USB攝像頭工作原理講解.ppt

1、A,1,USB 攝像頭的工作原理,A,2,目錄,1、簡(jiǎn)介 2、分類 3、工作原理 4、結(jié)構(gòu)和組件 5、技術(shù)指標(biāo) 6、發(fā)展趨勢(shì),A,3,一、簡(jiǎn)介,1.0常規(guī)介紹 2.0技術(shù)介紹,A,4,一、簡(jiǎn)介,1.0常規(guī)介紹 攝像頭(CAMERA)又稱為電腦像機(jī)、電腦眼等，它作為一種視頻入設(shè)備，在過(guò)去廣泛地應(yīng)用于視頻會(huì)議、遠(yuǎn)程醫(yī)療、實(shí)時(shí)監(jiān)控等方面。 近年以來(lái)，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(jià)格低到可以令普通老百姓可以接受消費(fèi)水平。同時(shí)這兩年CAMERA被廣泛應(yīng)用于MOBILE PHONE，這樣一來(lái),更加促進(jìn)了感光成像技術(shù)的進(jìn)一

2、步提高，如:30萬(wàn)像素，130萬(wàn)像素，200萬(wàn)像素，300萬(wàn)像素等。,A,5,一、簡(jiǎn)介,2.0技術(shù)介紹 2.0 Technology of presentation技術(shù)介紹 General Description 簡(jiǎn)介The camera module is a sensors on board module designed for mobile application where low power consumption and small size are of utmost importance. Proprietary sensor technology utilizes adva

3、nced algorithms to cancel Fixed Pattern Noise (FPN),eliminate smearing, and drastically reduce blooming. All required camera functions are programmable through the Serial Camera Control Bus (SCCB )interface. The device can be programmed to provide image output in various fully processed and encoded

4、formats.Application PC Camera/ Dual Mode, and Cellular phones Video conference equipment, Machine vision, Security camera, Biometrics, Digital Still Cameras,A,6,二、分類,1.0DIGITAL CAMERA數(shù)字式 2.0DIGITAL STILL CAMERA模擬式,A,7,二、分類,1.0DIGITAL CAMERA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(guò)串、并口或USB接口連接到HOST SYSTEM上，

5、現(xiàn)在CAMERA市場(chǎng)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(dú)立)，在手機(jī)和電腦上主要是直接通過(guò)IO(BTB/USB/MINI/ USB)與HOST SYSTEM連接，經(jīng)過(guò)SYSTEM的編輯后以數(shù)字信號(hào)輸出到DISPLAY上顯示。目前CAMERA市場(chǎng)上主流的CAMERA都是DIGITAL CAMERA。,A,8,二、分類,2.0SIMULANT CAMERA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(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，進(jìn)而將其存儲(chǔ)到SYSTEM MEMORY里。模擬攝像頭捕捉到的視頻信號(hào)必須經(jīng)過(guò)特定的視頻捕捉卡將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字模式，并加以

6、壓縮后才可以轉(zhuǎn)換到HOST SYSTEM上運(yùn)用，經(jīng)過(guò)HOST SYSTEM 的編輯，通過(guò)DISPLAY顯示和輸出。,A,9,三、工作原理,1.0GENERAL DESCRIP原理 2.0SYSTEM SHOW 攝像頭主要由鏡頭、影像傳感器（主要是CCD/CMOS器件）、DSP等組成，被攝物體經(jīng)過(guò)鏡頭聚焦至CCD上，CCD由多個(gè)X-Y縱橫排列的像素點(diǎn)組成，每個(gè)像素都由一個(gè)光電二極管及相關(guān)電路組成，光電二極管將光線轉(zhuǎn)變成電荷，收集到的電荷總量與光線強(qiáng)度成比例，所積累的電荷在相關(guān)電路的控制下，逐點(diǎn)移出，經(jīng)濾波、放大，再經(jīng)過(guò)DSP處理后形成視頻信號(hào)輸出。,A,10,三、工作原理,1.0工作原理 攝像頭

7、的工作原理大致為:景物通過(guò)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(hào)，經(jīng)過(guò)A/D(模/數(shù))轉(zhuǎn)換后變成數(shù)字圖像信號(hào)，再送到數(shù)字處理芯片(DSP)中加工處理，再通過(guò)I/O接口傳輸?shù)诫娔X中進(jìn)行處理后，再通過(guò)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(hào)處理芯片(DSP),電腦(PC),圖像(PIC),A,11,主控的內(nèi)部工作原理,A,12,四、組件與結(jié)構(gòu),3017鏡頭(LENS),A,13,四、組件與結(jié)構(gòu),1.0 LENS（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(PL

8、ASTIC)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(chǎng)上針對(duì) MOBILE PHONE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。,A,14,四、組件與結(jié)構(gòu)CMOS傳感器,A,15,四、組件與結(jié)構(gòu),7670傳感器(SENSOR),A,16,四、組件與結(jié)構(gòu),2.0 SENSOR（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(wàn)到幾百萬(wàn)的光電二極管。光電二極

9、管受到光照射時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電荷。 目前的SENSOR類型有兩種： CCD （Charge Couple Device)，電荷耦合器件 CMOS （Complementary Metal Oxide Semiconductor），互補(bǔ)金屬氧化物,A,17,四、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(kuò)大CCD 的采光率必須擴(kuò)大單一象素的受光面積，在提高采光率的同時(shí)會(huì)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(kāi)口面積決定而是由LENS 的表面積決

10、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(shí)別的顏色都可以通過(guò)R.G.B 來(lái)組成， RGB 就是通過(guò)這三個(gè)通道的顏色調(diào)節(jié)而成。 B. CMYK 補(bǔ)色分色法，由四個(gè)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(lái)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(guò)濾色層的光源轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)，并將信號(hào)傳送到影像DSP ），將影像還原。,A,18,四、組件與結(jié)構(gòu),CCD與CMOS的差異 A. 總體比較

11、 CCD 的優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)是集成度高（將AADC與訊號(hào)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(duì)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(duì)實(shí)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(guò)采用影像光源自動(dòng)增益補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)，自動(dòng)亮度、白平衡控制技術(shù)，色飽和度、對(duì)比度、邊緣增強(qiáng)以及伽馬矯正等先進(jìn)的影像控制技術(shù)，完全可以達(dá)到與CCD 攝像頭相媲美的效果。,

12、A,19,四、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(wú)法ADC和訊號(hào)處理器，導(dǎo)致需要使用34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(dòng)，只需要一組電源。,A,20,四、組件與結(jié)構(gòu),以GC0307傳感器為例介紹,A,21,四、組件與結(jié)構(gòu),2.外圍電路說(shuō)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(guò)電容接地。不需要引出

13、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(shí)盡量靠近 Pin 腳。 RESET pin 沒(méi)有引出，由芯片內(nèi)部控制。 SBCL/SBDA pin 內(nèi)部已有上拉電阻，系統(tǒng)板可以不加上拉電阻。,A,22,四、組件與結(jié)構(gòu),管腳說(shuō)明 : 管腳號(hào) 名稱 管腳類型 功能/說(shuō)明 A1 AVDD25 電源 模擬電路電壓，內(nèi)部產(chǎn)生，通過(guò)0.1F或1uF 的電容接地 A2 VREF 電源 數(shù)字參考電源，通過(guò) 0.1F 的電容接地 A3 SBDA 輸入/出 串行通訊口數(shù)據(jù)線 A4 SBCL 輸入 串行通訊口時(shí)鐘線 A5 D7 輸出 YUV/RGB 輸出位7 B1

14、 GND 電源 模擬/數(shù)字地 B2 PWDN 輸入 0：正常模式;1：省電模式 B3 HSYNC 輸出 HREF 輸出 B4 D6 輸出 YUV/RGB 輸出位6 B5 D5 輸出 YUV/RGB 輸出位5 C1 VSYNC 輸出 VSYNC 輸出 C2 D0 輸出 YUV/RGB 輸出位0 C3 D3 輸出 YUV/RGB 輸出位3 C4 D4 輸出 YUV/RGB 輸出位4 C5 PCLK 輸出 Pixel 時(shí)鐘輸出 D1 DVDD28 電源 主供電電源 2.8V，通過(guò) 0.1F 或 1uF 的電容接地 D2 D1 輸出 YUV/RGB 輸出位1 D3 D2 輸出 YUV/RGB 輸出位2

15、 D4 DVDD18 電源 數(shù)字電路電源，1.8V，內(nèi)部產(chǎn)生，通過(guò) 0.1F或 1uF 的電容接地 D5 IN_CLK 輸入 系統(tǒng)時(shí)鐘輸入 *D7:0 8 位 YUV 或 RGB 數(shù)據(jù)（D7MSB， D0 LSB） *Reset 內(nèi)部拉高，外部沒(méi)有 PIN 腳引出,A,23,四、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(shí)就更應(yīng)該注重技巧： A.不要在逆光環(huán)境下使用（這點(diǎn)CCD 同），尤其不要直接指向太陽(yáng)，否則“ 放大鏡燒螞蟻” 的慘劇就會(huì)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(qiáng)周圍亮度，二是選擇要求最小照明度小的

16、產(chǎn)品，現(xiàn)在有些攝像頭已經(jīng)可以達(dá)到5lux 。 要注意的是合理使用鏡頭變焦，不要小瞧這點(diǎn)，通過(guò)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(chǎng)情況及市場(chǎng)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MOBILE PHONE、電腦上使用的CAMREA還是以CMOS 為主，不僅是價(jià)格而且體積也是影響在MOBILE PHONE上使用CCD CAMERA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(shí),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(duì)吹!,A,24,四、組件與

17、結(jié)構(gòu),A/D轉(zhuǎn)換器 A/D 轉(zhuǎn)換器即ADC(Analog Digital Converter模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器) ADC 的兩個(gè)重要指標(biāo)是轉(zhuǎn)換速度和量化精度，由于 CAMERA SYSTEM中高分辨率圖象的象素量龐大，因此對(duì)速度轉(zhuǎn)換器的要求很高。同時(shí)量化精度對(duì)應(yīng)的ADC 轉(zhuǎn)換器將每一個(gè)象素的亮度和色彩值量化為若干的等級(jí)，這個(gè)等級(jí)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/D,A,25,四、組件與結(jié)構(gòu),數(shù)字信號(hào)處理芯片（DSP ） : 數(shù)字信號(hào)處理芯片DSP （DIGITAL SIGNAL PROCESSING）功能：主要是通過(guò)一系列復(fù)雜的數(shù)學(xué)算法運(yùn)算，對(duì)數(shù)

18、字圖像信號(hào)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化處理，并把處理后的信號(hào)通過(guò)USB 等接口傳到PC 等設(shè)備。 DSP 結(jié)構(gòu)框架: A. ISP（image signal processor）（鏡像信號(hào)處理器） B. JPEG encoder（JPEG 圖像解碼器） C. USB device controller（USB 設(shè)備控制器）,A,26,五、技術(shù)指標(biāo),1.0 圖像壓縮方式 JPEG ：(joint photographic expert group) 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(chǔ)空間有限時(shí)，可以選擇這種格式。目前大部分?jǐn)?shù)碼相機(jī)都使用 JPEG 格式

19、。 2.0圖像噪音 指的是圖像中的雜點(diǎn)干撓。 表現(xiàn)為圖像中有固定的彩色雜點(diǎn)。 3.0視角 與人的眼睛成像是相成原理，簡(jiǎn)單說(shuō)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(zhǎng)波光成分多。 當(dāng)色溫改變時(shí)，光源中三基色（紅、綠、藍(lán)）的比例會(huì)發(fā)生變化，需要調(diào)節(jié)三基色的比例來(lái)達(dá)到彩色的平衡，這就是白平衡調(diào)節(jié)的實(shí)際。 圖象傳感器的圖象數(shù)據(jù)被讀取后，系統(tǒng)將對(duì)其進(jìn)行針對(duì)鏡頭的邊緣畸變的運(yùn)算修正，然后經(jīng)過(guò)壞像處理后被系統(tǒng)送進(jìn)去進(jìn)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

20、白色，是因?yàn)槿搜圻M(jìn)行了修正。但是SENSOR沒(méi)有這種功能，因此需要對(duì)SENSOR輸出的信號(hào)進(jìn)行一定的修正，這就是白平衡處理技術(shù)）。,A,27,五、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(gè)因素。 6.0 彩色深度（色彩位數(shù)） 反映對(duì)色彩的識(shí)別能力和成像的色彩表現(xiàn)能力，就是用多少位的二進(jìn)制數(shù)字來(lái)記錄三種原色。 實(shí)際就是A/D 轉(zhuǎn)換器的量化精度，是指將信號(hào)分成多少個(gè)等級(jí)，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(dòng)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28=256 級(jí)，每一種原色用一個(gè)8 位的二進(jìn)制數(shù)字來(lái)記錄，最多記錄的色彩是256 256 256 約16 ，77 萬(wàn)種。 36 位的SENSOR，感光單元能記錄的光亮度值最多有212=4096級(jí)，每一種原色用一個(gè)12 位的二進(jìn)制數(shù)字來(lái)記錄，最多記錄的色彩是4096 4096 4096 約68.7 億種。,A,28,五、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(dá)到1Mbit/s 紅外接口（IrDA ）：速率也是115kbi