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王小二的博客

勤俭以修身,淡泊以明志

 
 
 

日志

 
 

摄像头的工作原理  

2010-12-23 10:23:03|  分类: 专业相关 |  标签: |举报 |字号 订阅

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摄像头的工作原理大致为:景物通过镜头(LENS)生成的光学图像投射到图像传感器表面上,然后转为电信号,经过A/D(模数转换)转换后变为数字图像信号,再送到数字信号处理芯片(DSP)中加工处理,再通过USB接口传输到电脑中处理,通过显示器就可以看到图像了。


摄像头的工作原理 - 进步青年 -  激情燃烧的岁月
  注1:图像传感器(SENSOR)是一种半导体芯片,其表面包含有几十万到几百万的光电二极管。光电二极管受到光照射时,就会产生电荷。
  注2:数字信号处理芯片DSP(DIGITAL SIGNAL PROCESSING)功能:主要是通过一系列复杂的数学算法运算,对数字图像信号参数进行优化处理,并把处理后的信号通过USB等接口传到PC等设备。
DSP结构框架:
1. ISP(image signal processor)(镜像信号处理器)
2. JPEG encoder(JPEG图像解码器)
3. USB device controller(USB设备控制器)
四、摄像头的主要结构和组件
从摄像头的工作原理就可以列出摄像头的主要结构和组件:

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1、              主控芯片(详情请参阅:《影响摄像头的关键元器件是什么?》)
2、              感光芯片(详情请参阅:《影响摄像头的关键元器件是什么?》)
3、              镜头(详情请参阅:《影响摄像头的关键元器件是什么?》)
4、              电源
摄像头内部需要两种工作电压:3.3V和2.5V,因此好的摄像头内部电源也是保证摄像头稳定工作的一个因素。
五、摄像头的一些技术指标
    1、 图像解析度/分辨率(Resolution):
       ●SXGA(1280 x1024)又称130万像素
       ●XGA(1024 x768)又称80万像素
         ●SVGA(800 x600)又称50万像素
       ●VGA(640x480)又称30万像素(35万是指648X488)
       ●CIF(352x288) 又称10万像素
       ●SIF/QVGA(320x240)
       ●QCIF(176x144)
         ●QSIF/QQVGA(160x120)
   2、图像格式(image Format/ Color space)
   RGB24,I420是目前最常用的两种图像格式。
         ●RGB24:表示R、G、B三种颜色各8bit,最多可表现256级浓淡,
          从而可以再现256*256*256种颜色。
         ●I420:YUV格式之一。
         ●其它格式有: RGB565,RGB444,YUV4:2:2等。
   3、自动白平衡调整(AWB)
   定义:要求在不同色温环境下,照白色的物体,屏幕中的图像应也是白色的。
   色温表示光谱成份,光的颜色。色温低表示长波光成分多。
   当色温改变时,光源中三基色(红、绿、蓝)的比例会发生变化,
      需要调节三基色的比例来达到彩色的平衡,这就是白平衡调节的实际。
   4、图像压缩方式
   JPEG:(joint photographic expert group)静态图像压缩方式。
      一种有损图像的压缩方式。压缩比越大,图像质量也就越差。当图像精度要求
      不高存储空间有限时,可以选择这种格式。目前大部分数码相机都使用JPEG格式。
   5、彩色深度(色彩位数)
   反映对色彩的识别能力和成像的色彩表现能力,实际就是A/D转换器的量化精度,
      是指将信号分成多少个等级。常用色彩位数(bit)表示。彩色深度越高,获得的影像
      色彩就越艳丽动人。
   6、图像噪音
   指的是图像中的杂点干挠。表现为图像中有固定的彩色杂点。
   7、视角
     与人的眼睛成像是相成原理,简单说就是成像范围。
   8、输出/输入接口
     串行接口(RS232/422):传输速率慢,为115kbit/s
   并行接口(PP):速率可以达到1Mbit/s
   红外接口(IrDA):速率也是115kbit/s,一般笔记本电脑有此接口
   通用串行总线USB:即插即用的接口标准,支持热插拔。
      USB1.1速率可达12Mbit/s,USB2.0可达480bit/s
   IEEE1394(火线)接口(亦称ilink):其传输速率可达100M~400Mbit/s
【→摄像头的进一步认识←】
从摄像头的组成来看决定一个摄像头的品质从硬件上来说主要是:镜头、主控芯片与感光芯片。
1、 镜头(LENS)
五层“全玻”,也算目前顶级的摄像头镜头了。

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  镜头的组成是透镜结构,由几片透镜组成,一般有塑胶透镜(plastic)或玻璃透镜(glass)。通常摄像头用的镜头构造有:1P、2P、1G1P、1G2P、2G2P、4G等。透镜越多,成本越高;玻璃透镜比塑胶贵。因此一个品质好的摄像头应该是采用玻璃镜头,成像效果就相对塑胶镜头会好。现在市场上的大多摄像头产品为了降低成本,一般会采用塑胶镜头或半塑胶半玻璃镜头(即:1P、2P、1G1P、1G2P等)。
2、 感光芯片 (SENSOR)
感光芯片,也叫图像传感器,美光(Micro)MI360 CMOS图像传感器

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  图像传感器分为两类:CCD(charge couple device) :电荷耦合器件
  CMOS(complementary metal oxide semiconductor):互补金属氧化物半导体
  CCD的优点是灵敏度高,噪音小,信噪比大。但是生产工艺复杂、成本高、功耗高。
  CMOS的优点是集成度高、功耗低(不到CCD的1/3)、成本低。但是噪音比较大、灵敏度较低、对光源要求高。
  在相同像素下CCD的成像往往通透性、明锐度都很好,色彩还原、曝光可以保证基本准确。而CMOS的产品往往通透性一般,对实物的色彩还原能力偏弱,曝光也都不太好。所以我们在使用摄像头,尤其是采用CMOS芯片的产品时就更应该注重技巧:
  首先不要在逆光环境下使用(这点CCD同),尤其不要直接指向太阳,否则“放大镜烧蚂蚁”的惨剧就会发生在您的摄像头上。
  其次环境光线不要太弱,否则直接影响成像质量。克服这种困难有两种办法,一是加强周围亮度,二是选择要求最小照明度小的产品,现在有些摄像头已经可以达到5lux。最后要注意的是合理使用镜头变焦,不要小瞧这点,通过正确的调整,摄像头也同样可以拥有拍摄芯片的功能。
  目前,市场销售的数码摄像头中,基本是CCD和CMOS平分秋色。在采用CMOS为感光元器件的产品中,通过采用影像光源自动增益补强技术,自动亮度、白平衡控制技术,色饱和度、对比度、边缘增强以及伽马矫正等先进的影像控制技术,完全可以达到与CCD摄像头相媲美的效果。
  受市场情况及市场发展等情况的限制,摄像头采用CCD图像传感器的厂商为数不多,主要原因是采用CCD图像传感器成本高的影响。
3、 主控芯片(DSP)
中星微(VIMICRO)301Plus主控芯片,是目前摄像头中最好的核心IC之一

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  在DSP的选择上,是根据摄像头成本、市场接受程度来进行确定。现在DSP厂商在设计、生产DSP的技术已经逐渐成熟,在各项技术指标上相差不是很大,只是有些DSP在细微的环节及驱动程序要进行进一步改进。
4、 图像解析度/分辨率(Resolution):
  摄像头的图像解析度/分辨率也就是我们常说的多少像素的摄像头,在实际应用中,摄像头的像素越高,拍摄出来的图像品质就越好,但另一方面也并不是像素越高越好,对于同一画面,像素越高的产品它的解析图像的能力也越强,但相对它记录的数据量也会大得多,所以对存储设备的要求也就高得多,因而在选择时宜采用当前的主流产品。由于受到摄像头价格、电脑硬件、成像效果等因素的影响,现在市面上的摄像头基本在30万像素这个档次上进行销售。还有就是由于CMOS成像效果在高像素上并不理想,因此统治高像素摄像头的市场仍然是CCD摄像头。
  值得注意的一点:有些分辨率的标识是指这些产品利用软件所能达到的插值分辨率,虽然说也能适当提高所得图像的精度,但和硬件分辨率相比还是有着一定的差距的。

摄像头感光器件:CCD一定比CMOS好吗?

  在选择摄像头时,镜头是很重要的。按感光器件类别来分,现在市场上摄像头使用的镜头大多为CCD和CMOS两种,其中CCD(Charge Coupled Device,电荷耦合组件)因为价格较高更多是应用在摄像、图象扫描方面的高端技术组件,CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor,附加金属氧化物半导体组件)则大多应用在一些低端视频产品中。

1

  感光器件是摄像头主要的技术核心,它的原理基本上与DC、DV一致。对于CCD和CMOS两种镜头而言,不少人可能会因为CCD比较昂贵而认为用CCD的摄像头一定比用CMOS的摄像头好,其实这样的想法是不对的!这只不过是厂商的卖点罢了,事实上,二者各有优点:

  CCD的优点是灵敏度高,噪音小,信噪比大。但是生产工艺复杂、成本高、功耗高。

  CMOS的优点是集成度高、功耗低(不到CCD的1/3)、成本低。但是噪音比较大、灵敏度较低、对光源要求高。在相同像素下CCD的成像往往通透性、明锐度都很好,色彩还原、曝光可以保证基本准确。而CMOS的产品往往通透性一般,对实物的色彩还原能力偏弱,曝光也都不太好。

  目前,市场销售的数码摄像头中,基本是采用的CMOS的摄像头。在采用CMOS为感光元器件的产品中,通过采用影像光源自动增益补强技术,自动亮度、白平衡控制技术,色饱和度、对比度、边缘增强以及伽马矫正等先进的影像控制技术,完全可以达到与CCD摄像头相媲美的效果。受市场情况及市场发展等情况的限制,摄像头采用CCD图像传感器的厂商为数不多,主要原因是采用CCD图像传感器成本高的影响。
  所以,大家在购买摄像头时,不要盲目听信商家的介绍,使用COMS的摄像头并不比CCD的差,我们没必要过多的在这上面花功夫。

摄像头芯片:进入免驱时代

2

  现在主流摄像头基本上都已采用了免驱的芯片,好的会采用中星微等知名厂家推出的免驱芯片;而一些劣质产品可能会采用一些劣质芯片以达到其低价的效果,虽然价格是低了,但是质量就难以得到保障了

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