摄像头的结构原理

艳阳高照 · 发表于 2015-12-24 13:53:55

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科缔美摄像头分为数字摄像头和模拟摄像头两大类。数字摄像头可以将视频采集设备产生的模拟视频信号转换成数字信号，进而将其储存在计算机里。模拟摄像头捕捉到的视频信号必须经过
摄像头
特定的视频捕捉卡将模拟信号转换成数字模式，并加以压缩后才可以转换到计算机上运用。数字摄像头可以直接捕捉影像，然后通过串、并口或者USB接口传到计算机里。现在电脑市场上的摄像头基本以数字摄像头为主，而数字摄像头中又以使用新型数据传输接口的USB数字摄像头为主，目前市场上可见的大部分都是这种产品。除此之外还有一种与视频采集卡配合使用的产品，但目前还不是主流。由于个人电脑的迅速普及，模拟摄像头的整体成本较高等原因，USB接口的传输速度远远高于串口、并口的速度，因此现在市场热点主要是USB接口的数字摄像头。以下主要是指USB接口的数字摄像头。
摄像头的结构

摄像头的结构

结构组件
　　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：
1、镜头（LENS）
　　透镜结构，由几片透镜组成,有塑胶透镜（plastic）或玻璃透镜（glass）。
2、图像传感器（SENSOR）
　　可以分为两类：　　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
3、数字信号处理芯片（DSP）
　　DSP生产厂商较多，市面上较为流行的有： VIMICRO（中星微）301P/L、SONIX（松瀚）102/120/128、ST（罗技LOGITECH的DSP提供商）、SUNPLUS（SUN+重点发展单芯片的CIF和VGA，但图像质量一般）、PIXART（原相）PAC207单芯片CIF、SQ（倚强）SQ930C等。
4、电源
　　摄像头内部需要两种工作电压：3.3V和2.5V，最新工艺芯片有用到1.8V．
普通版摄像头
　　1、远程监控摄像头是远程监控摄像头，主分普通版、加强版和户外版三类，可以左右320度，上下60度旋转监视，对画面进行拍照，录相，并可将照片、录相发到邮箱或者FTP服务器上，摄像机具有移动侦测功能, 可设定发送电子邮件示警等。网络人远程监控摄像机与传统摄像头最根本的地方在于无须布线，无须大面积硬件辅助，只要一根网线，您便可以在世界任意一角落远程监视到您想要监控的地方。　　2、网络人远程监控摄像机普通版是一种结合传统摄像机与网络技术所产生的新一代摄像机，只要将网络人摄像机插在网线上（无需电脑），它即可将影像透过网络传至地球另一端。可以遥控摄像机左右320度,上下60度旋转，进行监视,并将监视画面录制下来，发到邮箱或者FTP服务器上…在你的公司或者仓库、铺面、家庭安装一个网络人摄像机，那么你即使到了他方异地，只要能上网，也可以远程进行监视。普通公司打造一个视频控制平台，没有几万或者几十万是办不到的，并且只能在固定的监视平台实施控制（你不可能在家中或者在外地进行控制），而购买网络人摄像机，安装简单（插在网线上即可），无需做端口映射，部署成本低廉，便可实现在异地监控。
加强版摄像头
　　（2）网络人远程监控摄像机加强版相较于普通版网络人远程监控摄像机加强版性能更加强悍，能轻松实现高清晰图像的低网络带宽传输，图像较普通版的摄像机更清晰、并且实现夜视、音频传输等新功能、动态报警、可设置报警时间区域、异常自动恢复、网络中断后自动连接等新功能。　　（3）户外版：网络人远程监控摄像机户外版相比于前两者其性能优越的地方在于强悍的户外视频监控功能，与加强版不同的是，它使用的是专业的CCD感光芯片（420线），半球防护罩，防水并且耐高温，抑制强光、红外夜视；可以适应较恶劣的室外环境，支持无线路由等，普遍应用于荒野地带，禁忌涉足区域，危险地带，诸如建筑工地、小区别墅、工厂、施工重地等。用其来实时监视怀孕妇女生活动向为其人身安全保驾护航最是适合不过了。
编辑本段工作原理
　　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。
编辑本段技术指标
　　1、图像解析度/分辨率(Resolution) 摄像头的结构
摄像头
●SXGA(1280x1024)又称130万像素　　●XGA(1024x768)又称80万像素　　●SVGA(800x600)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(imageFormat/Colorspace) 　　RGB24，420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：(jointphotographicexpertgroup)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。现在市场上的摄像头均已达到24位，有的甚至是32位　　6、图像噪音　　指的是图像中的杂点干扰。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同原理，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480Mbit/s 　　IEEE1394(火线)接口(亦称ilink):其传输速率可达100M~400Mbit/s

多姿多彩摄像头(8张)
编辑本段选购指南
　　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。
镜头(LENS)
　　五层“全玻”，也算目前顶级的摄像头镜头了。镜头的组成是透镜结构，　　
摄像头
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)。　　摄像头的核心就是镜头，现在市面上的分别有两种感光元器件的镜头，一种是CCD（Charge Coupled Device，电荷耦合器），一般是用于摄影摄像方面的高端技术元件，应用技术成熟，成像效果较好，但是价格相对而言较贵。另外一种是比较新型的感光器件CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体），它相对于CCD来说价格低，功耗小。较早期的CMOS对光源的要求比较高，现在在采用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，可以接近CCD摄像头的效果。现在的高端摄像头，比如Logitech,Creative的产品基本都采用的是CCD感光元器件,主流产品则基本是CCD和CMOS平分秋色,总的来说还是CCD的效果好一点，目前CCD元件的尺寸多为1/3英寸或者1/4英寸，在相同的分辨率下，宜选择元件尺寸较大的为好。用户可以根据自己的喜好来选购。
感光芯片
　　(SENSOR) 是组成数码摄像头的重要组成部分，根据元件不同分为　　CCD（Charge Coupled Device，电荷耦合元件）应用在摄影摄像方面的高端技术元件。　　CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，金属氧化物半导体元件）应用于较低影像品质的产品中。　　目前CCD元件的尺寸多为1/3英寸或者1/4英寸，在相同的分辨率下，宜选择元件尺寸较大的为好。　　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。
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　　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。
图像解析度
　　(Resolution)即传感器像素，也就是我们常说的多少像素的摄像头，是衡量摄像头的一个重要指标之一，一些产品都会在包装盒标着30万像素或35万像素。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。
视频捕获速度
　　视频捕获能力是用户最为关心的功能之一，很多厂家都声称最大30帧/秒的视频捕获能力，但实际使用时并不能尽如人意。目前摄像头的视频捕获都是通过软件来实现的，因而对电脑的要求非常高，即CPU的处理能力要足够的快，其次对画面要求的不同，捕获能力也不尽相同。现在摄像头捕获画面的最大分辨率为640×480，在这种分辨下没有任何数字摄像头能达到30帧/秒的捕获效果，因而画面会产生跳动现象。比较现实的是在320×240分辨率下依靠硬件与软件的结合有可能达到标准速率的捕获指标，所以对于完全的视频捕获速度，只是一种理论指标。用户应根据自己的切实需要，选择合适的产品以达到预期的效果　　除了上述说的这些之外，用户购买时还可以考虑的因素包括附带软件，摄像头外型，镜头的灵敏性，是否内置麦克风等等，另外比如Logitech和网站合作，可以使用户设置网上摄像机或进行网络实况转播。这些售后的服务也可以在考虑范围之内。
编辑本段保养技巧
　　1、尽量避免将摄像头直接指向阳光，以免损害摄像头的图像感应器件。　　2、避免摄像头和油、蒸气、水气、湿气和灰尘等物质接触，避免和水直接接触。　　3、不要使用刺激的清洁剂或有机溶剂擦拭摄像头。　　4、不要拉扯和扭转连接线，类摄像头保养有以下6条小秘诀，包括电脑摄像头和监控摄像头：　　5、非必要情况下，自己不要随意拆卸摄像头，试图碰触其内部零件，这容易对摄像头造成损伤，一旦损坏经销商估计也不会给予保修。　　6、仓储时，应当将摄像头存放在干净、干燥的地方。似动作可能会对摄像头造成损伤
编辑本段调试方法
　　在图像处理的嵌入式系统中，由于涉及机器视觉的处理分析，使得对图像生成工具摄像头的调试变得比较麻烦。
一、机器视觉简介
　　机器视觉就是用机器代替人眼来对外部环境进行感知并做出测量和判断。通过成像器件（即图像摄取装置，分CMOS和CCD两种）将被摄取目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号；图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，进而根据判别的结果来控制现场的设备动作。在一些对系统实时动作要求比较高的系统中，人的反应速度和信息处理能力是无法满足要求的，而机器视觉易于实现信息集成，和计算机控制系统相结合，可以提高系统的自动化程度。
二、摄像头调试目的
　　在嵌入式系统中摄像头调试的目的是使摄像头的机械和电气参数在满足系统要求下能产生质量最高的图像数据。一个涉及硬件和软件的成像系统，成像的质量好坏往往受到来自外界干扰和自身限制的很多因素的影响，这些影响会产生噪声和成像不均匀。来自软件层面的因素往往是算法的问题，这个层面的问题可以通过理论分析的数学计算解决，来自硬件层面的因素则而要用仪器进行调试，通过实验测量分析才能解决，由于硬件处理系统底层，所以硬件的质量会直接影响软件的质量，从而影响最终成像质量。对摄像头进行调试就是要从硬件层面上尽量消除干扰。
三、摄像头调试方法
　　由于嵌入式系统是一个比较广的概念，所以本文以HCS12作为主控芯片的摄像头组小车调试为例对调试方法进行介绍。　　（一）外部搭设电路连线CRT显示器　　从模拟摄像头上引出电源、地、信号三根引线，对摄像头供电，再将视频信号线接到电视盒视频输入接口。电视盒的VGA-OUT接至CRT显示器，从而实现CRT对经数字化的摄像头视觉进行显示。此种方法为完全硬件层面显示，提供和人眼视觉完全一样的显示效果，对摄像头安装和自身物理参数校正具有显著帮助。　　（二）片外扩展LCD液晶　　HCS12系列MCU中含有串行外设接口SPI（Serial Peripheral Interface），能实现MCU之间的数据传输，且其速度比通过串行异步通信（SCI）方式快。SPI模块也支持MCU也外围设备间的双向、同步、串行通信，实现MCU的外设扩展。　　市场上诺基亚3310液晶价格低廉，成像基于二值点阵，显示模块为48*84个点列，对相关信息显示表现为对相应点写入数据使其呈现不同颜色。　　1．显示字符在系统运行时以字符形式提示系统相关运行参数。每个字符占用点列8*6，需要6字节数据，完成字符显示只需在编程对指定位写入相应数据。由于该液晶模块本身不带有字库，所以在程序开始时要先定义ASCⅡ表字符的液晶显示点阵数据，即一个大小为N*6字节的二维数组。　　2．显示图片模拟摄像头采集的视频信号经过MCU的A/D数字化后，信息存储在一个40*70的二维数组中，再将数组二值化，便能在48*84分辨率的液晶模块中显示，使开发者实时对摄像头机器视觉进行观测。　　此种方法为硬件和软件相结合的显示方法，能实时跟踪显示摄像头相关信息，显示时不会打断系统运行流程。　　（三）自写串口通讯上位机软件　　利用MCU的SCI模块发送图片数据至PC机，上位机利用MSCOMM控件编程对通讯数据进行读取。读取数据后，便能利用windows程序强大的数据处理能力和图片显示能力对图片数据处理，如：根据数据对图片进行重绘，对数组滤波分析并显示滤波效果，将接收数组以文件形式导出为计算机仿真提供数据来源。　　此种方法为完全软件显示法，只而要从MCU收到数据，便能在PC机上实现一系列处理，对检验图形变换效果、滤波分析优劣以及数据仿真思想都有着其它方法无法比拟的优势。
四、三种方法优劣比较
　　1．CRT调视法。通过接入摄像头视频信号，CRT能高保真显示机器视觉。但只能局限于对摄像头参数测试和摄像头机械位置调整，对高级点的数字信号就无能为力了。　　2．LCD调试法。直接接在单片机SPI口上进行数据传输，能实时刷新显示图片，此模块可以直接搭载在系统上，实时显示系统相关信息。但由于模块分辨率限制，只能显示黑白二值，造成数字图片失真。　　3．串口调试法。能充分利用PC机强大的数据处理和图片显示功能，能实现数字图片高精度像素点显示，并导出灰度数值表，为VC，MATLAB仿真提供现场数据。但PC和MCU间数据传输速度太慢，缺乏实时性，缺乏动态跟踪的优点。
编辑本段汽车应用
1、摄像头在汽车上的应用
　　a. 客货车倒车后视　　b. 客车车内（安全、车门、行李仓）监控　　c. 特种车辆图像安全记录和监控（银行运钞车、城管车辆、工程车辆等）　　d. 轿车倒车后视　　e. 轿车行车前视
2、车用摄像头的应用趋势
　　a. 车载电子由音频应用已过渡到音视频多功能应用阶段。摄像头是车载视频的重要组成部分。　　b. 随着车载显示屏的后装及前装普及化，摄像头被带动普及应用。　　c. 汽车家庭普及的全球化及行车停车的拥挤，为摄像头辅助倒车提供了大量需求空间。　　d. 汽车的人性化设计及客户需求，带动该技术和产品的发展应用。部分车型出厂时已开始配置摄像头产品。　　e. 摄像头技术本身的成熟度和车用环境的适应性，消除了技术瓶颈。
3、车用摄像头的装车时段
　　a. 前装：与汽车同步设计，部分车型已推出。在一段时间内，比例不大。　　b. 4S安装：专车专用型摄像头，与汽车销售同步。需要根据车型推出不同产品，以达到安装美观、应用方便的目的。　　c. 后市场改装：一般采用通用型摄像头，价格较低。国内后市场渠道销售和外贸销售以此类产品和应用为主。
4、车用摄像头的销售模式
　　a. 与后视镜、全自动屏等显示屏捆绑销售；　　b. 与可视倒车雷达捆绑销售；　　c. 作为独立产品销售
编辑本段发展前景
　　据IT行业硬件发展的“摩尔定律”来看，数字摄像头也同样遵循其发展规律的，相信在未来几年内会发展的很快。从目前市场情况来看，制约摄像头发展的因素主要有以下几个方面的原因：　　1、摄像头市场起步较晚，消费者认知度、接受度较低，所以普及率较低，市场容量增大速度不够快，需要加以一定引导来推动市场消费。　　2、摄像头的实际应用不够广泛，有一定的局限性，目前还是作为一种消费类产品在销售，消费者只是把它作为视频聊天、制作简单的个人影像集、简单的监视系统等的工具。　　3、现在电脑硬件的限制，如电脑显示卡、显示器的分辨率、USB1.1接口速度，就影响高像素摄像的真正普及。　　数字摄像头的未来发展趋势是：　　1、高像素（50万、80万）、高质量图像传感器（CCD）、高传输速度（USB2.0或其他接口）的摄像头将会是未来的发展趋势；　　2、专业化（只作为专业视频输入设备来使用）、多功能化（附带其他功能，例如附带闪存盘，趋向数码相机方向发展，也可以设想以后的摄像头可以具有扫描仪的功能）等也是将来的发展趋势；　　3、更人性化、更易于使用、更多的实际应用功能才是客户的真正需求。科缔美摄像头

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