攝像頭工作原理詳解

攝像頭工作原理詳解攝像頭工作原理：攝像頭的工作原理大致為：景物通過鏡頭(LENS)生成的光學圖像投射到圖像傳感器表面上，然后轉為電信號，經過A/D(模數轉換)轉換后變?yōu)閿底謭D像信號，再送到數字信號處理芯片(DSP)中加工處理，再通過USB接口傳輸到電腦中處理，通過顯示器就可以看到圖像了。注1：圖像傳感器(SENSOR)是一種半導體芯片，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，就會產生電荷。注2：數字信號處理芯片DSP(DIGITALSIGNALPROCESSING)功能：主要是通過一系列復雜的數學算法運算，對數字圖像信號參數進行優(yōu)化處理，并把處理后的信號通過USB等接口傳到PC等設備。DSP結構框架：ISP(imagesignalprocessor)(鏡像信號處理器)JPEGencoder(JPEG圖像解碼器)USBdevicecontroller(USB設備控制器)攝像頭的構成主要包括主控芯片、感光芯片、鏡頭和電源。好的電源也是保證攝像頭工作的一個方面。攝像頭鏡頭：五玻鏡頭是主流這個問題對于大多數人來說已經不算問題了，筆者提出來也只是僅對小白而言。簡單的說鏡頭是由透鏡組成，攝像頭的鏡頭一般是由玻璃鏡片或者塑料鏡片組成的。玻璃鏡頭能獲得比塑料鏡頭更清晰的影像。這是因為光線穿過普通玻璃鏡片通常只有5%~9%的光損失，而塑料鏡片的光損失高達11%~20%。有些鏡頭還采用了多層光學鍍膜技術，有效減少了光的折射并過濾雜波，提高了通光率，從而獲得更清晰影像。然而，現在很多小廠，為了節(jié)約成本、追求高利潤，往往減少鏡片的數量，或者使用廉價的塑料鏡頭。雖然這些產品在價格上便宜不少，看上去很有吸引力，但實際的成像效果卻實在是令人無法恭維?，F在市面上大多數攝像頭采用的都是五玻鏡頭，但是不乏少數商家將塑料鏡頭說成五玻鏡頭的。因此消費者在選購一些雜牌攝像頭時，一定要詳細試用一下，謹防上當受騙。另外，鏡頭還有一個重要的參數那就是光圈，通過調整光圈可以控制通過鏡頭到達傳感器的光線的多少，除了控制通光量，光圈還具有控制景深的功能，即光圈越大，則景深越小。攝像頭感光器件：CCD—定比CMOS好嗎？在選擇攝像頭時，鏡頭是很重要的。按感光器件類別來分，現在市場上攝像頭使用的鏡頭大多為CCD和CMOS兩種，其中CCD（ChargeCoupledDevice，電荷耦合組件）因為價格較高更多是應用在攝像、圖象掃描方面的高端技術組件，CMOS（ComplementaryMetal-OxideSemiconductor，附加金屬氧化物半導體組件）則大多應用在—些低端視頻產品中。感光器件是攝像頭主要的技術核心，它的原理基本上與DC、DV—致。對于CCD和CMOS兩種鏡頭而言，不少人可能會因為CCD比較昂貴而認為用CCD的攝像頭一定比用CMOS的攝像頭好，其實這樣的想法是不對的！這只不過是廠商的賣點罷了，事實上，二者各有優(yōu)點：CCD的優(yōu)點是靈敏度高，噪音小，信噪比大。但是生產工藝復雜、成本高、功耗高。CMOS的優(yōu)點是集成度高、功耗低（不到CCD的1/3）、成本低。但是噪音比較大、靈敏度較低、對光源要求高。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確。而CMOS的產品往往通透性—般，對實物的色彩還原能力偏弱，曝光也都不太好。目前，市場銷售的數碼攝像頭中，基本是采用的CMOS的攝像頭。在采用CMOS為感光元器件的產品中，通過采用影像光源自動增益補強技術，自動亮度、白平衡控制技術，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，完全可以達到與CCD攝像頭相媲美的效果。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不多，主要原因是采用CCD圖像傳感器成本高的影響。所以，大家在購買攝像頭時，不要盲目聽信商家的介紹，使用COMS的攝像頭并不比CCD的差，我們沒必要過多的在這上面花功夫。攝像頭芯片：進入免驅時代現在主流攝像頭基本上都已采用了免驅的芯片，好的會采用中星微等知名廠家推出的免驅芯片；而一些劣質產品可能會采用一些劣質芯片以達到其低價的效果，雖然價格是低了，但是質量就難以得到保障了。攝像頭像素：插值像素是騙子？攝像頭像素值是區(qū)分一款攝像頭好壞的重要因素，最早期的數碼攝像頭基本都是10萬像素的產品，后來發(fā)展到了30萬左右，現在市面主流產品已在100萬像素以上，在這么大像素的支持下，攝像頭拍照時可以拍取更大分辨率（如1024x768等）的照片，使攝像頭拍照功能更加實用。“這是多少萬像素的？”，相信絕大多數朋友選購攝像頭時問得最多的一句話就是這個了。也正因為如此，有一些廠商和商家抓住消費者的這個心里，在攝像頭像素這方面大做文章！面對這些人大吹攝像頭像素如何如何高，畫面如何如何清晰這種情況。你是否能保持冷靜的頭腦？你是否對像素與圖像清晰度高低的關系有足夠的認識呢？接下來筆者就像素和圖像清晰度這個問題進行了分析。在攝像頭參數里，像素到底扮演了怎么樣的一個角色呢？是否像素越高圖像就越清晰呢？其實并非如此，我們知道，影像傳感器上有許多感光單元，每一個感光單元對應一個像素，像素越多，生成的圖像也就越大。在市場上很多攝像頭像素可能都是硬件本身只支持30萬或者35萬像素，而有的商家往往會說自己的產品可以插值達到130萬或者500萬等像素，這又是怎么一回事呢？30萬像素的攝像頭突然通過插值變成上百萬像素的攝像頭，是不是圖像質量就上去了呢？其實，這些攝像頭像素是通過軟件插值提高的。舉例的話，簡單的說就是將640X480的圖片拉大到1024X768,然后再利用軟件計算圖片分辨率點之間的色彩區(qū)別，把中間拉大的部分填入軟件計算的顏色。這樣做雖然輸出的圖片大了，但是圖像的質量并沒有得到真正有效的提高，甚至還有可能出現嚴重失真。所以，大家在選購攝像頭時一定要牢記：攝像頭像素的高低與圖像的清晰度是沒有絕對關系的。特別是對于那些通過軟件插值而高達幾百甚至幾千萬像素的攝像頭來說，實際效果很有可能與幾十萬像素的差不多?？偟膩碚f，圖像是否清晰，光看像素可是不行的，它還與鏡頭材質、軟件處理等其它各方面息息相關。攝像頭的一些技術指標1、圖像解析度/分辨率(Resolution):SXGA(1280X1024)又稱130萬像素XGA(1024x768)又稱80萬像素SVGA(800x600)又稱50萬像素VGA(640x480)又稱30萬像素(35萬是指648X488)CIF(352x288)又稱10萬像素SIF/QVGA(320x240)QCIF(176x144)QSIF/QQVGA(160x120)2、圖像格式(imageFormat/Colorspace)RGB24,I420是目前最常用的兩種圖像格式。RGB24:表示R、G、B三種顏色各8bit，最多可表現256級濃淡，從而可以再現256*256*256種顏色。1420:YUV格式之一。其它格式有：RGB565,RGB444,YUV4:2:2等。3、自動白平衡調整(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，需要調節(jié)三基色的比例來達到彩色的平衡，這就是白平衡調節(jié)的實際。4、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，圖像質量也就越差。當圖像精度要求不高存儲空間有限時，可以選擇這種格式。目前大部分數碼相機都使用JPEG格式。5、彩色深度(色彩位數)反映對色彩的識別能力和成像的色彩表現能力，實際就是A/D轉換器的量化精度，是指將信號分成多少個等級。常用色彩位數(bit)表示。彩色深度越高，獲得的影像色彩就越艷麗動人。6、圖像噪音指的是圖像中的雜點干撓。表現為圖像中有固定的彩色雜點。7、視角與人的眼睛成像是相成原理，簡單說就是成像范圍。視頻捕獲速度視頻捕獲能力是用戶最為關心的功能之一，很多廠家都聲稱能達到30幀/秒的視頻捕獲能力，但實際使用時并不能盡如人意。視頻捕獲對電腦的要求比較高，如CPU的處理能力要足夠的快等。其次對畫面要求大小和清晰度的不同，捕獲能力也不盡相同。對于很多廠商宣傳的視頻捕獲速度，只是一種理論指標。用戶應根據自己的切實需要，選擇合適的產品以達到預期的效果。攝像頭又稱視頻頭。攝像頭主要有鏡頭、CCD圖像傳感器、預中放、AGC、A/D、同步信號發(fā)生器、CCD驅動器、圖像信號形成電路、D/A轉換電路和電源的電路構成。攝像頭的主要圖像傳感部件是CCD(ChargeCoupledDevice)，即電荷耦合器件，它具有靈敏度高、畸變小、壽命長、抗震動、抗磁場、體積小、無殘影等特點，CCD是電耦合器件(ChargeCoupleDevice)的簡稱，它能夠將光線變?yōu)殡姾刹⒖蓪㈦姾蓛Υ婕稗D移，也可將儲存之電荷取出使電壓發(fā)生變化，因此是理想的攝像元件，是代替攝像管傳感器的新型器件。攝像頭的工作原理是：被攝物體反射光線，傳播到鏡頭，經鏡頭聚焦到CCD芯片上，CCD根據光的強弱積聚相應的電荷，經周期性放電，產生表示一幅幅畫面的電信號，經過預中放電路放大、AGC自動增益控制，于由圖像處理芯片處理的是數字信號，所以經模數轉換到圖像數字信號處理IC（DSP）。同步信號發(fā)生器主要產生同步時鐘信號（由晶體振蕩電路來完成），即產生垂直和水平的掃描驅動信號，到圖像處理IC。然后，經數模轉換電路通過輸出端子輸出一個標準的復合視頻信號。這個標準的視頻信號同家用的錄像機、VCD機、家用攝像機的視頻輸出是一樣的，所以也可以錄像或接到電視機上觀看。圖像數字信號處理主是有SONIX（松翰）和VIMICRO（中星微）等。圖像傳感器（SENSOR）：是一種半導體芯片，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，就會產生電荷。目前市場上主流攝像頭使用的感光元件主要是CCD和CMOS兩種。它們的作用相當于傳統(tǒng)相機中的底片。CCD的分辨率高，色彩還原逼真，已經成為百萬像素級的數碼攝影器材里的主角，但是其價格昂貴；與CCD相比，CMOS具有節(jié)能及成本低等特點。而且在百萬像素內CMOS的感光效果完全可以和CCD媲美，因而攝像頭幾乎全都采用CMOS作為感光元件。目前市場上的攝像頭產品采用的CMOS品牌較多，主要有MICRON，HYNIX，CISENSOR，TASC等等前四家的市場占有率接近100%。CCD可分為線陣CCD、三線CCD、面陣CCD和交織傳輸CCD。攝像頭采用是面陣CCD圖像傳感器。CCD芯片就像人的視網膜，是攝像頭的核心。目前我國尚無能力制造，市場上大部分攝像頭采用的是日本SONY、SHARP、松下、LG等公司生產的芯片，現在韓國也有能力生產，但質量就要稍遜一籌。因為芯片生產時產生不同等級，各廠家獲得途徑不同等原因，造成CCD采集效果也大不相同。在購買時，可以采取如下方法檢測：接通電源，連接視頻電纜到監(jiān)視器，關閉鏡頭光圈，看圖像全黑時是否有亮點，屏幕上雪花大不大，這些是檢測CCD芯片最簡單直接的方法，而且不需要其它專用儀器。然后可以打開光圈，看一個靜物，如果是彩色攝像頭，最好攝取一個色彩鮮艷的物體，查看監(jiān)視器上的圖像是否偏色，扭曲，色彩或灰度是否平滑。好的CCD可以很好的還原景物的色彩，使物體看起來清晰自然；而殘次品的圖像就會有偏色現象，即使面對一張白紙，圖像也會顯示藍色或紅色。個別CCD由于生產車間的灰塵，CCD靶面上會有雜質，在一般情況下，雜質不會影響圖像，但在弱光或顯微攝像時，細小的灰塵也會造成不良的后果。攝像頭的分類如下：1、依成像色彩劃分彩色攝像機：適用于景物細部辨別，如辨別衣著或景物的顏色。黑白攝像機：適用于光線不充足地區(qū)及夜間無法安裝照明設備的地區(qū)，在僅監(jiān)視景物的位置或移動時，可選用黑白攝像機。2、依分辨率靈敏度等劃分影像像素在38萬以下的為一般型，其中尤以25萬像素（512*492）、分辨率為400線的產品最普遍。影像像素在38萬以上的高分辨率型。3、 按CCD靶面大小劃分CCD芯片已經開發(fā)出多種尺寸：目前采用的芯片大多數為1/3"和1/4"。在購買攝像頭時，特別是對攝像角度有比較嚴格要求的時候，CCD靶面的大小，CCD與鏡頭的配合情況將直接影響視場角的大小和圖像的清晰度。1英寸--靶面尺寸為寬12.7mm*高9.6mm，對角線16mm。2/3英寸--靶面尺寸為寬8.8mm*高6.6mm，對角線11mm。1/2英寸--靶面尺寸為寬6.4mm*高4.8mm，對角線8mm。1/3英寸--靶面尺寸為寬4.8mm*高3.6mm，對角線6mm。1/4英寸--靶面尺寸為寬3.2mm*高2.4mm，對角線4mm。4、 按掃描制式劃分PAL制。NTSC制。中國采用隔行掃描（PAL）制式（黑白為CCIR），標準為625行，50場，只有醫(yī)療或其它專業(yè)領域才用到一些非標準制式。另外，日本為NTSC制式，525行，60場（黑白為EIA）。5、按照度劃分，CCD又分為：普通型正常工作所需照度1~3LUX月光型正常工作所需照度0.1LUX左右星光型正常工作所需照度0.01LUX以下紅外型采用紅外燈照明，在沒有光線的情況下也可以成像6、按外觀分：有機板型、針孔型、半球型。CCD彩色攝像頭的主要技術指標CCD尺寸，亦即攝像機靶面。原多為1/2英寸，現在1/3英寸的已普及化，1/4英寸和1/5英寸也已商品化。CCD像素，是CCD的主要性能指標，它決定了顯示圖像的清晰程度，分辨率越高，圖像細節(jié)的表現越好。CCD是由面陣感光元素組成，每一個元素稱為像素，像素越多，圖像越清晰?，F在市場上大多以25萬和38萬像素為劃界，38萬像素以上者為高清晰度攝像機。水平分辨率。彩色攝像機的典型分辨率是在320到500電視線之間，主要有330線、380線、420線、460線、500線等不同檔次。分辨率是用電視線(簡稱線TVLINES)來表示的，彩色攝像頭的分辨率在330?500線之間。分辨率與CCD