩深度（比如14位或16位）存储，相比之下，JPEG通常是8位。这使得你在后期处理时可以更精细地调整颜色和色调。

3. 更大的灵活性：由于RAW图像未经压缩或经过少量压缩，因此你可以在后期处理时进行更大范围的调整，例如白平衡、曝光、对比度等。

4. 无损压缩：RAW图像通常使用无损压缩，这意味着图像不会失去任何细节或质量，即使你进行了多次保存。

5. 避免了摄影机的内部处理：JPEG图像通常会经过相机内部的处理，包括锐化、噪声降低等。使用RAW图像可以避免这些内部处理，使你在后期处理时能够更好地控制图像的外观。

6. 更好的白平衡控制：RAW图像允许你在后期处理时更精确地调整白平衡，而JPEG通常会锁定一种白平衡。

然而，使用RAW格式也有一些缺点：

1. 文件大小：RAW文件通常比JPEG文件大，因为它们包含了未经压缩的原始数据。

2. 需要后期处理：与JPEG相比，RAW图像通常需要更多的后期处理工作，因为它们没有经过相机内部的自动处理。

3. 需要专门的软件：通常需要专门的软件（如Adobe Camera Raw、Lightroom等）来处理RAW格式图像。

4. 更大的存储需求：由于RAW文件通常较大，你可能需要更大的存储空间来保存这些文件。

综上所述，如果你在摄影中注重后期处理的灵活性和控制能力，使用RAW格式可能是个不错的选择。然而，如果你只是想快速拍摄和分享照片，JPEG格式可能更为便捷。

对于彩色相机传感器，一般来说原始图像的输出格式是Bayer. 注意原始图和我们之前说的位编码的RGB和YUV图像不同，RGB和YUV也是经过ISP处理后的图像的。

拍摄一张原始图像的指令：

libcamera-still -r -o test.jpg

原始图像一般是以DNG （Adobe digital Negative) 格式保存的，DNG格式可以兼容大部分标准程序， 比如dcraw、RawTherapee或者HoneyView. 原始图像会被保存为.dng后缀的相同名字的文件,比如如果运行上面的指令，为被另存为test.dng， 并同时生成一张jpeg文件。DNG文件中包含了已图像获取有关的元数据， 比如白平衡数据，ISP颜色矩阵等， 下面是用exiftool工具显示的元数据编码信息：

---- ExifTool ----
ExifTool Version Number         : 12.69
---- File ----
File Name                       : test.dng
Directory                       : .
File Size                       : 24 MB
File Modification Date/Time     : 2023:10:29 17:18:03+08:00
File Access Date/Time           : 2023:10:29 17:18:03+08:00
File Creation Date/Time         : 2023:10:29 17:18:03+08:00
File Permissions                : -rw-rw-rw-
File Type                       : DNG
File Type Extension             : dng
MIME Type                       : image/x-adobe-dng
Exif Byte Order                 : Little-endian (Intel, II)
---- EXIF ----
Subfile Type                    : Reduced-resolution image
Image Width                     : 288
Image Height                    : 162
Bits Per Sample                 : 8 8 8
Compression                     : Uncompressed
Photometric Interpretation      : RGB
Make                            : Raspberry Pi
Camera Model Name               : imx708
Strip Offsets                   : 8
Orientation                     : Horizontal (normal)
Samples Per Pixel               : 3
Strip Byte Counts               : 139968
Planar Configuration            : Chunky
Software                        : libcamera-still
Subfile Type                    : Full-resolution image
Image Width                     : 4608
Image Height                    : 2592
Bits Per Sample                 : 16
Compression                     : Uncompressed
Photometric Interpretation      : Color Filter Array
Strip Offsets                   : 140624
Samples Per Pixel               : 1
Strip Byte Counts               : 23887872
Planar Configuration            : Chunky
CFA Repeat Pattern Dim          : 2 2
CFA Pattern 2                   : 2 1 1 0
Black Level Repeat Dim          : 2 2
Black Level                     : 64 64 64 64
White Level                     : 1023
Compression                     : Uncompressed
Strip Offsets                   : 0
Strip Byte Counts               : 0
Exposure Time                   : 1/16
ISO                             : 400
Date/Time Original              : 2023:10:29 17:18:03
Subject Distance                : 0.8847590685 m
DNG Version                     : 1.1.0.0
DNG Backward Version            : 1.0.0.0
Unique Camera Model             : Raspberry Pi imx708
Color Matrix 1                  : 0.9413505197 -0.32803303 -0.09434454143 -0.2564420402 1.072353721 0.1573984027 -0.02698263898 0.1290469915 0.4360769093
As Shot Neutral                 : 0.4639694691 1 0.5782194734
Calibration Illuminant 1        : D65
---- Composite ----
CFA Pattern                     : [Blue,Green][Green,Red]
Image Size                      : 4608x2592
Megapixels                      : 11.9
Shutter Speed                   : 1/16

这是关于一个名为 test.dng 的图像文件的 Exif 信息的提取结果。Exif 信息包含了许多有关照片的详细元数据。

以下是对一些关键信息的解释：

1. ExifTool版本信息：

   • ExifTool 版本号：12.69

2. 文件信息：

   • 文件名：test.dng
   • 文件大小：24 MB
   • 文件修改日期：2023年10月29日 17:18:03 (UTC+8)
   • 文件访问日期：2023年10月29日 17:18:03 (UTC+8)
   • 文件创建日期：2023年10月29日 17:18:03 (UTC+8)
   • 文件权限：-rw-rw-rw-
   • 文件类型：DNG (数字负片格式)
   • MIME类型：image/x-adobe-dng
   • Exif字节顺序：小端序 (Intel, II)

3. EXIF信息：

   • Full-resolution image (全分辨率图像)：

     • 图像宽度：4608 像素
     • 图像高度：2592 像素
     • 每样本位数：16 位
     • 压缩：未压缩
     • 光度解释：彩色滤波阵列 (Color Filter Array)
     • 曝光时间：1/16 秒
     • ISO：400
     • 拍摄时间：2023年10月29日 17:18:03
     • 主体距离：0.8847590685 米
     • DNG版本：1.1.0.0
     • 相机型号：Raspberry Pi imx708

   • Reduced-resolution image (降低分辨率图像)：

     • 图像宽度：288 像素
     • 图像高度：162 像素
     • 每样本位数：8 位
     • 压缩：未压缩
     • 光度解释：RGB
     • 相机制造商：Raspberry Pi
     • 相机型号：imx708

   • …

   （还有许多其他的Exif信息，比如色彩校正矩阵、曝光设置等等）

4. Composite信息：

   • CFA模式（Color Filter Array）：[蓝色，绿色][绿色，红色]
   • 图像尺寸：4608x2592 像素
   • 百万像素：11.9 MP (百万像素)

这份Exif信息提供了关于该图像的详尽信息，包括拍摄设备、拍摄条件、图像分辨率等等。

超长曝光

超长曝光一般用在我们拍摄流光快门的场景，通过长曝光，将一段时间内的景象变化都记录下来。例如下面的场景，就是通过30s长曝光实现的。

但是在我们使用的树莓派camera module3中，超长曝光是没太有用处的。包括在没有可变光圈的手机专业模式中，设置超长曝光也不会有流光快门的效果。因为想要得到流光快门的效果，不仅要快门设置的够长，光圈还要设置的特别小，甚至还要加上ND1000、ND64这样的减光镜，以及ISO调到最小，才能实现一张流光快门的效果。

这里简单说一下曝光三要素：

曝光三要素是指在摄影中控制照片曝光的三个关键因素，它们分别是：

1. 光圈（Aperture）：
   • 光圈是指相机镜头的光圈大小。它用一个数字表示，称为光圈值（f）。
   • 光圈值越小，光圈越大，相机能够接收到更多光线，照片会更亮。
   • 光圈值越大，光圈越小，相机接收到的光线更少，照片会更暗。
   • 光圈还会影响景深，较大的光圈（小光圈值）会产生较大的背景虚化效果。
2. 快门速度（Shutter Speed）：
   • 快门速度是指相机传感器或胶片暴露于光线的时间长短。
   • 快门速度越快，相机接收到的光线时间越短，照片会变得暗淡，但可以冻结运动。
   • 快门速度越慢，相机接收到的光线时间越长，照片会更亮，但可能会导致运动模糊。
3. ISO感光度：
   • ISO值代表了相机传感器对光的敏感程度。较高的ISO值意味着相机在相同光线条件下可以使用更快的快门速度，但也可能会引入图像噪点。
   • 较低的ISO值会减少噪点，但可能需要更慢的快门速度或更大的光圈来保持曝光正常。

这三个要素相互影响，称为"曝光三角"。调整其中一个参数会影响到其他两个。例如，如果你增加了光圈值（缩小光圈），你可以选择更快的快门速度来保持相同的曝光，或者降低ISO以减少噪点。

理解和掌握这些曝光三要素，可以让你更好地控制照片的曝光水平，从而拍摄出更令人满意的照片。

我们在使用微单或单反拍照时，有经验的摄影师也都会使用M档（手动挡）进行拍摄，这时候就需要根据场景去采用合适的光圈、快门和ISO大小。比如在拍摄球类运动时，由于球的运动速度很快，为了保证排出的照片不模糊，需要用较高的快门速度，例如1/400s的快门速度，使用最大光圈，保证给足够的进光量，例如使用F1.8的大光圈。这时候为了保证曝光水平的正常，可以让机器来决定ISO的数值，也可以自己指定ISO的数值。

如果使用微单或单反拍摄流光快门的效果，常用的参数配置是：快门30s，光圈F16或镜头支持的最小光圈，ISO机器支持的最低，添加ND1000或ND64减光镜。

使用手机拍摄流光快门效果时，其实不是像单反那样纯光学成像的效果，而是算法计算的结果。

因此，等同于手机，使用树莓派camera module 3时，由于光圈大小不可变，就算开启了超长曝光，也是实现不了流光快门的，因为光圈大小太大的话，曝光时间太长，就会导致进光量过大，照片会过曝，因此需要后期使用算法实现流光快门的效果。

我们在这里先介绍下libcamera长曝光的API。

如果要拍摄一张超长曝光的图片，我们需要禁用AEC/AGC和白平衡，否则这些算法会导致图片在收敛的时候多等待很多帧数据。禁用这些算法需要另设置显式值，另外, 用户可以通过–immediate设置来跳过预览过程。

libcamera-still -o long_exposure.jpg --shutter 100000000 --gain 1 --awbgains 1,1 --immediate

毫无疑问，这是一张过曝的照片。

备注：几款官方摄像头的最长曝光时间参考表格.

总结

本篇主要说明了我们使用树莓派diy一个相机时，涉及到的相机选型和底层库libcamera的相关基础使用。

libcamera提供的功能远不止此，我们使用单反/微单的M档拍摄时，可以设置的全部参数，都可以通过libcamera库去设置。

但是libcamera只是在终端中使用的指令，我们制作一个相机，需要有自己的相机app和图库app等，这就需要我们在上层语言上进行调用。下一节我们会介绍对libcamera进行封装的picamera2库。