攝像頭的工作原理

1、攝像頭,目錄,1、簡介2、分類3、工作原理4、結(jié)構(gòu)和組件5、技術(shù)指標(biāo),一、簡介,1.0常規(guī)介紹2.0技術(shù)介紹,一、簡介,1.0常規(guī)介紹 攝像頭(CAMERA)又稱為電腦像機(jī)、電腦眼等，它作為一種視頻入設(shè)備，在過去廣泛地應(yīng)用于視頻會議、遠(yuǎn)程醫(yī)療、實(shí)時(shí)監(jiān)控等方面。 近年以來，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)速度的不斷提高，再加上感光成像器件技術(shù)的日漸成熟并大量用于攝像頭的產(chǎn)品制造上，使得它們的價(jià)格低到可以令普

2、通老百姓可以接受消費(fèi)水平。同時(shí)這兩年攝像頭被廣泛應(yīng)用于移動(dòng)通訊設(shè)備中，這樣一來,更加促進(jìn)了感光成像技術(shù)的進(jìn)一步提高，如:30萬像素，130萬像素，200萬像素，300萬像素等。,一、簡介,2.0技術(shù)介紹2.0 Technology of presentation技術(shù)介紹General Description 簡介相機(jī)模塊是一個(gè)為移動(dòng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的傳感器板模塊，低功耗和小尺寸是非常重要的的。專有傳感器技術(shù)采用先進(jìn)的算法，取消固定

3、模式噪聲（FPN） ，消除拖尾現(xiàn)象，并大幅降低綻放。所有必需的相機(jī)功能是通過串行相機(jī)控制總線（SCCB）接口進(jìn)行編程。該設(shè)備可以進(jìn)行編程，以提供各種完全處理圖像輸出和編碼。用途 電腦攝像頭/雙模式和蜂窩電話視頻會議設(shè)備，機(jī)器視覺，安全照相機(jī)，生物識別，數(shù)碼相機(jī),二.分類,,,,,計(jì)算機(jī)組裝、維護(hù)與維修,模擬攝像頭,數(shù)字?jǐn)z像頭,二、分類,1.0DIGITAL CAMERA數(shù)字式 數(shù)字?jǐn)z像頭是直接將攝像

4、單元和視頻捕捉單元集成在一起，然后通過串、并口或USB接口連接到主系統(tǒng)上，現(xiàn)在CAMERA市場上的攝像頭基本以數(shù)字式為主，而數(shù)字?jǐn)z像頭中又以新型數(shù)據(jù)傳輸接口的USB數(shù)字?jǐn)z像頭為主(獨(dú)立)，在手機(jī)和電腦上主要是直接通過IO(BTB/USB/MINI)與主系統(tǒng)連接，經(jīng)過系統(tǒng)的編輯后以數(shù)字信號輸出到顯示器上顯示。目前CAMERA市場上主流的CAMERA都是DIGITAL CAMERA。,二、分類,2.0SIMULANT CAMERA模擬式

5、 模擬攝像頭是將視頻采集設(shè)備產(chǎn)生的模擬視頻信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，進(jìn)而將其存儲到系統(tǒng)內(nèi)存里。模擬攝像頭捕捉到的視頻信號必須經(jīng)過特定的視頻捕捉卡將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字模式，并加以壓縮后才可以轉(zhuǎn)換到主系統(tǒng)上運(yùn)用，經(jīng)過系統(tǒng)的編輯，通過顯示器顯示和輸出。,三、工作原理,1.0工作原理 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)表面上，然后轉(zhuǎn)為電信號，經(jīng)過A/D(模/數(shù))轉(zhuǎn)換后變成

6、數(shù)字圖像信號，再送到數(shù)字處理芯片(DSP)中加工處理，再通過I/O接口傳輸?shù)诫娔X中進(jìn)行處理后，再通過顯示屏(DISPLAY)就可以看到圖像了。工作原理方框圖,景物(SCE),圖像傳感器(SENSOR),數(shù)字信號處理芯片(DSP),電腦(PC),圖像(PIC),,,,,,主控的內(nèi)部工作原理,4.攝像頭的主要結(jié)構(gòu)和組件,從攝像頭的工作原理就可以列出攝像頭的主要結(jié)構(gòu)和組件：1、鏡頭2、感光芯片3、主控芯片4、電源。攝像頭內(nèi)部需要兩種

7、工作電壓：3.3V和2.5V，因此好的攝像頭內(nèi)部電源也是保證攝像頭穩(wěn)定工作的一個(gè)因素,,主控芯片,感光芯片,電源,鏡頭,四、組件與結(jié)構(gòu),1.0 LENS（鏡頭）一般CAMERA的鏡頭結(jié)構(gòu)是有幾片透鏡組成，分有塑膠透鏡(PLASTIC)和玻璃透鏡(GLASS),通常CAMERA 用的鏡頭結(jié)構(gòu)有：1P,2P,1G1P,1G3P,2G2P,4G等。透鏡越多，成本越高；玻璃透鏡比塑膠透鏡貴，但是玻璃透鏡的成像效果比塑膠透鏡的成像效果要

8、好。目前市場上針對MOBILE PHONE配置的CAMERA 以1G3P （1 片玻璃透鏡和3 片塑膠透鏡組成）為主，目的是降低成本。,四、組件與結(jié)構(gòu),3017鏡頭(LENS),四、組件與結(jié)構(gòu)CMOS傳感器,四、組件與結(jié)構(gòu),7670傳感器(SENSOR),四、組件與結(jié)構(gòu),2.0 SENSOR（圖象傳感器）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)，就會產(chǎn)生電荷

9、。目前的SENSOR類型有兩種： CCD （Charge Couple Device)，電荷耦合器件 CMOS （Complementary Metal Oxide Semiconductor），互補(bǔ)金屬氧化物,,,計(jì)算機(jī)組裝、維護(hù)與維修,Super CCD EXR傳感器,CMOS影像傳感器,四、組件與結(jié)構(gòu),CCD 組件與結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) CCD 結(jié)構(gòu)一般分為三層：第一層“LENS”CAMERA的成像關(guān)鍵在于SEN

10、SOR，為了擴(kuò)大CCD 的采光率必須擴(kuò)大單一象素的受光面積，在提高采光率的同時(shí)會導(dǎo)致畫面質(zhì)量下降。LENS 就是相當(dāng)于在SENSOR前面增加一副眼鏡SENSOR的采光率就不是由SENSOR的開口面積決定而是由LENS 的表面積決定。第二層“ 分色濾色片”目前分色濾色片有兩種分色方法：A. RGB原色分色法，就是三原色分色法，幾乎所有的人類眼睛可以識別的顏色都可以通過R.G.B 來組成， RGB 就是通過這三個(gè)通道的顏色調(diào)節(jié)而成。

11、B. CMYK 補(bǔ)色分色法，由四個(gè)通道的顏色配合而成，分別是青（C ）、洋紅（M）、黃（Y ）、黑（K ），但是調(diào)節(jié)出來的顏色不如RGB 的顏色多。第三層“ 感光層（SENSOR）”CCD 的第三層是處理芯片（SENSOR，SENSOR主要是將穿過濾色層的光源轉(zhuǎn)換成電子信號，并將信號傳送到影像DSP ），將影像還原。,四、組件與結(jié)構(gòu),CCD與CMOS的差異A. 總體比較CCD 的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，噪音小，信噪比大。但是生

12、產(chǎn)工藝復(fù)雜、成本高、功耗高。CMOS 的優(yōu)點(diǎn)是集成度高（將AADC與訊號處理器整合，可以大幅縮小體積） 、功耗低、成本低。但是噪音比較大、靈敏度較低、對光源要求高。B. 成像效果在相同像素下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。CMOS 的產(chǎn)品往往通透性一般，對實(shí)物的色彩還原能力偏弱，曝光也都不太好。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

13、控制技術(shù)，色飽和度、對比度、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。,四、組件與結(jié)構(gòu),C. 功耗比較CCD 功耗比較高，為使電荷傳輸順暢，噪聲降低，需要高壓差改善傳輸效果；另外由于CCD 無法ADC和訊號處理器，導(dǎo)致需要使用3～4組電源。CMOS 功耗比較低，不到CCD 的1/3 ，CMOS 影像傳感器將每一畫素的電荷轉(zhuǎn)換成電壓，讀取前就將其放大，利用3.3V 的電源即可驅(qū)動(dòng)

14、，只需要一組電源。,四、組件與結(jié)構(gòu),以GC0307傳感器為例介紹,四、組件與結(jié)構(gòu),2.外圍電路說明GC0307芯片只需要單電源供電，DVDD28 = 2.8V，其余電源VDD18，AVDD25 及數(shù)字參考電源 VREF 管腳在模組內(nèi)部通過電容接地。不需要引出到模組連接器。電源上加如圖示 C1、C2、C3，C4 濾波電容，容值均為 0.1uF。電容擺放時(shí)盡量靠近 Pin 腳。RESET pin 沒有引出，由芯片內(nèi)部控制。SBC

15、L/SBDA pin 內(nèi)部已有上拉電阻，系統(tǒng)板可以不加上拉電阻。,四、組件與結(jié)構(gòu),管腳說明 :管腳號 名稱 管腳類型 功能/說明 A1 AVDD25 電源 模擬電路電壓，內(nèi)部產(chǎn)生，通過0.1µF或1uF 的電容接地 A2 VREF

16、 電源 數(shù)字參考電源，通過 0.1µF 的電容接地 A3 SBDA 輸入/出 串行通訊口數(shù)據(jù)線 A4 SBCL 輸入 串行通訊口時(shí)鐘線 A5 D7 輸出 YUV/RGB 輸出位[7] B1

17、 GND 電源 模擬/數(shù)字地B2 PWDN 輸入 0：正常模式;1：省電模式B3 HSYNC 輸出 HREF 輸出B4 D6 輸出 YUV/RGB 輸出位[6] B5

18、 D5 輸出 YUV/RGB 輸出位[5] C1 VSYNC 輸出 VSYNC 輸出C2 D0 輸出 YUV/RGB 輸出位[0] C3 D3 輸出

19、 YUV/RGB 輸出位[3] C4 D4 輸出 YUV/RGB 輸出位[4] C5 PCLK 輸出 Pixel 時(shí)鐘輸出D1 DVDD28 電源 主供電電源 2.8V，通過 0.1µF 或 1uF 的電容

20、接地D2 D1 輸出 YUV/RGB 輸出位[1] D3 D2 輸出 YUV/RGB 輸出位[2] D4 DVDD18 電源 數(shù)字電路電源，1.8V，內(nèi)部產(chǎn)生，通過 0.1µF或 1uF 的電容接地D

21、5 IN_CLK 輸入 系統(tǒng)時(shí)鐘輸入*D[7:0] 8 位 YUV 或 RGB 數(shù)據(jù)（D[7]MSB， D[0] LSB）**Reset 內(nèi)部拉高，外部沒有 PIN 腳引出,,四、組件與結(jié)構(gòu),使用技巧使用攝像頭，尤其是采用CMOS 芯片的產(chǎn)品時(shí)就更應(yīng)該注重技巧：A.不要在逆光環(huán)境下使用（這點(diǎn)CCD 同），尤其不要直接指向太陽，否則“ 放大鏡燒螞蟻” 的慘劇就會

22、發(fā)生在您的攝像頭上。B.環(huán)境光線不要太弱，否則直接影響成像質(zhì)量。克服這種困難有兩種辦法，一是加強(qiáng)周圍亮度，二是選擇要求最小照明度小的產(chǎn)品，現(xiàn)在有些攝像頭已經(jīng)可以達(dá)到5lux 。要注意的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。受市場情況及市場發(fā)展等情況的限制，攝像頭采用CCD 圖像傳感器的廠商為數(shù)不多，主要原因是采用CCD 圖像傳感器成本高的影響。在MOBILE PHONE、電腦上使用的

23、CAMREA還是以CMOS 為主，不僅是價(jià)格而且體積也是影響在MOBILE PHONE上使用CCD CAMERA的另一原因。傳感器(SENSOR)的焊接與拆裝: 一般焊接后的SENSOR要拆卸時(shí),使用高溫風(fēng)筒350度均勻加熱至焊錫熔化。切記:風(fēng)筒不可固定在某一部位對吹!,四、組件與結(jié)構(gòu),A/D轉(zhuǎn)換器 A/D 轉(zhuǎn)換器即ADC(Analog Digital Converter模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器)ADC 的兩個(gè)重要指標(biāo)是

24、轉(zhuǎn)換速度和量化精度，由于 CAMERA SYSTEM中高分辨率圖象的象素量龐大，因此對速度轉(zhuǎn)換器的要求很高。同時(shí)量化精度對應(yīng)的ADC 轉(zhuǎn)換器將每一個(gè)象素的亮度和色彩值量化為若干的等級，這個(gè)等級就是 CAMERA 的色彩深度。由于 CMOS 已經(jīng)具備數(shù)字化傳輸接口，所以不需要A/D,四、組件與結(jié)構(gòu),數(shù)字信號處理芯片（DSP ） :數(shù)字信號處理芯片DSP （DIGITAL SIGNAL PROCESSING）功能：主要是通過一系列復(fù)雜

25、的數(shù)學(xué)算法運(yùn)算，對數(shù)字圖像信號參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化處理，并把處理后的信號通過USB 等接口傳到PC 等設(shè)備。DSP 結(jié)構(gòu)框架:A. ISP（image signal processor）（鏡像信號處理器）B. JPEG encoder（JPEG 圖像解碼器）C. USB device controller（USB 設(shè)備控制器）,五、技術(shù)指標(biāo),1.0 圖像壓縮方式JPEG ：(joint photographic expert g

26、roup) 靜態(tài)圖像壓縮方式。一種有損圖像的壓縮方式。壓縮比越大，圖像質(zhì)量也就越差。當(dāng)圖像精度要求不高存儲空間有限時(shí)，可以選擇這種格式。目前大部分?jǐn)?shù)碼相機(jī)都使用 JPEG 格式。2.0圖像噪音指的是圖像中的雜點(diǎn)干撓。表現(xiàn)為圖像中有固定的彩色雜點(diǎn)。3.0視角與人的眼睛成像是相成原理，簡單說就是成像范圍。4.0白平衡處理技術(shù)（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。

27、 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。 圖象傳感器的圖象數(shù)據(jù)被讀取后，系統(tǒng)將對其進(jìn)行針對鏡頭的邊緣畸變的運(yùn)算修正，然后經(jīng)過壞像處理后被系統(tǒng)送進(jìn)去進(jìn)行白平衡處理（在不同的環(huán)境光照下，人類的眼睛可以把一些“白” 色的物體都看成白色，是因?yàn)槿搜圻M(jìn)行了修正。但是SENSOR沒有這種功能，因

28、此需要對SENSOR輸出的信號進(jìn)行一定的修正，這就是白平衡處理技術(shù)）。,五、技術(shù)指標(biāo),5.0電源 攝像頭內(nèi)部需要兩種工作電壓：3.3V 和2.5V ，因此好的攝像頭內(nèi)部電源也是保證攝像頭穩(wěn)定工作的一個(gè)因素。6.0 彩色深度（色彩位數(shù)）反映對色彩的識別能力和成像的色彩表現(xiàn)能力，就是用多少位的二進(jìn)制數(shù)字來記錄三種原色。 實(shí)際就是A/D 轉(zhuǎn)換器的量化精度，是指將信號分成多少個(gè)等級，常用色彩位數(shù)（bit ）表示。彩色深度越高，獲

29、得的影像色彩就越艷麗動(dòng)人。非專業(yè)的SENSOR一般是24 位；專業(yè)型SENSOR至少是36 位的。24 位的SENSOR，感光單元能記錄的光亮度值最多有2^8=256 級，每一種原色用一個(gè)8 位的二進(jìn)制數(shù)字來記錄，最多記錄的色彩是256 × 256 × 256 約16 ，77 萬種。36 位的SENSOR，感光單元能記錄的光亮度值最多有2^12=4096級，每一種原色用一個(gè)12 位的二進(jìn)制數(shù)字來記錄，最多記錄

30、的色彩是4096 × 4096 × 4096 約68.7 億種。,五、技術(shù)指標(biāo),7.0輸出/輸入接口(IO)串行接口（ RS232/422）:傳輸速率慢，為115kbit/s并行接口（PP ）：速率可以達(dá)到1Mbit/s紅外接口（IrDA ）：速率也是115kbit/s，一般筆記本電腦有此接口通用串行總線USB：即插即用的接口標(biāo)準(zhǔn)，支持熱插拔。USB1.1速率可達(dá)12Mbit/s,USB2.0可達(dá)480bi

31、t/sIEEE1394(火線)接口(亦稱ilink):其傳輸速率可達(dá)100M~400Mbit/s8.0 圖像格式(image Format/ Color space)RGB24,I420是目前最常用的兩種圖像格式。●RGB24 ：表示R 、G、B 三種顏色各色8bit ，最多可表現(xiàn)256 級濃淡，從而可以再現(xiàn)256*256*256 種顏色?！馡420 ：YUV 格式之一?！?其它格式有: RGB565 ，RGB444 ，

32、YUV4:2:2等。,五、技術(shù)指標(biāo),9.0 分辨率 （Resolution）我們通常所看到的分辨率都以乘法形式表現(xiàn)的，比如 1024*768 ，其中“1024”表示屏幕上水平方向顯示的點(diǎn)數(shù)，“768”表示垂直方向的點(diǎn)數(shù)。顯而易見，所謂分辨率就是指畫面的解析度，由多少象素構(gòu)成數(shù)值越大，圖像也就越清晰。分辨率不僅與顯示尺寸有關(guān)，還要受顯像管點(diǎn)距、視頻帶寬等因素的影響。圖像解析度 /分辨率(Resolution)：SXGA （1280