攝像頭結構類型功能及未來的發展分析

一、 攝像頭簡介

        攝像頭(CAMERA)又稱爲電腦相機、電腦眼等,它作爲一種視頻輸入設備,在過去被廣泛的運用於視頻會議、遠程醫療及實時監控等方面。近年以來,隨着互聯網技術的發展,網絡速度的不斷提高,再加上感光成像器件技術的成熟並大量用於攝像頭的製造上,這使得它的價格降到普通人可以承受的水平。普通的人也可以彼此通過攝像頭在網絡進行有影像、有聲音的交談和溝通,另外,人們還可以將其用於當前各種流行的數碼影像、影音處理。

二、 攝像頭的分類
       攝像頭分爲數字攝像頭和模擬攝像頭兩大類。模擬攝像頭可以將視頻採集設備產生的模擬視頻信號轉換成數字信號,進而將其儲存在計算機裏。模擬攝像頭捕捉到的視頻信號必須經過特定的視頻捕捉卡將模擬信號轉換成數字模式,並加以壓縮後纔可以轉換到計算機上運用。數字攝像頭可以直接捕捉影像,然後通過串、並口或者USB接口傳到計算機裏。現在電腦市場上的攝像頭基本以數字攝像頭爲主,而數字攝像頭中又以使用新型數據傳輸接口的USB數字攝像頭爲主,目前市場上可見的大部分都是這種產品。除此之外還有一種與視頻採集卡配合使用的產品,但目前還不是主流。
       由於個人電腦的迅速普及,模擬攝像頭的整體成本較高等原因, USB接口的傳輸速度遠遠高於串口、並口的速度,因此現在市場熱點主要是USB接口的數字攝像頭。以下主要是指USB接口的數字攝像頭。在嵌入式平臺中,出現了一種新型的mipi接口,這種接口傳輸得也非常快。

三、 攝像頭的工作原理
        攝像頭的工作原理大致爲:景物通過鏡頭(LENS)生成的光學圖像投射到圖像傳感器表面上,然後轉爲電信號,經過A/D(模數轉換)轉換後變爲數字圖像信號,再送到數字信號處理芯片(DSP)中加工處理,再通過USB接口傳輸到電腦中處理,通過顯示器就可以看到圖像了。
注1:圖像傳感器(SENSOR)是一種半導體芯片,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,就會產生電荷。
注2:數字信號處理芯片DSP(DIGITAL SIGNAL PROCESSING)功能:主要是通過一系列複雜的數學算法運算,對數字圖像信號參數進行優化處理,並把處理後的信號通過USB等接口傳到PC等設備。

DSP結構框架:
1. ISP(image signal processor)(鏡像信號處理器)

2. JPEG encoder(JPEG圖像解碼器)

3. USB device controller(USB設備控制器)    

                                          

四、 攝像頭的主要結構和組件
從攝像頭的工作原理就可以列出攝像頭的主要結構和組件:
1、 鏡頭(LENS)
透鏡結構,由幾片透鏡組成,有塑膠透鏡(plastic)或玻璃透鏡(glass)。
2、圖像傳感器(SENSOR)
可以分爲兩類:
CCD(charge couple device) :電荷耦合器件
CMOS(complementary metal oxide semiconductor):互補金屬氧化物半導體
3、 數字信號處理芯片(DSP)
DSP生產廠商較多,市面上較爲流行的有:(鬆翰)SONIX、VIMICRO(中星微)等
4、電源

攝像頭內部需要兩種工作電壓:3.3V和2.5V,因此好的攝像頭內部電源也是保證攝像頭穩定工作的一個因素。


五、 攝像頭的一些技術指標
1、 圖像解析度/分辨率(Resolution):
●SXGA(1280 x1024)又稱130萬像素
●XGA(1024 x768)又稱80萬像素
●SVGA(800 x600)又稱50萬像素
●VGA(640x480)又稱30萬像素(35萬是指648X488) 
●CIF(352x28   又稱10萬像素
●SIF/QVGA(320x240)
●QCIF(176x144)
●QSIF/QQVGA(160x120)
2、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8bit,最多可表現256級濃淡,從而可以再現256*256*256種顏色。
●I420:YUV格式之一。
●其它格式有: RGB565,RGB444,YUV4:2:2等。
3、自動白平衡調整(AWB)
定義:要求在不同色溫環境下,照白色的物體,屏幕中的圖像應也是白色的。
色溫表示光譜成份,光的顏色。色溫低表示長波光成分多。
當色溫改變時,光源中三基色(紅、綠、藍)的比例會發生變化,需要調節三基色的比例來達到彩色的平衡,這就是白平衡調節的實際。
4、圖像壓縮方式
JPEG:(joint photographic expert group)
靜態圖像壓縮方式。一種有損圖像的壓縮方式。壓縮比越大,圖像質量也就越差。當圖像精度要求不高存儲空間有限時,可以選擇這種格式。目前大部分數碼相機都使用JPEG格式。
5、彩色深度(色彩位數)
反映對色彩的識別能力和成像的色彩表現能力
實際就是A/D轉換器的量化精度,是指將信號分成多少個等級。常用色彩位數(bit)表示。
彩色深度越高,獲得的影像色彩就越豔麗動人。
6、圖像噪音                                                                
指的是圖像中的雜點干撓。
表現爲圖像中有固定的彩色雜點。
7、視角
與人的眼睛成像是相成原理,簡單說就是成像範圍。
8、輸出/輸入接口
串行接口(RS232/422):傳輸速率慢,爲115kbit/s
並行接口(PP):速率可以達到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:即插即用的接口標準,支持熱插拔。USB1.1速率可達12Mbit/s,USB2.0可達480Mbit/s
IEEE1394(火線)接口(亦稱ilink):其傳輸速率可達100M~400Mbit/s

六、 攝像頭的進一步認識
從攝像頭的組成來看決定一個攝像頭的品質從硬件上來說主要是:
1、 鏡頭(LENS)
鏡頭的組成是透鏡結構,由幾片透鏡組成,一般有塑膠透鏡(plastic)或玻璃透鏡(glass)。通常攝像頭用的鏡頭構造有:1P、2P、1G1P、1G2P、2G2P、4G等。透鏡越多,成本越高;玻璃透鏡比塑膠貴。因此一個品質好的攝像頭應該是採用玻璃鏡頭,成像效果就相對塑膠鏡頭會好。現在市場上的大多攝像頭產品爲了降低成本,一般會採用塑膠鏡頭或半塑膠半玻璃鏡頭(即:1P、2P、1G1P、1G2P等)。
2、 圖像傳感器(SENSOR)
圖像傳感器分爲兩類:CCD(charge couple device) :電荷耦合器件
CMOS(complementary metal oxide semiconductor):互補金屬氧化物半導體
CCD的優點是靈敏度高,噪音小,信噪比大。但是生產工藝複雜、成本高、功耗高。
CMOS的優點是集成度高、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確。而CMOS的產品往往通透性一般,對實物的色彩還原能力偏弱,曝光也都不太好。所以我們在使用攝像頭,尤其是採用CMOS芯片的產品時就更應該注重技巧:
首先不要在逆光環境下使用(這點CCD同),尤其不要直接指向太陽,否則“放大鏡燒螞蟻”的慘劇就會發生在您的攝像頭上。
其次環境光線不要太弱,否則直接影響成像質量。克服這種困難有兩種辦法,一是加強周圍亮度,二是選擇要求最小照明度小的產品,現在有些攝像頭已經可以達到5lux。最後要注意的是合理使用鏡頭變焦,不要小瞧這點,通過正確的調整,攝像頭也同樣可以擁有拍攝芯片的功能。
目前,市場銷售的數碼攝像頭中,基本是CCD和CMOS平分秋色。在採用CMOS爲感光元器件的產品中,通過採用影像光源自動增益補強技術,自動亮度、白平衡控制技術,色飽和度、對比度、邊緣增強以及伽馬矯正等先進的影像控制技術,完全可以達到與CCD攝像頭相媲美的效果。
受市場情況及市場發展等情況的限制,攝像頭採用CCD圖像傳感器的廠商爲數不多,主要原因是採用CCD圖像傳感器成本高的影響。
3、 數字信號處理芯片(DSP)
在DSP的選擇上,是根據攝像頭成本、市場接受程度來進行確定。現在DSP廠商在設計、生產DSP的技術已經逐漸成熟,在各項技術指標上相差不是很大,只是有些DSP在細微的環節及驅動程序要進行進一步改進。
4、 圖像解析度/分辨率(Resolution):
攝像頭的圖像解析度/分辨率也就是我們常說的多少像素的攝像頭,在實際應用中,攝像頭的像素越高,拍攝出來的圖像品質就越好,但另一方面也並不是像素越高越好,對於同一畫面,像素越高的產品它的解析圖像的能力也越強,但相對它記錄的數據量也會大得多,所以對存儲設備的要求也就高得多,因而在選擇時宜採用當前的主流產品。由於受到攝像頭價格、電腦硬件、成像效果等因素的影響,現在市面上的攝像頭基本在30萬像素這個檔次上進行銷售。
還有就是由於CMOS成像效果在高像素上並不理想,因此統治高像素攝像頭的市場仍然是CCD攝像頭。
值得注意的一點:有些分辨率的標識是指這些產品利用軟件所能達到的插值分辨率,雖然說也能適當提高所得圖像的精度,但和硬件分辨率相比還是有着一定的差距的。

七、攝像頭的未來
根據IT行業硬件發展的“摩爾定律”來看,數字攝像頭也同樣遵循其發展規律的,相信在未來幾年內會發展的很快。從目前市場情況來看,制約攝像頭髮展的因素主要有以下幾個方面的原因:
1、 攝像頭市場起步較晚,消費者認知度、接受度較低,所以普及率較低,市場容量增大速度不夠快,需要加以一定引導來推動市場消費。
2、 攝像頭的實際應用不夠廣泛,有一定的侷限性,目前還是作爲一種消費類產品在銷售,消費者只是把它作爲視頻聊天、製作簡單的個人影像集、簡單的監視系統等的工具。
3、 現在電腦硬件的限制,如電腦顯示卡、顯示器的分辨率、USB1.1接口速度,就影響高像素攝像的真正普及。
以個人觀點來看,數字攝像頭的未來發展趨勢是:
1、 高像素(500萬,800萬,1200萬...)、高質量圖像傳感器(CCD)、高傳輸速度(USB2.0或其他接口)的攝像頭將會是未來的發展趨勢;
2、 專業化(只作爲專業視頻輸入設備來使用)、多功能化(附帶其他功能,例如附帶閃存盤,趨向數碼相機方向發展,也可以設想以後的攝像頭可以具有掃描儀的功能)等也是將來的發展趨勢;
3、 更人性化、更易於使用、更多的實際應用功能纔是客戶的真正需求。
“日常使用注意事項”
1、日常使用攝像頭時,應當注意以下幾點:
a、不要將攝像頭直接指向陽光,以免損害攝像頭的圖像感應器件。
b、避免攝像頭和油、蒸汽、水氣、溼氣和灰塵等物質接觸,避免直接與水接觸。
c、不要使用刺激的清潔劑或有機溶劑擦拭攝像頭。
d、不要拉扯或扭轉連接線,類似動作可能會對攝像頭造成損傷。
e、非必要情況下,不要隨意打開攝像頭,試圖碰觸其內部零件,這樣容易對攝像頭造成損傷。
f、平時應當將攝像頭存放在乾淨、乾燥的地方。 
1.感光元件

    目前市場上主流攝像頭使用的感光元件主要是CCD和CMOS兩種。它們的作用相當於傳統相機中的底片。CCD的分辨率高,色彩還原逼真,已經成爲百萬像素級的數碼攝影器材裏的主角;與CCD相比,CMOS具有節能及成本低等特點,因而中低端攝像頭幾乎全都採用CMOS作爲感光元件。
    CMOS攝像頭的不足之處是對光線的要求較高,生成的圖像的效果比CCD的粗糙。有的讀者可能會注意到目前有些高端的單反數碼相機採用的也是CMOS感光元件,但這兩者在技術上不可同日而語。況且對於攝像頭而言,效果往往並不是最重要的,廉價CMOS攝像頭拍攝出來的效果也可以讓人接受。

    2.像素值和分辨率

    像素值和分辨率 這裏的分辨率指的是光學分辨率 是攝像頭的兩個重要指標。像素值指的是圖像中獨立像素點的數目,由CCD或CMOS決定。像素值越大,表示其圖像解析能力越強。

  當前主流攝像頭產品的像素值一般爲30萬、35萬和38萬,也有50萬甚至130萬的,不過比較少見,價格也很高。分辨率是攝像頭辨別圖像的能力,其最大值由攝像頭的像素值決定(插值除外)。
    例如目前30萬像素級別的攝像頭均可提供640×480這一最大分辨率,但很多聊天軟件(如MSN)默認支持的分辨率只有320×240,也就相當於10萬像素。筆者要指出的是,像素值大隻表示理論上圖像會更細膩和清晰,但像素值並不是決定成像質量的唯一要素。

    另外,購買的時候還要問清楚標稱的像素值是真實的像素還是插值所得,因爲兩者無論從成本上還是效果上來比較,都有天淵之別。什麼是插值後的像素呢?插值後的像素,是在周圍像素的基礎上用數學公式計算出的“丟失”的像素。

    現在市場上有不少只賣幾十元的攝像頭就是通過這樣的方式來欺騙消費者的,它們雖然也標稱有30萬像素,但真實像素只有10萬。當然,問商家也不是很可靠,況且有時候他們自己也是“受害者”(只有廠家知道)。其實10萬像素和30萬像素的成像效果是有明顯區別的,從色彩飽和度和畫面的清晰程度上,單憑肉眼就能夠分辨出來。
3.最大幀速率

    除了像素值和分辨率之外,拍攝時的幀速率也是決定畫面質量的一個重要因素,你可以把它理解成攝像頭每秒採樣多少個畫面。這樣就很容易理解了:採樣的速率越高,影像當然就越流暢。在實際應用中,只有畫面刷新的幀數在24幀/秒以上,人的眼睛纔不會察覺到明顯的停頓。

    限於成本,目前主流攝像頭的最大幀速率大都爲30幀/秒,低端產品只有15幀/秒甚至更低。一款性能較好的攝像頭,其最大幀速率應達到30幀/秒(352×288),即使用標準的VGA格式(640×480)拍攝,也要有15幀/秒的刷新率。

    4.鏡頭和焦距

    鏡頭在攝像頭中的地位相當於人的眼睛,拍攝的影像是否明亮清晰往往就取決於鏡頭的好壞。鏡頭的成本在整個攝像頭中佔了很大比例。因此,兩款相同像素相同功能的攝像頭,採用的鏡頭不同,成本有可能相差很大。例如那些採用廉價的塑料鏡頭的產品就比較便宜。

    而公認的比較好的鏡頭應該是用玻璃,或玻璃纖維製造的,並由多片鏡片組成。是否鍍膜也是評價鏡頭好壞的一個因素,怎麼去分辨鏡頭有沒有鍍膜呢?很簡單,從側面看去鍍膜的鏡頭有紫色或者藍綠色(根據所鍍的膜的不同折射的顏色也不同)光澤,而沒鍍膜的就完全沒有這些光澤。

    有些用戶把攝像頭買回來後才發現影像很模糊,而在商家那裏試的時候是好好的,爲什麼會這樣呢?一般都是沒有調好焦造成的。和傻瓜相機一樣,攝像頭採用的是超焦距,景深大但微距時應手動調焦。因此,有時候需要手動調節攝像頭的焦距才能得到最清晰的圖像。

小提示:由於鏡頭的後景深比較大,人們稱對焦點以後的能夠清晰成像的距離爲超焦距。應用超焦距是獲得最大景深或控制影像清晰範圍的最快捷方法。傻瓜相機一般就是利用了超焦距,利用短焦鏡頭在一定距離之後的景物都能比較清晰成像的特點,省去對焦功能。

    5.處理芯片

    芯片也是影響成像效果的一個很重要因素。例如有些產品採用的芯片質量差,就會造成攝像頭在光線不好的情況下根本無法使用。一款攝像頭到底採用哪種處理芯片,除非拆開檢查,否則我們無從得知,只能靠實際的效果來判斷。
什麼是CMOS攝像頭 ?
CCD和CMOS在製造上的主要區別是CCD是集成在半導體單晶材料上,而CMOS是集成在被稱做金屬氧化物的半導體材料上,工作原理沒有本質的區別。CCD只有少數幾個廠商例如索尼、松下等掌握這種技術。而且CCD製造工藝較複雜,採用CCD的攝像頭價格都會相對比較貴。事實上經過技術改造,目前CCD和CMOS的實際效果的差距已經減小了不少。而且CMOS的製造成本和功耗都要低於CCD不少,所以很多攝像頭生產廠商採用的CMOS感光元件。成像方面:在相同像素下CCD的成像通透性、明銳度都很好,色彩還原、曝光可以保證基本準確。而CMOS的產品往往通透性一般,對實物的色彩還原能力偏弱,曝光也都不太好,由於自身物理特性的原因,CMOS的成像質量和CCD還是有一定距離的。但由於低廉的價格以及高度的整合性,因此在攝像頭領域還是得到了廣泛的應用。

目前,市場銷售的數碼攝像頭中以CMOS感光器件的爲主。在採用CMOS爲感光元器件的產品中,通過採用影像光源自動增益補強技術,自動亮度、白平衡控制技術,色飽和度、對比度、邊緣增強以及伽馬矯正等先進的影像控制技術,完全可以達到與CCD攝像頭相媲美的效果。受市場情況及市場發展等情況的限制,攝像頭採用CCD圖像傳感器的廠商爲數不多,主要原因是採用CCD圖像傳感器成本高的影響。

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