2022年摄像头工作原理详解 .pdf

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1、摄像头工作原理详解摄像头工作原理：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。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

2、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 ) 摄像头的构成主要包括主控芯片、感光芯片、镜头和电源。好的电源也是保证摄像头工作的一个方面。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 13 页 - - - - - - - - - 摄像头镜

3、头：五玻镜头是主流这个问题对于大多数人来说已经不算问题了，笔者提出来也只是仅对小白而言。简单的说镜头是由透镜组成，摄像头的镜头一般是由玻璃镜片或者塑料镜片组成的。玻璃镜头能获得比塑料镜头更清晰的影像。这是因为光线穿过普通玻璃镜片通常只有5%9% 的光损失， 而塑料镜片的光损失高达 11% 20% 。有些镜头还采用了多层光学镀膜技术，有效减少了光的折射并过滤杂波，提高了通光率，从而获得更清晰影像。然而，现在很多小厂，为了节约成本、追求高利润，往往减少镜片的数量，或者使用廉价的塑料镜头。虽然这些产品在价格上便宜不少，看上去很有吸引力，但实际的成像效果却实在是令人无法恭维。现在市面上大多数摄像头采用

4、的都是五玻镜头，但是不乏少数商家将塑料镜头说成五玻镜头的。因此消费者在选购一些杂牌摄像头时，一定要详细试用一下，谨防上当受骗。另外，镜头还有一个重要的参数那就是光圈，通过调整光圈可以控制通过镜头到达传感器的光线的多少，除了控制通光量，光圈还具有控制景深的功能，即光圈越大，则景深越小。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 13 页 - - - - - - - - - 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

5、，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 MetalOxide 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。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，

6、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名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 13

7、 页 - - - - - - - - - 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

8、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。摄像头像素：插值像素是骗子？摄像头像素值是区分一款摄像头好坏的重要因素，最早期的数码摄像头基本都是10 万像素的产品，后来发展到了30 万左右，现在市面主流产品已在100 万像素以上，在这么大像素的支持下，摄像头拍照时可以拍取更大分辨率（如1024x768 等）的照片，使摄像头拍照功能更加实用。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 13 页 - - - -

9、 - - - - - “ 这是多少万像素的？” ， 相信绝大多数朋友选购摄像头时问得最多的一句话就是这个了。也正因为如此，有一些厂商和商家抓住消费者的这个心里，在摄像头像素这方面大做文章！面对这些人大吹摄像头像素如何如何高，画面如何如何清晰这种情况。你是否能保持冷静的头脑？你是否对像素与图像清晰度高低的关系有足够的认识呢？接下来笔者就像素和图像清晰度这个问题进行了分析。在摄像头参数里，像素到底扮演了怎么样的一个角色呢？是否像素越高图像就越清晰呢？其实并非如此，我们知道，影像传感器上有许多感光单元，每一个感光单元对应一个像素，像素越多，生成的图像也就越大。在市场上很多摄像

10、头像素可能都是硬件本身只支持30万或者 35 万像素，而有的商家往往会说自己的产品可以插值达到 130 万或者 500 万等像素，这又是怎么一回事呢？30万像素的摄像头突然通过插值变成上百万像素的摄像头，是不是图像质量就上去了呢？其实，这些摄像头像素是通过软件插值提高的。举例的话，简单的说就是将640X480 的图片拉大到1024X768 ，然后再利用软件计算图片分辨率点之间的色彩区别，把中间拉大的部分填入软件计算的颜色。这样做虽然输出的图片大了，但是图像的质量并没有得到真正有效的提高，甚至还有可能名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - -

11、 - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 13 页 - - - - - - - - - 出现严重失真。所以，大家在选购摄像头时一定要牢记：摄像头像素的高低与图像的清晰度是没有绝对关系的。特别是对于那些通过软件插值而高达几百甚至几千万像素的摄像头来说，实际效果很有可能与几十万像素的差不多。总的来说，图像是否清晰，光看像素可是不行的，它还与镜头材质、软件处理等其它各方面息息相关。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(80

12、0 x600)又称 50 万像素VGA(640 x480) 又称 30 万像素 (35 万是指 648X488) CIF(352x288) 又称 10 万像素SIF/QVGA(320 x240) QCIF(176x144) QSIF/QQVGA(160 x120) 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。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - -

13、 - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 13 页 - - - - - - - - - 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

14、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。视频捕获速度视频捕获能力是用户最为关心的功能之一，很多厂家都名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - -

15、- - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 13 页 - - - - - - - - - 声称能达到30 帧/秒的视频捕获能力，但实际使用时并不能尽如人意。视频捕获对电脑的要求比较高，如CPU 的处理能力要足够的快等。其次对画面要求大小和清晰度的不同，捕获能力也不尽相同。对于很多厂商宣传的视频捕获速度，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。摄像头又称视频头。摄像头主要有镜头、 CCD 图像传感器、 预中放、AGC 、 A/D 、同步信号发生器、 CCD 驱动器、 图像信号形成电路

16、、D/A 转换电路和电源的电路构成。摄像头的主要图像传感部件是CCD（Charge Coupled Device） ，即电荷耦合器件，它具有灵敏度高、畸变小、寿命长、抗震动、抗磁场、体积小、无残影等特点， CCD 是电耦合器件 （Charge Couple Device）的简称，它能够将光线变为电荷并可将电荷储存及转移，也可将储存之电荷取出使电压发生变化，因此是理想的摄像元件，是代替摄像管传感器的新型器件。摄像头的工作原理是：被摄物体反射光线， 传播到镜头，经镜头聚焦到CCD 芯片上， CCD 根据光的强弱积聚相应的电荷，经周期性放电，产生表示一幅幅画面的电信号，经过预中放电路放大、 AGC

17、自动增益控制， 于由图像处理芯片处理的是数字信号，所以经模数转换到图像数字信号处理IC名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 13 页 - - - - - - - - - （DSP ） 。同步信号发生器主要产生同步时钟信号（由晶体振荡电路来完成） ，即产生垂直和水平的扫描驱动信号，到图像处理 IC。然后，经数模转换电路通过输出端子输出一个标准的复合视频信号。这个标准的视频信号同家用的录像机、VCD 机、家用摄像机的视频输出是一样的，所以也可以录像或接到电视机上观看

18、。图像数字信号处理主是有SONIX( 松翰)和 VIMICRO （中星微）等。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。目前市场上主流摄像头使用的感光元件主要是 CCD 和 CMOS 两种。它们的作用相当于传统相机中的底片。CCD 的分辨率高， 色彩还原逼真， 已经成为百万像素级的数码摄影器材里的主角，但是其价格昂贵； 与 CCD 相比，CMOS 具有节能及成本低等特点。而且在百万像素内CMOS的感光效果完全可以和CCD 媲美，因而摄像头几乎全都采用 CMOS 作为感光元件。目前市场上的摄像头产品采用的CMO

19、S 品牌较多，主要有 MICRON ， HYNIX ，CISENSOR ，TASC 等等前四家的市场占有率接近100% 。CCD 可分为线阵CCD、三线 CCD 、面阵 CCD 和交织传输CCD 。摄像头采用是面阵CCD 图像传感器。 CCD 芯片就像人的视网膜，是摄像头的核心。目前我国尚无能力制造，市场上大部分摄像头采用的是日本SONY 、SHARP 、松下、名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 13 页 - - - - - - - - - LG 等公司生产的

20、芯片，现在韩国也有能力生产，但质量就要稍逊一筹。因为芯片生产时产生不同等级，各厂家获得途径不同等原因， 造成 CCD 采集效果也大不相同。 在购买时，可以采取如下方法检测：接通电源， 连接视频电缆到监视器，关闭镜头光圈，看图像全黑时是否有亮点，屏幕上雪花大不大，这些是检测CCD 芯片最简单直接的方法，而且不需要其它专用仪器。然后可以打开光圈，看一个静物，如果是彩色摄像头，最好摄取一个色彩鲜艳的物体，查看监视器上的图像是否偏色，扭曲，色彩或灰度是否平滑。好的CCD 可以很好的还原景物的色彩，使物体看起来清晰自然；而残次品的图像就会有偏色现象，即使面对一张白纸，图像也会显示蓝色或红色。个别CCD

21、由于生产车间的灰尘，CCD 靶面上会有杂质，在一般情况下，杂质不会影响图像，但在弱光或显微摄像时，细小的灰尘也会造成不良的后果。摄像头的分类如下：1、依成像色彩划分彩色摄像机：适用于景物细部辨别，如辨别衣着或景物的颜色。黑白摄像机：适用于光线不充足地区及夜间无法安装照明设备的地区，在仅监视景物的位置或移动时，可选用黑白摄像机。2、依分辨率灵敏度等划分影像像素在38 万以下的为一般型，其中尤以25 万像素（ 512*492 ） 、分辨率为400 线的产品最普遍。影像像素在38 万以上的高分辨率型。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - -

22、 - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 13 页 - - - - - - - - - 3、按 CCD 靶面大小划分CCD 芯片已经开发出多种尺寸： 目前采用的芯片大多数为1/3和 1/4 。在购买摄像头时，特别是对摄像角度有比较严格要求的时候，CCD 靶面的大小，CCD 与镜头的配合情况将直接影响视场角的大小和图像的清晰度。 1 英寸 -靶面尺寸为宽12.7mm* 高 9.6mm ，对角线 16mm 。 2/3 英寸 -靶面尺寸为宽8.8mm* 高 6.6mm ，对角线 11mm 。1/2 英寸 -靶面尺寸为宽6.4mm* 高 4.8mm ，对角线 8mm 。

23、 1/3 英寸 -靶面尺寸为宽4.8mm* 高 3.6mm ，对角线 6mm 。 1/4 英寸 -靶面尺寸为宽3.2mm* 高 2.4mm ，对角线 4mm 。4、按扫描制式划分PAL 制。 NTSC 制。 中国采用隔行扫描（ PAL ）制式（黑白为CCIR ） ，标准为 625 行， 50场，只有医疗或其它专业领域才用到一些非标准制式。另外，日本为 NTSC 制式， 525 行， 60 场（黑白为EIA） 。5、按照度划分，CCD 又分为：普通型正常工作所需照度13LUX 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 以下红外型采用红外灯照明，在没有光线的情况

24、下也可以成像6、按外观分：有机板型、针孔型、半球型。CCD 彩色摄像头的主要技术指标名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 13 页 - - - - - - - - - （1） CCD 尺寸，亦即摄像机靶面。 原多为 1/2 英寸，现在 1/3 英寸的已普及化， 1/4 英寸和 1/5 英寸也已商品化。（2）CCD 像素，是 CCD 的主要性能指标，它决定了显示图像的清晰程度，分辨率越高， 图像细节的表现越好。CCD 是由面阵感光元素组成，每一个元素称为像素，像

25、素越多，图像越清晰。现在市场上大多以25 万和 38 万像素为划界，38 万像素以上者为高清晰度摄像机。（3）水平分辨率。彩色摄像机的典型分辨率是在320到 500 电视线之间，主要有330 线、 380 线、 420 线、 460线、 500 线等不同档次。分辨率是用电视线（简称线TV LINES ） 来表示的，彩色摄像头的分辨率在330500线之间。分辨率与 CCD 和镜头有关，还与摄像头电路通道的频带宽度直接相关， 通常规律是1MHz 的频带宽度相当于清晰度为80 线。 频带越宽，图像越清晰，线数值相对越大。（4）最小照度，也称为灵敏度。是CCD 对环境光线的敏感程度，或者说是CCD 正

26、常成像时所需要的最暗光线。照度的单位是勒克斯（LUX ） ，数值越小， 表示需要的光线越少，摄像头也越灵敏。月光级和星光级等高增感度摄像机可工作在很暗条件，23lux 属一般照度，现在也有低于1lux的普通摄像机问世。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 13 页 - - - - - - - - - （5）扫描制式。有PAL 制和 NTSC 制之分。（6）信噪比。典型值为46db ，若为 50db ，则图像有少量噪声， 但图像质量良好； 若为 60db ，则图

27、像质量优良，不出现噪声。（7）视频输出。多为1Vp-p 、75Ω 。（8）镜头安装方式。有C 和 CS 方式，二者间不同之处在于感光距离不同。（9）摄像头的像素：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(640 x480) 又称 30 万像素 (35 万是指648X488) ，CIF(352x288) 又称 10 万像素，SIF/QVGA(320 x240)。总结：总的来说，摄像头像素就如同现在的国足，基本上让人不可信。我们到处可以看到高达几百万像素的摄像头产品，但是用起来的时候就是觉得效果不怎么样。面对现在的摄像头市场，我们暂时无能为力。 最后还是回到国足与摄像头上：国足，不可信， 有时候却不得不看； 摄像头像素， 更不可信，有时候却又不得不买！总之，睁大自己的眼睛，认真理性选购才是目前最好的选择。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 13 页 - - - - - - - - -