原创 摄像头的组成以及红外摄像头

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)
四、摄像头的主要结构和组件
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、              主控芯片（详情请参阅：《影响摄像头的关键元器件是什么？》）
2、              感光芯片（详情请参阅：《影响摄像头的关键元器件是什么？》）
3、              镜头（详情请参阅：《影响摄像头的关键元器件是什么？》）
4、              电源
摄像头内部需要两种工作电压：3.3V和2.5V，因此好的摄像头内部电源也是保证摄像头稳定工作的一个因素。
五、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(800 x600)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(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。
         ●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。
   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480bit/s
　　 IEEE1394(火线)接口(亦称ilink):其传输速率可达100M~400Mbit/s
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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。
1、 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，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)。
2、 感光芯片 (SENSOR)
感光芯片，也叫图像传感器，美光(Micro)MI360 CMOS图像传感器
 

　　图像传感器分为两类：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
　　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。
3、 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。
4、 图像解析度/分辨率(Resolution)：
　　摄像头的图像解析度/分辨率也就是我们常说的多少像素的摄像头，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。

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，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 Metal－Oxide 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，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 

红外摄像头原理

人的眼睛能看到的可见光按波长从长到短排列，依次为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。其中红光的波长范围为0.62～0.76μm；紫光的波长范围为0.38～0.46μm。比紫光波长更短的光叫紫外线，比红光波长更长的光叫红外线，人的肉眼是看不到红外线的。因为数码摄像机用CCD感应所有光线(可见光、红外线和紫外线等),这就造成所拍摄影像和我们肉眼只看到可见光所产生的影像很不同。为了解决这个问题，数码摄像机在镜头和CCD之间加装了一个红外滤光镜，其作用就是阻挡红外线进入CCD,让CCD只能感应到可见光，这样就使数码摄像机拍摄到的影像和我们肉眼看到的影像相一致了。
     红外夜视，就是在夜视状态下，数码摄像机会发出人们肉眼看不到的红外光线去照亮被拍摄的物体，关掉红外滤光镜，不再阻挡红外线进入CCD，红外线经物体反射后进入镜头进行成像，这时我们所看到的是由红外线反射所成的影像，而不是可见光反射所成的影像，即此时可拍摄到黑暗环境下肉眼看不到的影像。
     目前大多数的红外摄像机都采用LED红外发光二级管作为红外摄象机的主要材料，详细产品图和外观如图：
     红外线摄像机的原理特性及其选择与使用
     在电视监控系统工程中，过去很少应用红外灯，但由于现今社会犯罪比率不但增加，红外线在夜间监视所扮演的角色更加突出，不仅金库、油库、军械库、图书文献库、文物部门、监狱等重要部门采用，而且也在一般监控系统中都被采用。甚至居民小区电视监控工程也应用了红外线摄像机。这说明人们对电视监控系统工程的要求愈来愈规范、愈来愈高。对重要的场所越来越要求做到24小时连续监控。
     实现夜视的方法，可以采用常规的可见光照明，但此法不仅不能隐蔽，反而更加暴露监控目标。隐蔽的夜视监控，目前都是采用红外摄像技术。红外摄像技术分为被动红外摄像技术和主动红外摄像技术。被动红外摄像技术是利用任何物体在绝对零度(一273℃)以上都有红外光发射的原理。由于人的身体和发热物体发出的红外光较强，其它非发热物体发出的红光很微弱，因此，利用特殊的红外摄像机就可以实现夜间监控。被动红外摄像技术由于设备造价高且不能反映周围环境状况，因此在夜视系统中不被采用。主动红外摄像技术是利用特制的"红外灯"人为产生红外辐射，产生人眼看不见而普通摄像机能捕捉到的红外光，辐射"照明"景物和环境，利用普通低照度CCD黑白摄像机或使用"白天彩色夜间自动变黑白"的摄像机或"红外低照度彩色摄像机"去感受周围环境反射回来的红外光，从而实现夜视功能。 
     红外线摄像机的原理特性
     光是一种电磁波，它的波长区间从几个纳米（1nm=10-9m）到1毫米（mm）左右。人眼可见的只是其中一部分，我们称其为可见光，可见光的波长范围为380nm～780nm，可见光波长由长到短分为红、橙、黄、绿、青、兰、紫光，波长比紫光短的称为紫外光，波长比红外光长的称为红外光。
     红外灯按其红外光辐射机理分为半导体固体发光（红外发射二级管）红外灯和热辐射红外灯两种。一般市场上主要采用红外发射二极管的红外灯，其原理及特性我们介绍如下： 由红外发光二级管矩阵组成发光体。红外发射二级管由红外辐射效率高的材料（常用砷化镓GaAs）制成PN结，外加正向偏压向PN结注入电流激发红外光。光谱功率分布为中心波长830～950nm，半峰带宽约40nm左右，它是窄带分布，为普通CCD黑白摄像机可感受的范围。其最大的优点是可以完全无红暴，（采用940～950nm波长红外管）或仅有微弱红暴（红暴为有可见红光）和寿命长。红外发光二极管的发射功率用辐照度μW/m2表示。一般来说，其红外辐射功率与正向工作电流成正比，但在接近正向电流的最大额定值时，器件的温度因电流的热耗而上升，使光发射功率下降。