攝像頭的三個(gè)重要組成部分

攝像頭的重要組成部分:DSP控制芯片（DIGITALSIGNALPROCESSING）、圖像傳感器（SENSOR）和鏡頭（LENS）。（筆者注：以下資料部分索引自優(yōu)是數(shù)碼的F&Q,由網(wǎng)友“愛你有悔”友情提供，在此表示萬分感謝。）工作原理篇:攝像頭（CAMERA）主要分?jǐn)?shù)字?jǐn)z像頭和模擬攝像頭兩種，模擬攝像頭即那種可以直接通過視頻接口（通常為S端子或AV端子）連接顯示設(shè)備（一般指電視機(jī)或監(jiān)視器）完成攝像功能的攝像頭，特點(diǎn)是模擬影像清晰而連貫，不受分辨率影響，模擬攝像頭以中低價(jià)位黑白攝像頭為主；而數(shù)字?jǐn)z像頭可以直接捕捉影像并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)在電腦里，其信號(hào)傳輸接口發(fā)展由早期的串口、并口發(fā)展到如今的USB2.0和IEEE1394火線接口，我們這里主要涉及的PC攝像頭，其主流就是指USB接口的數(shù)字?jǐn)z像頭。攝像頭的工作原理大致為:景物通過鏡頭（LENS）生成的光學(xué)圖像投射到圖像傳感器（SENSOR）（*注2）表面上，然后轉(zhuǎn)為電信號(hào)，經(jīng)過A/D（模數(shù)轉(zhuǎn)換）轉(zhuǎn)換后變?yōu)閿?shù)字圖像信號(hào)，再送到數(shù)字信號(hào)處理芯片（DSP）（*注2）中加工處理，再通過USB接口傳輸?shù)诫娔X中處理，通過顯示器就可以看到圖像了。攝像頭工作流程圖；鏡頭 心 g接口顯示器景物 ?圖像傳的一?數(shù)字信號(hào)犧芯片 ?電腦 *1圖霰注1：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。注2：數(shù)字信號(hào)處理芯片DSP（DIGITALSIGNALPROCESSING）功能：主要是通過一系列復(fù)雜的數(shù)學(xué)算法運(yùn)算，對數(shù)字圖像信號(hào)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化處理，并把處理后的信號(hào)通過USB等接口傳到PC等設(shè)備。部件解構(gòu)：1、圖像傳感器在攝像頭的三大結(jié)構(gòu)組件中，最重要的個(gè)人認(rèn)為就是圖像傳感器了，因?yàn)楦泄馄骷Τ上褓|(zhì)量的重要性不言而喻，對DV/DV有了解的朋友應(yīng)該十分清楚這一點(diǎn)。SENSOR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)體前者的價(jià)格比較高，因此多用在高端攝像頭上，比如下圖所示的羅技快看高手版Pro4000：而CMOS攝像頭則是非常主流（性能，包括價(jià)格）的大眾級(jí)產(chǎn)品，從理論上說，CCD傳感CMOS傳感器，而CMOS傳感器則具有低成本、低功耗、以及高整合度的特點(diǎn)。簡單地講，就是CCD攝像頭成像質(zhì)量會(huì)更好，圖像明銳通透、細(xì)節(jié)豐富，色彩還原度好，曝光準(zhǔn)確，而不同傳感器的結(jié)構(gòu)如圖所示:

信孽心串廳Io\［信孽心串廳Io\［「ii彳r01分隆。。I）［飛Ij鍵『專上2生片卡但是隨著技術(shù)的發(fā)展，在低端應(yīng)用（比如百萬等級(jí)以下的相機(jī)、攝像頭、可視電話）方面CMOS已經(jīng)憑借低成本和不弱于同級(jí)CCD的高性能牢牢占據(jù)了主流地位，而且就攝像頭產(chǎn)品而言，最好的CMOSSENSOR如HY7131E的成像質(zhì)量（包括清晰度/色彩還原等方面）比早期的CCDSENSOR更勝一籌!從硬件角度講，相同像素情況下SENSOR的面積自然越大越好，這種差異在弱光情況下表現(xiàn)得尤其明顯。（無論對于CCD還是CMOS均是如此，這也是高端DC十分強(qiáng)調(diào)CCD大小的目前市場上90%的主流產(chǎn)品采用了現(xiàn)代（Hynix）和美光（Micro）兩個(gè)廠商的CMOSSENSOR,其型號(hào)主要有現(xiàn)代7131E、現(xiàn)代7131R和美光的MI360三種，自然，它們的面積（性能）都是不一樣的：（除此以外還有美光的es1、0347及agilent2020很多很多，就不一一列舉了……）現(xiàn)代7131ECMOS圖像傳感器，648X488個(gè)像素，感光部分呈長方形，尺寸為1/3英寸，弱光表現(xiàn)良好，色彩還原和清晰度都屬一流水準(zhǔn)。不過去年底因成本過高現(xiàn)代沒有天理地宣布停產(chǎn)了，令最好的301P+7131E主流方案風(fēng)光不再觸觸稔礴稔

美光MI360CMOS圖像傳感器，像素為

651X487,面積稍小于7131E,不過也可以納入硬件采集真30萬像素的行列。（筆者注:MI360因?yàn)槭謾C(jī)攝像頭方面的大量需求也經(jīng)常缺貨。）7131R是今年一月現(xiàn)代才量產(chǎn)的“拳頭產(chǎn)品”，應(yīng)該算比較常見了，像素點(diǎn)等同于MI360,其具體尺寸為4.86x3.64mm,即1/4英寸，因感光面積較小當(dāng)然比不上前兩者不過7131R配合301P+新驅(qū)動(dòng)性能還算不錯(cuò)。7131R的硬件分辨率為30萬像素，行內(nèi)習(xí)慣稱之為硬件35萬攝像頭。最后需要提醒大家的是使用CMOS攝像頭的時(shí)候有一些訣竅:首先不要在逆光環(huán)境下使用（這點(diǎn)DC也一樣！），尤其不要直接指向太陽，否則“放大鏡燒螞蟻”的慘劇就會(huì)發(fā)生在您的攝像頭上。不過我想一般情況網(wǎng)聊也不用在光天化日情況下進(jìn)行傷其次環(huán)境光線不要太弱，否則直接影響成像質(zhì)量?？朔@種困難有兩種辦法，一是加強(qiáng)周圍亮度（晚上最好配40W左右的熒光燈（*注3）二是選擇要求最小照明度指標(biāo)好的產(chǎn)品，現(xiàn)在有些攝像頭已經(jīng)可以達(dá)到5lux（*注4）；三是合理使用鏡頭變焦，不要小瞧這點(diǎn)，通過正確的調(diào)整，攝像頭也同樣可以擁有拍攝芯片的功能（筆者注：就是指攝像頭微距功能，不過受限于鏡頭和成像原理，廣角變形非常大，因此看起來更像做秀:）。*注3：一般選擇9W節(jié)能燈足矣*注4：lux（勒克斯）為照明度單位，具體地說,1Lux等于一支蠟燭從1米外投射在一平方米的表面上的光的數(shù)量。10Lux等于10支蠟燭從1米外投射到物體表面的光的數(shù)量。更詳細(xì)解釋請看這里目前，市場銷售的數(shù)碼攝像頭中，基本是CCD和CMOS平分秋色。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、對比度、邊緣增強(qiáng)以及伽馬矯正等影像控制技術(shù)（由驅(qū)動(dòng)+DSP軟硬結(jié)合共同完成），完全可以達(dá)到與CCD攝像頭相媲美的效果。受市場情況及市場發(fā)展等情況的限制，攝像頭采用CCD圖像傳感器的廠商并不多，主要原因是采用CCD圖像傳感器成本高的影響,而200元以下基本上都是CMOS攝像頭的天下，不過請大家務(wù)必注意，不管攝像頭分辨率“標(biāo)稱”多少萬像素，那種1/7寸的CMOSSENSOR鐵定是10萬像素！所謂插值分辨率在筆者的概念上就和DC/DV的數(shù)字變焦一樣，純屬文字游戲而已??！2、數(shù)字信號(hào)處理芯片DSPDSP結(jié)構(gòu)框架：.ISP(imagesignalprocessor)(鏡像信號(hào)處理器).JPEGencoder(JPEG圖像解碼器).USBdevicecontroller(USB設(shè)備控制器)ISP的性能強(qiáng)大是決定影像流暢的關(guān)鍵，目前最“彪悍”的ISP能實(shí)時(shí)處理130萬像素一一呵呵，大家知道“百萬像素”的攝像頭是怎么來的了吧（這個(gè)問題下文還將重點(diǎn)說明），JPEGencoder的性能也是關(guān)鍵指標(biāo)之一，比如中星微（VI）301P是硬件JPEG壓縮方式，而松瀚602采用軟件RGB壓縮方式，因此301P圖像處理速度要比SONIX602A快一點(diǎn)。至于USB接口控制功能與攝像頭本身的接口有關(guān)，比如采用EMPIA2710或者2800芯片、HY302、ALIM5603C等均支持USB2.0。DSP控制芯片的作用是：將感光芯片獲取的數(shù)據(jù)及時(shí)快速地傳到電腦中并刷新感光芯片，因此控制芯片的好壞，直接決定畫面品質(zhì)（比如色彩飽和度、清晰度）與流暢度，是否有不斷升級(jí)的驅(qū)動(dòng)程序也比較重要，新驅(qū)動(dòng)可以賦予其更強(qiáng)大的功能和使用效果。目前市場上占有率最高的DSP是中星微的301P，雖然只支持到USB1.1，但和各SENSOR兼容性良好，此外它在自動(dòng)曝光/增益/白平衡/色彩/噪點(diǎn)控制/伽瑪校正以及動(dòng)態(tài)縮放邊緣抗鋸齒算法方面都有其獨(dú)到之處，圖像轉(zhuǎn)換速度也非?？臁?/p>

48PinLQFP封裝的ZC301Plus,聲名如日中天的它市占率居然高達(dá)70%,其詳細(xì)資料可以參考官方網(wǎng)頁說起中星微，倒也是挺傳奇的，大BOSS鄧中翰是位而立之年（68年生人）的“海龜”，92年赴美國加州大學(xué)伯克利分校（UCBerkeley）讀書。在5年時(shí)間內(nèi)取得電子工程學(xué)博士、經(jīng)濟(jì)管理學(xué)碩士、物理學(xué)碩士3個(gè)學(xué)位，是該校建校130年來第一位橫跨理、工、商三學(xué)科的學(xué)者。鄧回國創(chuàng)業(yè)一炮打響的就是制程為0.25微米“星光一號(hào)”，而后又推出集成音頻功能的“星光二號(hào)”在遍地韓芯、日芯、美芯的情況下光二號(hào)”在遍地韓芯、日芯、美芯的情況下大漲中國人的志氣!?\中星微301P山s快速主控芯片讀芯片將傳遞過來得數(shù)字圖像信息附實(shí)著內(nèi)置得高速GPU重新偏硝為電腦可識(shí)別的視頻數(shù)據(jù)流?是目前唯一一融色彩還原及快速傳輸謾濕大的芯片Q自然嘍，其他例如SunplusTP6800/561A、Sonix602A等DSP我就不在這里一一詳細(xì)介紹了?；旧现饕腄SP廠商就是中星微、凌揚(yáng)、松翰這幾家。松翰科技股份有限公司官方網(wǎng)頁凌陽科技股份有限公司官方網(wǎng)頁禾瑞亞（EMPIA）官方網(wǎng)頁，相關(guān)芯片資料都很容易找到的。3、鏡頭（LENS）鏡頭是僅次于CMOS芯片影響畫質(zhì)的第二要素，其組成是透鏡結(jié)構(gòu)，由幾片透鏡組成，一般可分為塑膠透鏡（plastic）或玻璃透鏡（glass）。當(dāng)然，所謂塑膠透鏡也非純粹塑料，而是樹脂鏡片，當(dāng)然其透光率感光性之類的光學(xué)指標(biāo)是比不上鍍膜鏡片的。此外我們注意到最外部的鏡頭曲率較大，類似于“魚眼”，這種設(shè)計(jì)目的是提高鏡頭廣角視野，不過隨之而來的問題是邊緣幾何變形，也算攝像頭類產(chǎn)品的通病了，畢竟這是攝像頭不是DC！向熊光五雉歡頭7131畢竟這是攝像頭不是DC！向熊光五雉歡頭7131也需傳第輜自然光透過防眩光鍍膜處理的自層透鏡，被自動(dòng)過濾為人眼最易識(shí)別招薇色，再握過現(xiàn)代最新35萬象素的色彩傳感豁改進(jìn),大大提高其對亮度的靈敏度◎RI虹I占1?。┐蠹乙?dāng)心宣傳中7131是指7131R還是7131E！通常攝像頭用的鏡頭構(gòu)造有：1P、2P、1G1P、1G2P、2G2P、2G3P、4G、5G等。透鏡越多，成本越高，相對成像效果會(huì)更出色；而玻璃透鏡又比樹脂貴。因此一個(gè)品質(zhì)好的攝像頭應(yīng)該是采用多層玻璃鏡頭！現(xiàn)在市場上的多數(shù)攝像頭產(chǎn)品為了降低成本，一般會(huì)采用廉價(jià)的塑膠鏡頭或一玻一塑鏡頭（即：1P、2P、1G1P、1G2P等），對成像質(zhì)量有很大影響！在OEM廠家的報(bào)價(jià)單中，7131R+兩玻鏡頭和美光360十五玻大約相差10元左右，而頂級(jí)的五玻微凸鏡和全塑鏡頭之間的成本差價(jià)就達(dá)7元，幾乎占到總造價(jià)的10%了。好的全玻鏡頭都有較大的光圈F2.0甚至達(dá)到F1.8,尺寸大小為6mm并多層鍍膜或加濾光片以增加通光量減少反光，使成像清晰，畫質(zhì)明亮鮮艷，有資料說“長春光學(xué)”是國內(nèi)大孔徑光學(xué)鏡頭的主要供應(yīng)商，因此所謂號(hào)稱“日X原廠鏡頭”的說法純屬虛妄之詞。只是很可惜，目前還沒有一種方法能通過肉眼準(zhǔn)確判斷鏡頭材質(zhì)的方法，消費(fèi)者只能根據(jù)實(shí)際效果來評價(jià)攝像頭的品質(zhì)：“多看，多比“！鏡頭是最容易出狀況的部件，大家千萬不要因貪圖小便宜買那種100以下的塑頭CAMERA!至于比較的方法則很簡單，室內(nèi)日光燈下，哪個(gè)攝像頭細(xì)節(jié)豐富，層次好，延遲少，畫面不顯得昏暗的就是玻璃鏡片。記得有前輩說過“攝影的第一要素是光線，第二要素是光線，第三要素還是光線"，我們看到,上面提到采用面積大的SENSOR、速度快，色彩飽和的DSP或通光量多（f值?。┑溺R頭，無不是為了保證整個(gè)影像傳輸過程中有良好的感光性。綜上所述，采用不同方案（上篇中有詳細(xì)論述）的攝像頭效果的確大不相同，瓶頸就在于木桶上最短的那塊板！幸好不同方案打造的攝像頭價(jià)位也大不相同，而品牌產(chǎn)品的宣傳保真度要高得多，所以筆者建議大家盡量選擇百元以上“五玻（301P+美光360）型號(hào)比較保險(xiǎn)。做工用料的比較:

上面兩個(gè)攝像頭，同樣是301P+美光MI360解決方案，不過做工用料也大不同喔，第一張圖示攝像頭采用了鉭電容而第二個(gè)攝像頭為電解電容與直立晶振。從背面看做工不錯(cuò)的攝像頭連接線采用插座連接，而另一款則為直接焊接。不過這些都是小問題啦，更有甚者采用B級(jí)的CMOS（有壞點(diǎn)的淘汰品）或者DSP芯片，并且將塑料鏡頭宣傳為“五?！蹦蔷头浅毫恿耍≈劣谡f什么USB線需要采用帶磁環(huán)的雙屏蔽線（除了用于正常供電、接地、傳輸數(shù)據(jù)的4根線外，在其外包裹64?96芯作金屬屏蔽層,以降低周圍環(huán)境的干擾）筆者覺得非一定必要,因?yàn)檫€沒碰到過換線能改善影像傳輸?shù)膶?shí)例。此外名牌和無牌產(chǎn)品的區(qū)別就是名牌品控特別嚴(yán)格，產(chǎn)品質(zhì)量能維持一定水準(zhǔn)，而筆者多次碰到拆開來攝像頭CMOS傳感器上落灰的現(xiàn)象攝像頭內(nèi)部需要兩種工作電壓：3.3V和2.5V，對于好的攝像頭來說，內(nèi)部電源也是保證攝像頭長期穩(wěn)定工作的一個(gè)因素。畫面品質(zhì)比較:筆者提醒大家注意，這里放上的例圖（一張品

質(zhì)較好的，一張品質(zhì)一般的）只有參考價(jià)值，也許你的攝像頭會(huì)比筆者的更好也不定品質(zhì)可以接受了吧？

好像差了點(diǎn)日光燈光源下收斂效果：不錯(cuò)光暈太過發(fā)散，銳利，因此客觀上會(huì)造成被照物體明暗交界處模糊成像銳利，連貼片電阻阻值都看得清清楚楚邊緣發(fā)毛，圖像有鋸齒雖然微距對于攝像頭正常使用并沒有太大影響，但微距效果本身能說明一些問題，比如清晰度、聚焦能力、幾何變形……

桌面下低照度測試，效果還行雜訊增加，噪點(diǎn)增多其他相關(guān)名詞解釋:1、圖像解析度/分辨率(Resolution)：XSXGA(1280乂1024)又稱130萬像XXGA(1024乂768)又稱80萬像素XSVGA(800乂600)又稱50萬像素XVGA(640x480)又稱30萬像素(35萬是指648X488)XCIF(352*288)又稱10萬像素XSIF/QVGA(320x240)XQCIF(176x144)XQSIF/QQVGA(160x120)2、圖像格式(imageFormat/Colorspace)RGB24,I420是目前最常用的兩種圖像格式。XRGB24：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。XI420：YUV格式之一。X其它格式有：RGB565,RGB444,YUV4:2:2等。3、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。4、彩色深度（色彩位數(shù)）反映對色彩的識(shí)別能力和成像的色彩表現(xiàn)能力實(shí)際就是A/D轉(zhuǎn)換器的量化精度，是指將信號(hào)分成多少個(gè)等級(jí)。常用色彩位數(shù)（51）表示。彩色深度越高，獲得的影像色彩就越艷麗動(dòng)人。5、圖像噪音指的是圖像中的雜點(diǎn)干擾。表現(xiàn)為圖像中有固定的彩色雜點(diǎn)。6、視角與人的眼睛成像是相成原理，簡單說就是成像范圍。目前這個(gè)指標(biāo)已經(jīng)越來越重要了，好的攝像頭可視角度在62度以上。問題一籮筐:Q：買帶夜視功能的攝像頭值得嗎?A：這要看您的具體需求了，從省電的角度看還是值得的，目前攝像頭夜視實(shí)現(xiàn)方式主要有兩種，一種是紅外線照射，成黑白圖像，另一種是通過LED二極管亮燈，一般配合電腦屏幕的亮光進(jìn)行“攝像”，成彩色圖像，因前者效果較差已不大采用，后者雖然號(hào)稱“零照明拍攝”際上因LED的照度有限往往“把人變成鬼”，所以筆者認(rèn)為除了條件有限外，網(wǎng)聊時(shí)配一盞40W以上的白幟燈就能達(dá)到比較理想的效果,比什么夜視功能都強(qiáng)100倍!Q：攝像頭分辨率是越大越好嗎?A：當(dāng)然不是，網(wǎng)絡(luò)攝像頭目前只有10萬和30萬兩種！參數(shù)的的定義是已撲捉到的圖象大小來劃分的:10萬是捕捉到320*240的畫面，乘出來的結(jié)果等于10萬;30萬捕捉到的是680*480，計(jì)算結(jié)果等于30萬，但現(xiàn)在有種技術(shù)能讓10萬捕捉到640*480或者讓30萬捕捉到更高。但是10萬和30萬在SENSOR上是有區(qū)別的，這從CMOS大小和像素就可以看出來了，1/3寸的7131E、MI360以及1/4寸的7131R均是真硬件級(jí)30萬像素SENSOR，^1/7寸的SENSOR鐵定是10萬像素！為了區(qū)別插值的30萬，所以業(yè)內(nèi)習(xí)慣把30萬把硬件30萬叫35萬，插值30萬在圖象效果上會(huì)有差別，主要表現(xiàn)在邊緣部分和輪廓的處理，不真實(shí)。這里需要提醒大家的就是在購買低端（＜100元）攝像頭的時(shí)候要特別小心其30萬像素是硬件像素還是軟件插值像素！即便在低分辨率下工作，硬件分辨率高的攝像頭成像品質(zhì)要好得多。此外，因?yàn)橹髁髁奶燔浖话憔椭С值?20*240,所以過高的分辨率并沒有太大意義，對于普通用戶來說，99%的操作時(shí)間是不需用到640*480或者更高的分辨率的，而比分辨率更重要的是保證畫面清晰度情況下的流暢程度，普通usbl.1接口的攝像頭能確保320*240下30fps的幀數(shù),這也是MSMSN支持的標(biāo)準(zhǔn)，但640X480下受限于DSP處理速度和USB傳輸速率只能保證15fps,對于采用高速DSP(如M2800)和USB2-0傳輸協(xié)議的35萬攝像頭才能真正達(dá)到640*480分辨率下30fps的流暢度!對于主流CMOS攝像頭來說，高于30萬像素采用的均是軟件插值,即便