攝像頭的工作原理

攝像頭

2021/5/91目錄1、簡介2、分類3、工作原理4、結(jié)構(gòu)和組件5、技術(shù)指標(biāo)2021/5/92一、簡介1.0常規(guī)介紹2.0技術(shù)介紹2021/5/93一、簡介1.0常規(guī)介紹攝像頭(CAMERA)又稱為電腦像機、電腦眼等，它作為一種視頻入設(shè)備，在過去廣泛地應(yīng)用于視頻會議、遠(yuǎn)程醫(yī)療、實時監(jiān)控等方面。近年以來，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)速度的不斷提高，再加上感光成像器件技術(shù)的日漸成熟并大量用于攝像頭的產(chǎn)品制造上，使得它們的價格低到可以令普通老百姓可以接受消費水平。同時這兩年攝像頭被廣泛應(yīng)用于移動通訊設(shè)備中，這樣一來,更加促進了感光成像技術(shù)的進一步提高，如:30萬像素，130萬像素，200萬像素，300萬像素等。

2021/5/94一、簡介2.0技術(shù)介紹2.0Technologyofpresentation

技術(shù)介紹GeneralDescription簡介

相機模塊是一個為移動應(yīng)用而設(shè)計的傳感器板模塊，低功耗和小尺寸是非常重要的的。專有傳感器技術(shù)采用先進的算法，取消固定模式噪聲（FPN），消除拖尾現(xiàn)象，并大幅降低綻放。所有必需的相機功能是通過串行相機控制總線（SCCB）接口進行編程。該設(shè)備可以進行編程，以提供各種完全處理圖像輸出和編碼。用途電腦攝像頭/雙模式和蜂窩電話

視頻會議設(shè)備，機器視覺，安全照相機，

生物識別，數(shù)碼相機

2021/5/95二.分類

計算機組裝、維護與維修模擬攝像頭數(shù)字?jǐn)z像頭2021/5/96二、分類1.0DIGITALCAMERA數(shù)字式數(shù)字?jǐn)z像頭是直接將攝像單元和視頻捕捉單元集成在一起，然后通過串、并口或USB接口連接到主系統(tǒng)上，現(xiàn)在CAMERA市場上的攝像頭基本以數(shù)字式為主，而數(shù)字?jǐn)z像頭中又以新型數(shù)據(jù)傳輸接口的USB數(shù)字?jǐn)z像頭為主(獨立)，在手機和電腦上主要是直接通過IO(BTB/USB/MINI)與主系統(tǒng)連接，經(jīng)過系統(tǒng)的編輯后以數(shù)字信號輸出到顯示器上顯示。目前CAMERA市場上主流的CAMERA都是DIGITALCAMERA。2021/5/97二、分類2.0SIMULANTCAMERA模擬式模擬攝像頭是將視頻采集設(shè)備產(chǎn)生的模擬視頻信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，進而將其存儲到系統(tǒng)內(nèi)存里。模擬攝像頭捕捉到的視頻信號必須經(jīng)過特定的視頻捕捉卡將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字模式，并加以壓縮后才可以轉(zhuǎn)換到主系統(tǒng)上運用，經(jīng)過系統(tǒng)的編輯，通過顯示器顯示和輸出。2021/5/98三、工作原理1.0工作原理攝像頭的工作原理大致為:景物通過鏡頭(LENS)生成的光學(xué)圖像投射到圖像傳感器(SENSOR)表面上，然后轉(zhuǎn)為電信號，經(jīng)過A/D(模/數(shù))轉(zhuǎn)換后變成數(shù)字圖像信號，再送到數(shù)字處理芯片(DSP)中加工處理，再通過I/O接口傳輸?shù)诫娔X中進行處理后，再通過顯示屏(DISPLAY)就可以看到圖像了。工作原理方框圖景物(SCE)圖像傳感器(SENSOR)數(shù)字信號處理芯片(DSP)電腦(PC)圖像(PIC)LENSA/D(COMS無)

I/O

DISPLAY

2021/5/992021/5/910主控的內(nèi)部工作原理2021/5/9114.攝像頭的主要結(jié)構(gòu)和組件從攝像頭的工作原理就可以列出攝像頭的主要結(jié)構(gòu)和組件：

1、鏡頭

2、感光芯片

3、主控芯片

4、電源。攝像頭內(nèi)部需要兩種工作電壓：3.3V和2.5V，因此好的攝像頭內(nèi)部電源也是保證攝像頭穩(wěn)定工作的一個因素2021/5/912主控芯片感光芯片電源鏡頭2021/5/913四、組件與結(jié)構(gòu)1.0LENS

（鏡頭）一般CAMERA的鏡頭結(jié)構(gòu)是有幾片透鏡組成，分有塑膠透鏡(PLASTIC)和玻璃透鏡(GLASS),通常CAMERA

用的鏡頭結(jié)構(gòu)有：1P,2P,1G1P,1G3P,2G2P,4G等。透鏡越多，成本越高；玻璃透鏡比塑膠透鏡貴，但是玻璃透鏡的成像效果比塑膠透鏡的成像效果要好。目前市場上針對MOBILEPHONE

配置的CAMERA

以1G3P

（1

片玻璃透鏡和3

片塑膠透鏡組成）為主，目的是降低成本。2021/5/914四、組件與結(jié)構(gòu)3017鏡頭(LENS)2021/5/915四、組件與結(jié)構(gòu)CMOS傳感器2021/5/916四、組件與結(jié)構(gòu)7670傳感器(SENSOR)2021/5/917四、組件與結(jié)構(gòu)2.0SENSOR

（圖象傳感器）圖像傳感器（ SENSOR

）是一種半導(dǎo)體芯片，其表面包含有幾十萬到幾百萬的光電二極管。光電二極管受到光照射時，就會產(chǎn)生電荷。目前的SENSOR類型有兩種：

CCD

（ ChargeCoupleDevice)，電荷耦合器件

CMOS

（ComplementaryMetalOxideSemiconductor），互補金屬氧化物2021/5/918

計算機組裝、維護與維修SuperCCDEXR傳感器

CMOS影像傳感器

2021/5/919四、組件與結(jié)構(gòu)CCD

組件與結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)CCD

結(jié)構(gòu)一般分為三層：第一層“LENS”

CAMERA的成像關(guān)鍵在于SENSOR，為了擴大CCD

的采光率必須擴大單一象素的受光面積，在提高采光率的同時會導(dǎo)致畫面質(zhì)量下降。LENS

就是相當(dāng)于在SENSOR前面增加一副眼鏡SENSOR的采光率就不是由SENSOR的開口面積決定而是由LENS

的表面積決定。第二層“分色濾色片”目前分色濾色片有兩種分色方法：A.RGB原色分色法，就是三原色分色法，幾乎所有的人類眼睛可以識別的顏色都可以通過R.G.B

來組成，RGB

就是通過這三個通道的顏色調(diào)節(jié)而成。B.CMYK

補色分色法，由四個通道的顏色配合而成，分別是青（C

）、洋紅（M）、黃（Y

）、黑（K

），但是調(diào)節(jié)出來的顏色不如 RGB

的顏色多。第三層“感光層（SENSOR

）”CCD

的第三層是處理芯片（SENSOR，SENSOR主要是將穿過濾色層的光源轉(zhuǎn)換成電子信號，并將信號傳送到影像DSP

），將影像還原。

2021/5/920四、組件與結(jié)構(gòu)CCD與CMOS的差異A.

總體比較CCD

的優(yōu)點是靈敏度高，噪音小，信噪比大。但是生產(chǎn)工藝復(fù)雜、成本高、功耗高。CMOS

的優(yōu)點是集成度高（將AADC

與訊號處理器整合，可以大幅縮小體積）、功耗低、成本低。但是噪音比較大、靈敏度較低、對光源要求高。B.

成像效果在相同像素下CCD

的成像往往通透性、明銳度都很好，色彩還原、曝光可以保證基本準(zhǔn)確。CMOS

的產(chǎn)品往往通透性一般，對實物的色彩還原能力偏弱，曝光也都不太好。在采用CMOS

為感光元器件的產(chǎn)品中，通過采用影像光源自動增益補強技術(shù)，自動亮度、白平衡控制技術(shù)， 色飽和度、對比度、邊緣增強以及伽馬矯正等先進的影像控制技術(shù)，完全可以達到與CCD

攝像頭相媲美的效果。2021/5/921四、組件與結(jié)構(gòu)C.

功耗比較CCD

功耗比較高，為使電荷傳輸順暢，噪聲降低，需要高壓差改善傳輸效果；另外由于CCD

無法ADC和訊號處理器，導(dǎo)致需要使用 3～ 4組電源。CMOS

功耗比較低，不到CCD

的1/3

，CMOS

影像傳感器將每一畫素的電荷轉(zhuǎn)換成電壓，讀取前就將其放大，利用 3.3V

的電源即可驅(qū)動，只需要一組電源。

2021/5/922四、組件與結(jié)構(gòu)以GC0307傳感器為例介紹2021/5/923四、組件與結(jié)構(gòu)2.外圍電路說明GC0307芯片只需要單電源供電，DVDD28=2.8V，其余電源VDD18，AVDD25及數(shù)字參考電源VREF管腳在模組內(nèi)部通過電容接地。不需要引出到模組連接器。電源上加如圖示C1、C2、C3，C4濾波電容，容值均為0.1uF。電容擺放時盡量靠近Pin腳。RESETpin沒有引出，由芯片內(nèi)部控制。SBCL/SBDApin內(nèi)部已有上拉電阻，系統(tǒng)板可以不加上拉電阻。2021/5/924四、組件與結(jié)構(gòu)管腳說明:管腳號名稱管腳類型功能/說明

A1AVDD25電源模擬電路電壓，內(nèi)部產(chǎn)生，通過0.1μF或1uF的電容接地

A2VREF電源數(shù)字參考電源，通過0.1μF的電容接地

A3SBDA輸入/出串行通訊口數(shù)據(jù)線

A4SBCL輸入串行通訊口時鐘線

A5D7輸出YUV/RGB輸出位[7]B1GND電源模擬/數(shù)字地B2PWDN輸入0：正常模式;1：省電模式B3HSYNC輸出HREF輸出B4D6輸出YUV/RGB輸出位[6]B5D5輸出YUV/RGB輸出位[5]C1VSYNC輸出VSYNC輸出C2D0輸出YUV/RGB輸出位[0]C3D3輸出YUV/RGB輸出位[3]C4D4輸出YUV/RGB輸出位[4]C5PCLK輸出Pixel時鐘輸出D1DVDD28電源主供電電源2.8V，通過0.1μF或1uF的電容接地D2D1輸出YUV/RGB輸出位[1]D3D2輸出YUV/RGB輸出位[2]D4DVDD18電源數(shù)字電路電源，1.8V，內(nèi)部產(chǎn)生，通過0.1μF或1uF的電容接地D5IN_CLK輸入系統(tǒng)時鐘輸入*D[7:0]8位YUV或RGB數(shù)據(jù)（D[7]MSB，D[0]LSB）**Reset內(nèi)部拉高，外部沒有PIN腳引出2021/5/925四、組件與結(jié)構(gòu)使用技巧使用攝像頭，尤其是采用CMOS芯片的產(chǎn)品時就更應(yīng)該注重技巧：A.不要在逆光環(huán)境下使用（這點CCD同），尤其不要直接指向太陽，否則“放大鏡燒螞蟻”的慘劇就會發(fā)生在您的攝像頭上。B.環(huán)境光線不要太弱，否則直接影響成像質(zhì)量?？朔@種困難有兩種辦法，一是加強周圍亮度，二是選擇要求最小照明度小的產(chǎn)品，現(xiàn)在有些攝像頭已經(jīng)可以達到5lux。要注意的是合理使用鏡頭變焦，不要小瞧這點，通過正確的調(diào)整，攝像頭也同樣可以擁有拍攝芯片的功能。受市場情況及市場發(fā)展等情況的限制，攝像頭采用CCD圖像傳感器的廠商為數(shù)不多，主要原因是采用CCD圖像傳感器成本高的影響。在MOBILEPHONE、電腦上使用的CAMREA還是以CMOS為主，不僅是價格而且體積也是影響在MOBILEPHONE上使用CCDCAMERA的另一原因。傳感器(SENSOR)的焊接與拆裝:

一般焊接后的SENSOR要拆卸時,使用高溫風(fēng)筒350度均勻加熱至焊錫熔化。切記:風(fēng)筒不可固定在某一部位對吹!2021/5/926四、組件與結(jié)構(gòu)A/D

轉(zhuǎn)換器

A/D轉(zhuǎn)換器即ADC(AnalogDigitalConverter 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器)ADC的兩個重要指標(biāo)是轉(zhuǎn)換速度和量化精度，由于CAMERASYSTEM 中高分辨率圖象的象素量龐大，因此對速度轉(zhuǎn)換器的要求很高。同時量化精度對應(yīng)的ADC轉(zhuǎn)換器將每一個象素的亮度和色彩值量化為若干的等級，這個等級就是CAMERA的色彩深度。由于CMOS已經(jīng)具備數(shù)字化傳輸接口，所以不需要A/D2021/5/927四、組件與結(jié)構(gòu)數(shù)字信號處理芯片（ DSP）:數(shù)字信號處理芯片DSP（DIGITALSIGNALPROCESSING）功能：主要是通過一系列復(fù)雜的數(shù)學(xué)算法運算，對數(shù)字圖像信號參數(shù)進行優(yōu)化處理，并把處理后的信號通過USB等接口傳到PC等設(shè)備。DSP結(jié)構(gòu)框架 :A.ISP（imagesignalprocessor）（鏡像信號處理器）B.JPEGencoder（JPEG圖像解碼器）C.USBdevicecontroller（ USB設(shè)備控制器）2021/5/928五、技術(shù)指標(biāo)1.0圖像壓縮方式JPEG： (jointphotographicexpertgroup)

靜態(tài)圖像壓縮方式。一種有損圖像的壓縮方式。壓縮比越大，圖像質(zhì)量也就越差。當(dāng)圖像精度要求不高存儲空間有限時，可以選擇這種格式。目前大部分?jǐn)?shù)碼相機都使用JPEG格式。2.0圖像噪音指的是圖像中的雜點干撓。表現(xiàn)為圖像中有固定的彩色雜點。3.0視角與人的眼睛成像是相成原理，簡單說就是成像范圍。4.0白平衡處理技術(shù)（AWB）定義：要求在不同色溫環(huán)境下，照白色的物體，屏幕中的圖像應(yīng)也是白色的。色溫表示光譜成份，光的顏色。色溫低表示長波光成分多。當(dāng)色溫改變時，光源中三基色（紅、綠、藍）的比例會發(fā)生變化，需要調(diào)節(jié)三基色的比例來達到彩色的平衡，這就是白平衡調(diào)節(jié)的實際。圖象傳感器的圖象數(shù)據(jù)被讀取后，系統(tǒng)將對其進行針對鏡頭的邊緣畸變的運算修正，然后經(jīng)過壞像處理后被系統(tǒng)送進去進行白平衡處理（在不同的環(huán)境光照下，人類的眼睛可以把一些“白”色的物體都看成白色，是因為人眼進行了修正。但是SENSOR沒有這種功能，因此需要對SENSOR輸出的信號進行一定的修正，這就是白平衡處理技術(shù)）。

2021/5/929五、技術(shù)指標(biāo)5.0電源

攝像頭內(nèi)部需要兩種工作電壓： 3.3V和 2.5V，因此好的攝像頭內(nèi)部電源也是保證攝像頭穩(wěn)定工作的一個因素。6.0 彩色深度（色彩位數(shù)）反映對色彩的識別能力和成像的色彩表現(xiàn)能力，就是用多少位的二進制數(shù)字來記錄三種原色。

實際就是A/D轉(zhuǎn)換器的量化精度，是指將信號分成多少個等級，常用色彩位數(shù)（bit）表示。彩色深度越高，獲得的影像色彩就越艷麗動人。非專業(yè)的SENSOR一般是24位；專業(yè)型SENSOR至少是 36位的。24位的SENSOR，感光單元能記錄的光亮度值最多有2^8=256級，每一種原色用一個8位的二進制數(shù)字來記錄，最多記錄的色彩是256×256×256約16，77萬種。36位的SENSOR，感光單元能記錄的光亮度值最多有2^12=4096級，每一種原色用一個12位的二進制數(shù)字來記錄，最多記錄的色彩是4096×4096×4096約68.7億種。2021/5/930五、技術(shù)指標(biāo)7.0輸出 /輸入接口(IO)串行接口（RS232/422）:傳輸速率慢，為115kbit/s并行接口（PP）：速率可以達到1Mbit/s紅外接口（IrDA）：速率也是115kbit/s，一般筆記本電腦有此接口通用串行總線USB：即插即用的接口標(biāo)準(zhǔn)，支持熱插