摄像头

摄像头 1 目录 一、 摄像头的发展现状 „„„„„„„„„„„„„„„„2 二、 摄像头的主要工作原理„„„„„„„„„„„„„„„2 三、 摄像头的主要组件和结构„„„„„„„„„„„„„„3 1、 镜头„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3 2、 图像传感器„„„„„„„„„„„„„„„„5 3、 数字信号处理芯片„„„„„„„„„„„„„6 4、 接口„„„„„„„„„„„„„„„„„„„6 四、 摄像头主要参数„„„„„„„„„„„„„„„„„„7 A光学参数„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„7 焦距/光圈/视场角/畸变/景深/像素 B技术参数„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„11 分辨率/像素深度/最大帧率/图像格式/像元尺寸 /光谱频响特性/白平衡处理技术 1 2 一、 摄像头的发展现状 在纵观近年摄像头的发展，产品细分化更趋明显。从2006年发展来看，高清晰、宽动态、日夜彩转黑等功能摄像头发展迅速，特别是日夜型摄像头异常火爆。 日夜型摄像头的定义是能满足白天晚上监控需求的摄像头，包括低照度摄像头及红外摄像头。从其技术角度来说目前也有多种实现方式，红外摄像头是目前比较流行的一种解决，但其缺点也比较明显，发热量控制以及红外灯的寿命都是我们需要考虑的问。三星的帧累积技术，对于静态物体表现良好。Sony的ExView CCD技术，成本较高，是高端产品的首选，配合红外技术，低照度效果改善明显。另外有一种感红外摄像头，对滤光片进行特殊处理，实现白天彩色，晚上黑白，自动切换，提高晚上的灵敏度，也是目前发展的一种趋势。 二、 摄像头的主要工作原理: 1、主要原理 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。 摄像头工作流程图 2、摄像头的分类 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。 模拟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。 2 3 三、 摄像头的主要组件和结构: 1、 镜头(LENS) 一般按照材料分主要有3种，摄像头的镜头分为纯塑料镜头(plastic)、玻璃塑料混合镜头(glass-plastic)和全玻镜头(glass)三种，这里最好的要算是玻璃的，因为它的通光系数大，一般好的镜头它的通光口径也会做的较大，在光线不是很好的时候也可以得到交好的效果，但是价格要高点。朔胶的通光要差点，但是价格便宜，就这点也得到了一些中低端用户的认可。 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。市面上一般比较好的摄像头都采用4片玻璃结构的镜头，就是俗称的4G镜头 ;有的再加上一层虹膜增强滤光性，就叫成5G镜头。 a、定焦镜头(焦距固定不变的镜头) 1)镜头:指焦距长度接近或等于底片/传感器对角线长度的镜头。视角 30度左右，在1/2英寸CCD摄象机中，标准镜头焦距定为12mm，在1/3 英寸CCD摄象机中，标准镜头焦距定为8mm。 2)广角镜头:指焦距短于、视角大于“标头”的镜头。视角90度以上，焦距可 小于几毫米，可提供较宽广的视景。 广角镜头的特点: ?1景深大，有利于获得被摄画面全部清晰的效果。广泛地用于风光片的拍摄。 ?2视角大，在有限的范围内可以获得较大的取景范围，在室内建筑的拍摄中 尤为见长，广泛地用于房地产行业的拍摄。 ?3透视感强烈，可以营造具有强烈视觉冲击感的画面。 ?4畸变较大，尤其是在画面的边缘部分。 3)远摄镜头:指焦距长于、视角小于“标头”的镜头。视角20度以内，焦距可 达几米甚至几十米，此镜头可在远距离情况下将拍摄的物体影响放大，但使 3 4 观察范围变小。 远摄镜头的特点: ?1 景深小，容易获得主体清晰，背景虚化的画面效果。 ?2视角小，能够获得远处主体较大的画面且不干扰被摄对象。广泛地用于户 外野生动物的拍摄。 ?3 压缩了画面透视的纵身感，拉近了前后景的距离。 ?4 影像畸变较小，广泛地用于人像摄影。 4)鱼眼镜头:一种极端的超广角镜头，以全幅135单反相机来说，焦距在16mm 以下，视角在180度左右的镜头就可称为“鱼眼镜头”。 鱼眼镜头的特点: ?1 视角大，被摄范围极广。 ?2 透视感强，获得极大的夸张。 ?3 鱼眼镜头存在严重的畸变，但可以获得戏剧性的效果。 ?4 价格昂贵，原来为天文摄影而。 ?5 第一片镜片向外凸出，不能使用通常的滤镜，取而代之的是“内置式滤 ”。 镜 5)折反镜头(反射式镜头):是一种超远摄镜头，看起来短而胖，重量也要轻 很多，比较适合手持拍摄。镜头结构简单，画质优良。缺点是只有一档光圈， 对景深控制不便，相机取景的时候取景屏发暗，对聚焦不便。目前市面上流 行的折反镜头大多是俄罗斯制造，价格低廉，常见的焦距为500 mm和1000 mm。 b、变焦镜头:指焦距在一定范围可内自由调节的镜头。 变焦镜头的种类: 1)手动对焦和自动对焦。根据对焦方式的不同，可以把变焦镜头分为手动变焦 镜头和自动变焦镜头。 2)变焦范围。一般来说，20-40mm的称为广角变焦镜头，35-70mm的称为标 准变焦镜头，70-200mm的称为中远变焦镜头，200-500的称为远摄变焦镜 头。当然，也有不少镜头囊括了广角至中焦、甚至远摄的范围，如28-200mm， 28-300mm等。 3) 变焦倍率。从变焦倍率来看，有2倍(例如35-70mm)，3倍(如70-210mm)， 5倍(28-135mm)，7倍(28-200mm)，10倍(50-500mm)等。总体来 说，变焦范围越大，体积相应较大，画质相对较低，光圈相对稍小。 4)变焦方式。根据操作的不同，分为推拉式变焦和旋转式变焦两种。推拉式变 焦的优点在于使用方便，可以快速从最远端变焦到最近端。缺点在于俯仰拍 摄的时候镜头 容易滑动。旋转式变焦的优点在于对焦环和变焦环各自独立， 转动操作互不干涉。但操作不如推拉简便，尤其是采用“变焦拍摄爆炸效果” 时，不如推拉变焦容易实现。 4 5 c、特殊镜头:为特殊用途而设计的镜头，通常用于专业领域。 1)微距镜头: 是一种可以非常接近被摄物体进行聚焦的镜头，微距镜头在胶片或传感 器上所形成的影像大小与被摄物体自身的大小差不多相等。1:1标记的微 距镜头表示胶片上影像与被摄物体尺寸一样，1:2的标记表示胶片上影像 是被摄物体的一半，2:1表示是被摄物体的2倍。 微距镜头的通常都是中等焦距的镜头，但它实际上可以是任何焦距的镜 头。例如既有50mm的微距镜头，也有180mm微距镜头或者70-180mm 的微距变焦镜头。微距镜头的价格通常比较昂贵，画质优秀，特别适合于拍 摄昆虫、花卉、邮票、手表零件等题材。 2)透视调整镜头: 具有校正透视变形功能的镜头。这种镜头的光学系统的主光轴可进行横 向或纵向移动调节，调节时机身与胶片或传感器平面的位置不发生移动。透视 调整镜头主要用于建筑摄影。 3)柔焦镜头: 又称“软焦点镜头”、“柔光镜头”，是一种能使影像产生轻度虚化的镜头，主 要用于人像与风景摄影。 4)附加镜头: ? 增距镜:最常用的一种附加镜头，使用时把它装在相机与镜头之间，能 使主镜头的焦距增加一定的倍率。常见的有2X 和1.4X两种，分别可以增 加2倍和1.4倍的焦距。使用增距镜的主要缺点是减小主镜头的有效光圈。 一般来说，2X增距镜减少2挡光圈，如果正常是使用 F16光圈来拍摄，使 用增距镜时就应该调节在F8上。此外，增距镜带来的后果还有自动对焦速 度减慢，画质下降等。 ?广角附加镜:广角附加镜是安装在主镜头前面使用的，购买的时候要注意 主镜头的螺纹孔径，它的主要作用是减小主镜头的焦距。使用广角附加镜头后， 不必进行暴光补偿，光圈值不变，但建议使用小光圈拍摄，以便尽可能提高 画质。 2、 图像传感器(SENSOR) 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。 1)目前的SENSOR类型有两种: ?1 CCD(charge couple device) :电荷耦合器件 ?2 CMOS(complementary metal oxide semiconductor):互补金属氧化物 半导体。 5 6 总体比较 成像效果 功耗 优点 缺点 灵敏度高 生产工艺复杂成像通透性、明锐度都很好，功耗比较高(为使电荷传 噪音小 成本高 色彩还原、曝光可以保证基本输顺畅，噪声降低，需要C 信噪比大 功耗高 准确。 高压差改善传输效果;另C 外由于CCD无法ADC和D 讯号处理器) 需要使用3,4组电源。 集成度高(将噪音比较大 通透性一般，对实物的色彩还功耗比较低，不到CCD AADC与讯灵敏度较低 原能力偏弱，曝光也都不太的1/3;(读取前就将其放 号处理器整对光源要求高 好。(通过采用影像光源自动大，利用3.3V的电源即 合，可以大幅增益补强技术，自动亮度、白可驱动)。 C 缩小体积) 平衡控制技术，色饱和度、对只需要一组电源。 M 功耗低 比度、边缘增强以及伽马矫正O 成本低 等先进的影像控制技术，完全S 可以达到与CCD摄像头相媲 美的效果) 2)CCD sensor的常用尺寸(靶面尺寸即成像尺寸) 3、 数字信号处理芯片(DSP) 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。DSP生产厂商较多，市面上较为流行的有:(松翰)SONIX、VIMICRO(中星微)等。 DSP结构框架: A. ISP(image signal processor)(镜像信号处理器) B. JPEG encoder(JPEG图像解码器) C. USB device controller(USB设备控制器) 4、接口 CSI(CMOS Signal Interface):可以用作并行或串行接口。并行的时候:最大可 支持16位宽，最大可传输120 Mpixels/sec。 6 7 四、摄像头的主要参数 A:光学参数 1、 焦距:焦距的大小决定着视场角的大小，焦距数值小，视场角大，所观察的 范围也大，但距离远的物体分辨不很清楚;焦距数值大，视场角小，观察 范围小，只要焦距选择合适，即便距离很远的物体也可以看得清清楚楚。 由于焦距和视场角是一一对应的，一个确定的焦距就意味着一个确定 的视场角，所以在选择镜头焦距时，应该充分考虑是观测细节重要，还是 有一个大的观测范围重要。 镜头焦距的计算公式: f=vD/V 或 f=hD/H 其中，f代表焦距，v代表CCD靶面(sensor成像大小)垂直高度，V代表被观测物体高度，h代表CCD靶面水平宽度，H代表被观测物体宽度，D代表被摄物体到镜头的距离。 举例:假设用1/2”CCD摄像头观测，被测物体宽440毫米，高330毫米，镜头焦点距物体2500毫米。由公式可以算出: 焦距f=6.4X2500/440?36毫米 或 焦距f=4.8X2500/330?36毫米 2、 光圈(Aperture):用来控制透过镜头进入机身内感光面的光量，是摄像 头一个极其重要的指标参数，通常在镜头内。它的大小决定着通过镜头进 入感光元件的光线的多少。表达光圈大小我们是用F值，其中，F=镜头 的焦距/镜头的有效口径的直径。 7 8 3、 视场角:在光学仪器中，以光学仪器的镜头为顶点，以被测目标的物象可 通过镜头的最大范围的两条边缘构成的夹角，称为视场角。视场角的大小 决定了光学仪器的视野范围，视场角越大，视野就越大，光学倍率就越小。 通俗地说，目标物体超过这个角就不会被收在镜头里。 视场角计算举例: 它是用感光面(矩形)的对角线的长度为“底”，镜头的焦距为高，组成的等腰三角形，你去计算它的顶角就是视场角。可是在摄像头中一般都未给出准确的CCD(CMOS)的使用面积(长*宽)所以用此不好计算。 但是一般都给出:“相当于35毫米胶片相机 34.5-1449毫米[4:3]”这样的数据，你可直接用它来计算: 我们知道35毫米胶片的对角线长为43.2mm，用它组成的等腰三角形就可以计算了。例如: 设:视场角为θ 则:tan(θ/2)=(43.2/2)/34.5=0.626 由此算出:θ=64度 4、 畸变:拍摄四方形的物体时，使周围拍成卷翘或膨鼓的现象。使用焦距长 的镜头不易做到，但用广角镜头，则明显。 由于主光线的光路偏离而引 起的成像缺陷。当光学系统校正好球差、彗差、像散和像面弯曲四种像差 时，主光线与高斯像面的交点即为像点所在，并且是清晰的。但是当主光 线与高斯像面的交点高度y与相应物点的理想成像高度y不等时，使像发 生变形，与原来物体不相似。 8 9 5、 景深: 1)焦点:与光轴平行的光线射入凸透镜时，理想的镜头应该是所有的光线 聚集在一点后，再以锥状的扩散开来，这个聚集所有光线的一点，就叫做焦 点。 2)弥散圈:在焦点前后，光线开始聚集和扩散，点的影象变成模糊的，形成一个扩大的圆，这个圆就叫做弥散圆。在现实当中，观赏拍摄的影象是以某种方式(比如投影、放大成照片等等)来观察的，人的肉眼所感受到的影象与放大倍率、投影距离及观看距离有很大的关系，如果弥散圆的直径小于人眼的鉴别能力，在一定范围内实际影象产生的模糊是不能辨认的。这个不能辨认的弥散圆就称为容许弥散圆(permissible circle of confusion)。 9 10 3)景深:在焦点前后各有一个容许弥散圆，这两个弥散圆之间的距离就叫景深，即在被摄主体(对焦点)前后，其影像仍然有一段清晰范围的，就是景深。换言之，被摄体的前后纵深，呈现在底片面的影象模糊度，都在容许弥散圆的限定范围内。景深随镜头的焦距、光圈值、拍摄距离而变化。对于固定焦距和拍摄距离，使用光圈越小，景深越大。 6、像素: 像素数包括有效像素(Effective Pixels)和最大像素(Maximum Pixels A:有效像素 有效像素数英文名称为Effective Pixels。与最大像素不同，有效像素数是指真正参与感光成像的像素值。最高像素的数值是感光器件的真实像素，这个数据通常包含了感光器件的非成像部分，而有效像素是在镜头变焦倍率下所换算出来的值。 B:最大像素 最大像素英文名称为Maximum Pixels，所谓的最大像素是经过插值运算后获得的。插值运算通过设在数码相机内部的DSP芯片，在需要放大图像时用最临近法插值、线性插值等运算方法，在图像内添加图像放大后所需要增加的像素。插值运算后获得的图像质量不能够与真正感光成像的图像相比。以最大像素拍摄的图片清晰度比不上以有效像素拍摄的。 C:举例 码图片的储存方式一般以像素(Pixel)为单位，每个象素是数码图片里面积最小的单位。像素越大，图片的面积越大。要增加一个图片的面积大小，如果没有更多的光进入感光器件，唯一的办法就是把像素的面积增大，这样一来，可能会影响图片的锐力度和清晰度。所以，在像素面积不变的情况下，数码相机能获得最大的图片像素，即为有效像素。 10 11 B:技术指标 1、分辨率:用于度量位图图像内数据量多少的一个参数，通常用像素来表示。简单地说，摄像头的分辨率是指摄像头解析图象的能力，也即摄像头的影像传感器的像素数。最高分辨率就是指摄像头能最高分辨图像能力的大小，即摄像 头的最高像素数。 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 2、像素深度:像素深度是指存储每个像素所用的位数，它也是用来度量图像的分辨率。像素深度决定彩色图像的每个像素可能有的颜色数，或者确定灰度图像的每个像素可能有的灰度级数。 例如，一幅彩色图像的每个像素用R，G，B三个分量表示，若每个分量用8位，那么一个像素共用24位表示，就说像素的深度为24，每个像素可以是 1677 7216(2的24次方)种颜色中的一种。在这个意义上，往往把像素深度说成是图像深度。表示一个像素的位数越多，它能表达的颜色数目就越多，而它的深度就越深(人眼能识别的颜色约是一千万种)。 3、最大帧率:摄像头采集传输图像的速率。除了像素值和分辨率之外，拍摄时的帧率也是决定画面质量的一个重要因素，你可以把它理解成摄像头每秒采样多少个画面。采样的速率越高，影像当然就越流畅。 在实际应用中，只有画面刷新的帧数在24帧/秒以上，人的眼睛才不会察觉到明显的停顿。限于成本，目前主流摄像头的最大帧速率大都为30帧/秒，低端产品只有15帧/秒甚至更低。一款性能较好的摄像头，其最大帧速率应达到30帧/秒(352×288)，即使用标准的VGA格式(640×480)拍摄，也要有15帧/秒的刷新率。 4、图像格式: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。 5、像元尺寸:像元大小和像元数(分辨率)共同决定了摄像头靶面的大小。目前数字摄像头像元尺寸一般为3μm-10μm，一般像元尺寸越小，制造难度 越大，图像质量也越不容易提高。 11 12 6、光谱频响特性:是指该像元传感器对不同光波的敏感特性，一般响应范围是350nm,1000nm，一些摄像头在靶面前加了一个滤镜，滤除红外光线，如果系统需要对红外感光时可去掉该滤镜。 7、白平衡处理技术(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。图象传感器的图象数据被读取后，系统将对其进行针对镜头的边缘畸变的运算修正，然后经过坏像处理后被系统送进去进行白平衡处理(在不同的环境光照下，人类的眼睛可以把一些“白”色的物体都看成白色，是因为人眼进行了修正。但是SENSOR没有这种功能，因此需要对SENSOR输出的信号进行一定的修正，这就是白平衡处理技术)。 12