攝像頭工作原理

攝像頭傳感器概述：攝像頭主要構(gòu)件有鏡頭、圖像傳感器、預(yù)中放、AGC、A/D、同步信號(hào)發(fā)生器、CCD驅(qū)動(dòng)器、圖像信號(hào)形成電路、D/A轉(zhuǎn)換電路和電源的電路構(gòu)成。其中，圖像傳感器作為攝像頭的核心部件，又分為CCD傳感器和CMOS傳感器。在當(dāng)今各個(gè)科學(xué)領(lǐng)域，攝像頭傳感器得到越來越廣泛的應(yīng)用，其重要性不言而喻。一、 發(fā)展歷史CCD發(fā)展歷史：1969年，由美國(guó)的貝爾研究室所開發(fā)出來的。同年，日本的SONY公司也開始研究CCD。1973年1月，SONY中研所發(fā)表第一個(gè)以96個(gè)圖素并以線性感知的二次元影像傳感器、'8H*8V（64圖素）FT方式三相CCD〃。1974年6月，彩色影像用的FT方式32H*64VCCD研究成功了。1976年8月，完成實(shí)驗(yàn)室第一支攝影機(jī)的開發(fā)。1980年，SONY發(fā)表全世界第一個(gè)商品化的CCD攝影機(jī)（編號(hào)XC-1）。1981年，發(fā)表了28萬個(gè)圖素的CCD（電子式穩(wěn)定攝影機(jī)MABIKA）。1983年，19萬個(gè)圖素的IT方式CCD量產(chǎn)成功。1984年，發(fā)表了低污點(diǎn)高分辨率的CCD。1987年，1/2inch25萬圖素的CCD，在市面上銷售。同年，發(fā)表2/3inch38萬圖素的CCD，且在市面上銷售。1990年7月，誕生了全世界第一臺(tái)V8。CMOS發(fā)展歷史：1989年，CMOS圖像傳感開始研制出來。1990年，CMOS專用的DSP研發(fā)成功2002年，CMOS的C3D二、 攝像頭工作原理攝像頭主要有鏡頭、CCD圖像傳感器、預(yù)中放、AGC、A/D、同步信號(hào)發(fā)生器、CCD驅(qū)動(dòng)器、圖像信號(hào)形成電路、D/A轉(zhuǎn)換電路和電源的電路構(gòu)成。攝像頭的主要圖像傳感部件是CCD（ChargeCoupledDevice），即電荷耦合器件，它具有靈敏度高、畸變小、壽命長(zhǎng)、抗震動(dòng)、抗磁場(chǎng)、體積小、無殘影等特點(diǎn)，CCD是電耦合器件（ChargeCoupleDevice）的簡(jiǎn)稱，它能夠?qū)⒐饩€變?yōu)殡姾刹⒖蓪㈦姾蓛?chǔ)存及轉(zhuǎn)移，也可將儲(chǔ)存之電荷取出使電壓發(fā)生變化，因此是理想的攝像元件，是代替攝像管傳感器的新型器件。

攝像頭的工作原理是：被攝物體反射光線，傳播到鏡頭，經(jīng)鏡頭聚焦到CCD芯片上，CCD根據(jù)光的強(qiáng)弱積聚相應(yīng)的電荷，經(jīng)周期性放電，產(chǎn)生表示一幅幅畫面的電信號(hào)，經(jīng)過預(yù)中放電路放大、AGC自動(dòng)增益控制，于由圖像處理芯片處理的是數(shù)字信號(hào)，所以經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換到圖像數(shù)字信號(hào)處理IC(DSP)。同步信號(hào)發(fā)生器主要產(chǎn)生同步時(shí)鐘信號(hào)(由晶體振蕩電路來完成)，即產(chǎn)生垂直和水平的掃描驅(qū)動(dòng)信號(hào)，到圖像處理IC。然后，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換電路通過輸出端子輸出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)合視頻信號(hào)。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的視頻信號(hào)同家用的錄像機(jī)、VCD機(jī)、家用攝像機(jī)的視頻輸出是一樣的。圖像傳感器(SENSOR)：是一種半導(dǎo)體芯片，其表面包含有幾十萬到幾百萬的光電二極管。光電二極管受到光照射時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電荷。目前市場(chǎng)上主流攝像頭使用的感光元件主要是CCD和CMOS兩種。它們的作用相當(dāng)于傳統(tǒng)相機(jī)中的底片°CCD的分辨率高，色彩還原逼真，已經(jīng)成為百萬像素級(jí)的數(shù)碼攝影器材里的主角，但是其價(jià)格昂貴；與CCD相比，CMOS具有節(jié)能及成本低等特點(diǎn)。而且在百萬像素內(nèi)CMOS的感光效果完全可以和CCD媲美，因而攝像頭幾乎全都采用CMOS作為感光元件。CCD可分為線陣CCD、三線CCD、面陣CCD和交織傳輸CCD。攝像頭采用是面陣CCD圖像傳感器。CCD芯片就像人的視網(wǎng)膜，是攝像頭的核心。因?yàn)樾酒a(chǎn)時(shí)產(chǎn)生不同等級(jí)，各

廠家獲得途徑不同等原因，造成CCD采集效果也大不相同。在購(gòu)買時(shí)，可以采取如下方法檢測(cè)：接通電源，連接視頻電纜到監(jiān)視器，關(guān)閉鏡頭光圈，看圖像全黑時(shí)是否有亮點(diǎn)，屏幕上雪花大不大，這些是檢測(cè)CCD芯片最簡(jiǎn)單直接的方法，而且不需要其它專用儀器。然后可以打開光圈，看一個(gè)靜物，如果是彩色攝像頭，最好攝取一個(gè)色彩鮮艷的物體，查看監(jiān)視器上的圖像是否偏色，扭曲，色彩或灰度是否平滑。好的CCD可以很好的還原景物的色彩，使物體看起來清晰自然；而殘次品的圖像就會(huì)有偏色現(xiàn)象，即使面對(duì)一張白紙，圖像也會(huì)顯示藍(lán)色或紅色。個(gè)別CCD由于生產(chǎn)車間的灰塵，CCD靶面上會(huì)有雜質(zhì)，在一般情況下，雜質(zhì)不會(huì)影響圖像，但在弱光或顯微攝像時(shí)，細(xì)小的灰塵也會(huì)造成不良的后果。三、攝像頭核心部件1、 鏡頭（LENS）透鏡結(jié)構(gòu)，由幾片透鏡組成，有塑膠透鏡（Plastic）或玻璃透鏡（Glass）。鏡頭是由透鏡組成，攝像頭的鏡頭一般是由玻璃鏡片或者塑料鏡片組成的。玻璃鏡頭能獲得比塑料鏡頭更清晰的影像。這是因?yàn)楣饩€穿過普通玻璃鏡片通常只有5%?9%的光損失,而塑料鏡片的光損失高達(dá)11%?20%。有些鏡頭還采用了多層光學(xué)鍍膜技術(shù)，有效減少了光的折射并過濾雜波，提高了通光率，從而獲得更清晰影像。現(xiàn)在市面上大多數(shù)攝像頭采用的都是五玻鏡頭。另外，鏡頭還有一個(gè)重要的參數(shù)那就是光圈，通過調(diào)整光圈可以控制通過鏡頭到達(dá)傳感器的光線的多少，除了控制通光量，光圈還具有控制景深的功能，即光圈越大，則景深越小2、 圖像傳感器圖像傳感器可以分為兩類：CCD（chargecoupledevice）:電荷耦合器件CMOS（complementarymetaloxidesemiconductor）：互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體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°CM0S的優(yōu)點(diǎn)是集成度高、功耗低（不到CCD的1/3）、成本低。但是噪音比較大、靈敏度較低、對(duì)光源要求高。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。而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。攝像頭感光器件：CCD對(duì)比CMOS在選擇攝像頭時(shí)，鏡頭是很重要的。按感光器件類別來分，現(xiàn)在市場(chǎng)上攝像頭使用的鏡頭大多為CCD和CMOS兩種，其中CCD（ChargeCoupledDevice，電荷耦合組件）因?yàn)閮r(jià)格較高更多是應(yīng)用在攝像、圖象掃描方面的高端技術(shù)組件,CMOS（ComplementaryMetal—OxideSemiconductor,附加金屬氧化物半導(dǎo)體組件）則大多應(yīng)用在一些低端視頻產(chǎn)品中。感光器件是攝像頭主要的技術(shù)核心，對(duì)于CCD和CMOS兩種鏡頭而言，二者各有優(yōu)點(diǎn)：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、功耗低（不到CCD的1/3）、成本低。但是噪音比較大、靈敏度較低、對(duì)光源要求高。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。而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。目前，市場(chǎng)銷售的數(shù)碼攝像頭中，基本是采用的CMOS的攝像頭。在采用CMOS為感光元器件的產(chǎn)品中，通過采用影像光源自動(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。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。四、 攝像頭分類1、 依成像色彩劃分彩色攝像機(jī)：適用于景物細(xì)部辨別，如辨別衣著或景物的顏色。黑白攝像機(jī)：適用于光線不充足地區(qū)及夜間無法安裝照明設(shè)備的地區(qū)，在僅監(jiān)視景物的位置或移動(dòng)時(shí)，可選用黑白攝像機(jī)。2、 依分辨率靈敏度等劃分影像像素在38萬以下的為一般型，其中尤以25萬像素（512*492）、分辨率為400線的產(chǎn)品最普遍。影像像素在38萬以上的高分辨率型。3、 按CCD靶面大小劃分CCD芯片已經(jīng)開發(fā)出多種尺寸：目前采用的芯片大多數(shù)為1/3〃和1/4〃。在購(gòu)買攝像頭時(shí)，特別是對(duì)攝像角度有比較嚴(yán)格要求的時(shí)候，CCD靶面的大小，CCD與鏡頭的配合情況將直接影響視場(chǎng)角的大小和圖像的清晰度。1英寸一靶面尺寸為寬12.7mm*高9.6mm，對(duì)角線16mm。2/3英寸一靶面尺寸為寬8.8mm*高6.6mm，對(duì)角線11mm。1/2英寸--靶面尺寸為寬6.4mm*高4.8mm，對(duì)角線8mm。1/3英寸--靶面尺寸為寬4.8mm*高3.6mm，對(duì)角線6mm。1/4英寸一靶面尺寸為寬3.2mm*高2.4mm，對(duì)角線4mm。4、 按掃描制式劃分PAL制。NTSC制。中國(guó)采用隔行掃描（PAL）制式（黑白為CCIR），標(biāo)準(zhǔn)為625行，50場(chǎng)，只有醫(yī)療或其它專業(yè)領(lǐng)域才用到一些非標(biāo)準(zhǔn)制式。另外，日本為NTSC制式，525行，60場(chǎng)（黑白為EIA）。5、 按照度劃分，CCD又分為：普通型正常工作所需照度1~3LUX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以下紅外型采用紅外燈照明，在沒有光線的情況下也可以成像6、按外觀分：有機(jī)板型、針孔型、半球型。五、 攝像頭圖像信號(hào)的提取攝像頭分為數(shù)字?jǐn)z像頭和模擬攝像頭兩大類。數(shù)字?jǐn)z像頭可以將視頻采集設(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)而將其儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)里。模擬攝像頭捕捉到的視頻信號(hào)必須經(jīng)過攝像頭特定的視頻捕捉卡將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字模式，并加以壓縮后才可以轉(zhuǎn)換到計(jì)算機(jī)上運(yùn)用。數(shù)字?jǐn)z像頭可以直接捕捉影像，然后通過串、并口或者USB接口傳到計(jì)算機(jī)里。模擬攝像頭：

上圖是一款模擬攝像頭，可以看到它有4根外接引腳，一根為地線，一根為電源，還有一根是信號(hào)線。圖像采集就是從這跟信號(hào)線上提取出圖像的。要將圖像變?yōu)樽罱K的數(shù)字線號(hào)形式，還需通過連個(gè)芯片，即行場(chǎng)中斷芯片（LM1881）和人。轉(zhuǎn)換芯片（TLC5510）.行場(chǎng)中斷信號(hào)分離出圖像信號(hào)的行中斷、場(chǎng)中斷、奇偶場(chǎng)中斷，可供處理器控制采集時(shí)序；AD轉(zhuǎn)換芯片則將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，在每一行的40us圖像信號(hào)區(qū)間供處理器采集圖像。ill■朋I同步甘奧I訝行消隱區(qū)ill■朋I同步甘奧I訝行消隱區(qū)行掃描時(shí)間HT抒同步1*沖復(fù)合清瞠味沖沖行同涉**沖攝像頭視頻信號(hào)中除了包含圖像信號(hào)之外，還包括了行同步信號(hào)、行消隱信號(hào)、場(chǎng)同步信號(hào)、場(chǎng)消隱信號(hào)等。在PAL制中，圖像信號(hào)每秒25幀，每秒50場(chǎng)，每場(chǎng)625行。因此每場(chǎng)20ms，每行64us，其中圖像信號(hào)占40us。

VKqENDOFFIELD2(EWEN)VKqENDOFFIELD2(EWEN)EOV泌刑&

PULSES—VERUCALZK1H0UTEBVAL-SEfiRATEZ—■—旳“卜」日記殛nXL"UL5E PLL^L3v- 51PCIJ；；L P-IL^L- VL刃話L"UL5E "LL!ii5 -QnorP：.-,.?: ,jWW\nnnnnrLFUuuumnnnnnnW'Li/_L/〕卜iHi—j *1*+2fJ-w|4++5f* ++§++[o創(chuàng)■列I[Timnmmiuuuumnnnnnnr'- '' r- ■I'EX附JIdP.s *3」XClM如-Pt蛾WHITEBLACKLEVELarLEVELSyweT蹈ODOFIELDEVENFIELD■TTTniwfflfflmmnTT3iyp.f— kyd3iyp.數(shù)字?jǐn)z像頭上圖是一款數(shù)字?jǐn)z像頭（0V6620），它集成了行場(chǎng)中斷信號(hào)、AD轉(zhuǎn)換功能，不需要外加行場(chǎng)分離芯片和AD轉(zhuǎn)換芯片，節(jié)省空間?？梢钥吹剿还灿?2根引腳，包括了各個(gè)中斷信號(hào)和圖像灰度信號(hào)。其引腳說明如下：PIN1-PIN8灰度信號(hào)輸出接口Y0-Y7PIN11SCCB數(shù)據(jù)接口SDAPIN12奇偶場(chǎng)同步信號(hào)FODDPIN13SCCB數(shù)據(jù)時(shí)鐘SCLPIN14行中斷信號(hào)HREFPIN16場(chǎng)中斷信號(hào)VSYNPIN18像素同步信號(hào)PCLK（也叫TCLK）PIN32模擬信號(hào)輸出接口VTO由于CMOS圖像傳感器的集成度高，體積小，一般可以將后續(xù)的處理電路做到攝像頭上。因此，單板機(jī)中一般的數(shù)字?jǐn)z像頭的圖像傳感器是CMOS，而采用CCD作為圖像傳感器的攝像頭多為模擬攝像頭。六、攝像頭的技術(shù)指標(biāo)1、圖像解析度/分辨率(Resolution)：SXGA(1280X1024)又稱130萬像素XGA(1024x768)又稱80萬像素SVGA(800x600)又稱50萬像素VGA(640x480)又稱30萬像素(35萬是指648X488)CIF(352x288)又稱10萬像素SIF/QVGA(320x240)QCIF(176x144)QSIF/QQVGA(160x120)2、 圖像格式(imageFormat/Colorspace)RGB24,I420是目前最常用的兩種圖像格式。RGB24:表示R、G、B三種顏色各8bit,最多可表現(xiàn)256級(jí)濃淡，從而可以再現(xiàn)256*256*256種顏色。I420：YUV格式之一。其它格式有：RGB565，RGB444，YUV4:2:2等。3、 最小照度，也稱為靈敏度。是CCD對(duì)環(huán)境光線的敏感程度，或者說是CCD正常成像時(shí)所需要的最暗光線。照度的單位是勒克斯(LUX)，數(shù)值越小，表示需要的光線越少，攝像頭也越靈敏。月光級(jí)和星光級(jí)等高增感度攝像機(jī)可工作在很暗條件，2~3lux屬一般照度。4、 自動(dòng)白平衡調(diào)整(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)三基色的比例來達(dá)到彩色的平衡，這就是白平衡調(diào)節(jié)的實(shí)際