攝像頭常見參數解釋(轉載)

市面上的攝像頭有很多種,規格,價格也是千差萬別,如何選擇一款適應當前應用系統的攝像頭是一個很關鍵的問題。
影響攝像頭性能的參數主要有以下幾種:
1. 分辨率:一般是說攝像頭能支持到的最大圖像大小,如640x480(普清), 800x600, 1280x720(高清), 1920x1080(全高清或超清)等。分辨率當然是越高越好,但也要考慮系統實際情況,如果系統就用不到1920x1080這樣的分辨率,那就沒必要採購這麼高的攝像頭。
一般可能應用到的視頻分辨率有:
160x120,                  4:3
320x240,                  4:3
480x360,                  4:3  
640x480(普清),          4:3  30萬
800x600(標清),          4:3  50萬
960x720,                 4:3  70萬           
1280x720(高清),        16:9  100萬
1920x1080(全高清或超清) 16:9 200萬
攝像頭可以經配置輸出幾檔不同分辨率的圖像,例如我桌面上的一個USB數字攝像頭YUYV輸出格式下所支持的分辨率有:
160x120, 320x240, 544x288, 640x480, 800x600, 960x720, 1280x720, 1280x960.
如果軟件配置成480x360,攝像頭不支持這個分辨率就會從它支持的分辨率中選擇一個最相似的來替代,如我的攝像頭就選擇了544x288這個格式。軟件需要輸入480x360,而硬件只能輸出544x288,在這種情況下,需要進行縮放把544x288縮放成480x360。這增加了計算複雜度,不利於系統優化。因此在選擇攝像頭時不僅要看攝像頭的最大分辨率,還要看攝像頭能夠輸出的不同分辨率檔是否能夠滿足應用的不同場景需求。
標清、高清、全高清是業界的一般稱呼,甚至有些時候還不一樣,所以最好還是直接說分辨率值。
還有在商家在產品宣傳上用像素的概念,原始的像素定義就是分辨率的乘積大小,如1920x1080=2073600就被稱爲200萬像素。這樣的叫法也沒有太大問題,但是有些商家把插值計算出來的結果稱爲最後的像素值就有些誤導的成分,例如攝像頭採集的爲640x480(大概30萬像素)經過攝像頭內部插值得到1280x720圖像就稱爲可以達到插值100萬像素,或者直接說100完像素,那就是明顯的誤導消費者。插值得到的100萬像素和採集得到的100萬像素,在圖像質量上存在極大的差異。所以不要看像素,直接看分辨率。
另外分辨率一般還跟着逐行(P)或隔行(i)設置。720P, 1080i。隔行是電磁掃描時代遺留下來的技術,目前已經被淘汰,可以忽略所有帶i的配置。

2. 色彩空間:攝像頭採集數據的存放格式,一般有YUYV, YV12, NV12, MJPEG等,具體的格式可以參考《YUV格式總結 》。一般的編碼器輸入爲YV12(JM,x264)或者NV12(x264內部幀存儲格式,將NV12輸入x264更有優勢),如果攝像頭輸出的是YUYV格式,就需要進行色彩空間轉換,轉換爲軟件能夠接受的格式,這勢必增加了計算量。因此最好選用的攝像頭可以支持軟件需要的色彩空間。MJPEG是 Motion JPEG,可以理解爲JPEG圖像的序列,圖像內部是有損的火無損的JPEG編碼,圖像之間沒有依賴關係。因爲圖像本身具有很大的色彩冗餘,即使是無損的JPEG編碼也有6-10倍的壓縮率,可以大大降低存儲數據量,由此也會影響攝像頭的輸出幀率。如果輸出MJPEG格式,軟件端還需要解碼MJPEG,然後轉化爲YV12或者NV12增加了一些計算量,但幀率可能會上去。

3. 幀率:一般是說攝像頭在某種色彩空間中最大分辨率下能夠支持的最高視頻捕獲能力。還以我桌面的USB攝像頭爲例,它支持兩種色彩空間YUYV和MJPEG。在這兩種空間下測試幀率的結果爲:
format = YUYV,     input resolution =  160 x  120, v4l2 resolution =  160 x  120, fps = 23
format = YUYV,     input resolution =  320 x  240, v4l2 resolution =  320 x  240, fps = 23
format = YUYV,     input resolution =  480 x  360, v4l2 resolution =  544 x  288, fps = 23
format = YUYV,     input resolution =  640 x  480, v4l2 resolution =  640 x  480, fps = 23
format = YUYV,     input resolution =  800 x  600, v4l2 resolution =  800 x  600, fps = 16
format = YUYV,     input resolution =  960 x  720, v4l2 resolution =  960 x  720, fps =  8
format = YUYV,     input resolution = 1280 x  720, v4l2 resolution = 1280 x  720, fps =  9
format = YUYV,     input resolution = 1920 x 1080, v4l2 resolution = 1280 x  960, fps =  4

format = MJPG,     input resolution =  160 x  120, v4l2 resolution =  160 x  120, fps = 23
format = MJPG,     input resolution =  320 x  240, v4l2 resolution =  320 x  240, fps = 23
format = MJPG,     input resolution =  480 x  360, v4l2 resolution =  544 x  288, fps = 23
format = MJPG,     input resolution =  640 x  480, v4l2 resolution =  640 x  480, fps = 23
format = MJPG,     input resolution =  800 x  600, v4l2 resolution =  800 x  600, fps = 23
format = MJPG,     input resolution =  960 x  720, v4l2 resolution =  960 x  720, fps = 23
format = MJPG,     input resolution = 1280 x  720, v4l2 resolution = 1280 x  720, fps = 23
format = MJPG,     input resolution = 1920 x 1080, v4l2 resolution = 1280 x  960, fps = 23
1280x960分辨率時,MJPEG可以達到23fps, 而YUYV只能到4fps。
幀率也不是越高越好,還是要看系統需求。對於一般的運動場景15fps的幀率人眼已經可以認爲是連續運動視頻,這時如果攝像頭支持高於15fps的幀率,就可以滿足系統的需要。

一般攝像頭參數視頻輸出模式:1080P@30, 1080P@25, 1080P@24, 1080i@60, 1080i@50, 720P@60,720P@50,其中24,25,30,50,60就是幀率。
需要注意的是,我國交流電供電的標準頻率爲50Hz,在日光燈環境下的攝像頭,幀率最好設置爲25或者50,和日光燈閃爍頻率一致,這樣才能避免採集數據出現一幀亮一幀暗的燈光閃頻現象。

一些主觀的人類視覺因素
4. 色彩還原度:攝像頭對各種顏色的還原能力。一般會將攝像頭的輸出接到一臺大一尺寸的顯示器上,觀察攝像頭。
a.觀察白色物體,拿一張白紙(在太陽光下顯示爲白色)對這攝像頭,看顯示器裏面的顏色是否爲白色。如果不爲白色,可以嘗試調節攝像頭設置裏面的白平衡(White Balance,簡稱WB);再有可能是顯示器的問題,將白色調好,才能更加客觀的比較其他顏色的效果。
b.觀察在特定應用場景下的攝像頭整體色調,例如視頻會議系統是在一定明亮燈光下的場景,室外監控系統是在太陽光下的場景,桌面USB攝像頭是在日光燈下的場景。觀察對應場景下攝像頭所表現出來的整體色調是否真實,有沒有蒼白(色彩飽和度不足)、偏冷或偏暖的情況出現。
c.觀察各種顏色的物體經攝像頭採集又顯示出來的色彩是否與原物體顏色相同,尤其是紅綠藍這三基色的表現。
d.觀察不同顏色的變化邊緣是否銳利,感光材料的缺陷,會使得顏色發生漂移,尤其在顏色變化邊緣。

5. 紋理還原度:攝像頭對細小物體的紋理能夠真實還原。例如地毯,毛衣等具有不規則微小細節的紋理。還有對文字的還原度,拿一本書看顯示器上的文字是否還能保持一定的清晰度。

6. 去噪:一般攝像頭都有這個功能,Noise Reduce簡稱 NR。一般攝像頭設置裏面有5級NR,缺省爲3級。NR越大濾波效果越明顯,圖像更光滑,噪聲越少,但紋理細節也損失的越多。同時NR越大,攝像頭的計算量就越多,攝像頭的相應速度會變慢。攝像頭噪聲的來源有很多種,但大部分都是時空孤立的,通過NR可以消除。噪聲和紋理的區別在於,紋理是現實世界真實存在的物體表面細節,如毛衣上的纖維;噪聲是不存在的,是由於攝像頭電氣特性、感光材料等原因疊加上去的。仔細觀察圖像的某些靜止區域,看這個區域的圖像是否會出現不規則的閃爍,這些閃爍就是噪聲的表現(將NR設置爲0,閃爍將更明顯)。NR的採用會在一定程度上去除噪聲,抑制閃爍,但過高的NR設置會損傷紋理還原度。因此需要在去噪和紋理還原度上平衡。比較不同攝像頭時,可以把他們的NR都設置爲中位值,然後在噪聲抑制和紋理還原兩方面衡量。

7. 動態速度:一般就是看快速運動物體有沒有拖影,站在攝像頭前面,快速的揮動手臂,看顯示器手臂運動有沒有拖影。注意的是在較高NR時圖像的動態速度會降低,表現在圖像上就是運動有拖影。另一方面看攝像頭反應速度,面對攝像頭快速舉起手臂,看顯示器內的圖像是否能夠同步,而不至於存在一定滯後時間差,現在的攝像頭動態速度一般都能滿足。

一些客觀的攝像頭物理參數
8. 感光部件:感光單元是數字攝像的最核心部門,一般有兩種CCD和CMOS。
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。一般是用於攝影攝像方面的高端技術元件,應用技術成熟,成像效果較好,價格相對而言較貴。
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。採用一些自動增益、自動白平衡、飽和度、對比度增強等影像控制技術,可以接近CCD攝像頭的效果。CMOS一般用於較低品質的產品中,如桌面USB攝像頭等。
所以,在選擇攝像頭時候,如果對成像畫面,特別是夜拍效果比較重視的情況下應該選擇CCD攝像頭;如果需要考慮USB口的供電能力,整機穩定性,或成本的時候,可以優先考慮CMOS攝像頭。

9. 鏡頭
成像公式 1/D + 1/d = 1/f。  => D = d/(d/f - 1)
式中,D爲物距;d爲像距;f爲透鏡焦距。D與f成正比。
鏡頭焦距越大,有效視距越遠(長焦),但可視角度越小;
鏡頭焦距越小,有效視距越近,但可視角度越大(廣角)。

用戶需要根據自己的實際應用場景來選擇攝像頭。例如用的3.6MM的鏡頭,這個屬於廣角鏡頭,看的範圍要廣一些,適合小的空間(電梯等)。長焦的鏡頭(例如129MM)適合看很遠的距離,但是比較窄的視角。因此既想看得遠,又想看得寬闊和清晰,這是無法同時實現的。只能夠根據具體應用來決定採用什麼樣的攝像頭。

一般攝像頭的焦距在一定範圍內是可變的。變焦鏡頭由固定透鏡組和可變透鏡組兩部分組成。通過移動可變透鏡組,改變成像光路,可以在一定的範圍內改變鏡頭的焦距,從而也改變了拍攝的視角。長焦端的最大焦距與廣角端的最小焦距之比就是我們常說的攝像頭多少倍率光學變焦。例如索尼SRG-300H全高清遠程遙控 PTZ 攝像機,焦距爲f=4.3 mm(廣角)至 129 mm(長焦),它的光學變焦倍數就是129/4.3 = 30倍。
數字變焦是利用數字插值的方法把局部區域放大顯示,這種方式的變焦結果畫質得不到明顯的提升。

除了手動調整焦距,一般攝像頭具有自動對焦功能。自動對焦是根據圖像清晰度評價算法,來確定焦距調節的方式(焦距變長還是變短),使得圖像清晰度最優。圖像清晰度評價算法沒有標準的算法,各家攝像頭廠商都不一樣。選擇攝像頭的時候需要考量一下自動對焦的效果(與人眼感受同步,不會誤對焦)與速度。

鏡頭材質:一般有兩種,樹脂片或者玻璃片。樹脂片(Plastic,便宜、透光率低、使用壽命短);玻璃鏡片(Glass,透光率高,技術成熟,穩定,價格高、使用壽命長)。通常攝像頭用的鏡頭構造有:1P、2P、1G1P、1G2P、2G2P、4G等。鏡片越多,成本越高,玻璃片越多,成本越高。市場上的大多攝像頭產品爲了降低成本,一般會採用樹脂鏡頭(即1P,2P)或半樹脂半玻璃鏡頭(即:1G1P、1G2P等)。

10. 雲臺控制
雲臺內部有兩個電機,分別負責雲臺的上下和左右各方向的轉動。雲臺的轉動帶動攝像頭的轉動,這樣可以看到不同位置處的圖像。評估雲臺主要從雲臺轉動速度、轉動角度、載重量等方面考慮。如果是室外雲臺還需要考慮防水、防雷、防塵、防凝結、防腐、防爆等因素。
雲臺預置位指的是預先設定好一些監控重點區域(例如過道、櫃檯、主席臺等),記錄下此時雲臺對應的水平、垂直角度,鏡頭焦距等參數,當用戶需要快速查看某個重點區域的時候,可以通過控制設備使雲臺和攝像頭迅速的恢復到預定位置。

一些圖像處理算法的支持
11. 翻轉:攝像頭吊裝或者平放,都能使圖像對於人眼是正立的。
12. 自動增益:爲了能在不同的光照條件下都能輸出標準的視頻信號,必須使感光單元放大器的增益能夠調節。這種增益調節通常都是通過檢測視頻信號的平均電平而自動完成的,實現此功能的電路被稱爲自動增益控制(AGC)電路。具有AGC功能的攝像機,在低照度時的靈敏度會有所提高,但由於信號和噪聲被同時放大的緣故,此時的噪點也會比較明顯。
13. 白平衡:自動白平衡功能,可以克服環境光譜的影響,使得增加色彩還原度。
14. 伽馬校正:伽馬校正是爲了彌補電視顯示系統中亮度與輸入電壓並不是線性變化的這一現實缺陷。校正可以在顯示系統中做,也可以在攝像頭端做伽馬補償,使得輸出的圖像在電視端不需要再做校正。
15. 寬動態範圍:是在非常強烈的光照對比下(例如背光環境)讓攝像頭能看清影像的一種技術,一般高清攝像頭都支持了寬動態。
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