1、第二章 摄像头的工作原理 在探讨摄像头的工作原理之前，先弄清两个名词的意义，熟悉其本质，便于我们更好的理解电路的原理。 一模拟信号与数字信号 模拟信号指幅度的取值是连续的（幅值可由无限个数值表示），时间上连续的模拟信号连续变化的图像（电视、传真）信号等。以前的老电视就是用模拟信号接受数据。模拟信号的电平就象波浪线那样平滑起伏。例如用一系列连续变化的电磁波(如无线电与电视广播中的电磁波)，或电压信号(如电话传输中的音频电压信号)来表示。 优点：模拟通信的优点是直观且容易实现； 缺点：保密性差、抗干扰能力弱。 数字信号指幅度的取值是离散的，幅值表示被限制在有限个数值之内。二进制码就是一种数字信号。
2、现在的计算机就是数字信号接受数据。数字信号只接受 01010101 的数字，他的电平是显示凸凹形状的。例如用一系列断续变化的电压脉冲(如我们可用恒定的正电压表示二进制数 1，用恒定的负电压表示二进制数 0)，或光脉冲来表示。 优点：加强了通信的保密性、提高了抗干扰能力、可构建综合数字通信网。 缺点：占用频带较宽、技术要求复杂、进行模/数转换时会带来量化误差。 模拟信号和数字信号之间可以相互转换：模拟信号一般通过 PCM 脉码调制(Pulse Code Modulation)方法量化为数字信号，即让模拟信号的不同幅度分别对应不同的二进制值；数字信号一般通过对载波进行移相(Phase Shift)
3、的方法转换为模拟信号。将模拟信号转换成数字信号的电路，称为模数转换器(简称 A/D 转换器或 adc,analog to digital converter)； 将数字信号转换为模拟信号的电路称为数模转换器(简称D/A 转换器或 dac,digital to analog converter)。我们的 CCD 和 CMOS 感光芯片最初输出的信号都是一列离散的模拟信号，其中还混杂有各种噪声或干扰信号。CCD和 CMOS输出信号处理的目的就是要尽可能地消除这些噪声干扰，但又不能损失图像细节. 二摄像头的成像原理 1. 成像原理 摄像头的成像原理与人的眼睛成像原理是类同的，眼睛是光的感觉器官，眼睛
4、很像摄像头，角膜和晶状体相当于镜头，能够聚焦成像，眼内的视网膜相当于感光芯片，能够接受物象。外界景物发出的光线，经过角膜、晶状体等聚焦后投影到视网膜上，就显示出景物的影象。同理，外界景物发出的光线，经过镜头等聚焦后投影到感光芯片上，也能显示出景物的影象。视网膜的感光细胞，将影象变成讯息冲动，通过视神经传递给大脑，经过大脑皮层的综合分析，产生视觉，人就看清了景物。摄像头的感光芯片，将影像变成电荷脉冲，通过信号转换传递给 DSP 和放大电路，输出视频影像信号显示出来。 因此，在摄像头的工作原理上，感光芯片是极具重要作用的，就象人眼睛里面的视网膜一样重要。目前感光芯片主要有CCD 和 CMOS两种，
5、其诞生的时间也不是很长，1970年美国贝尔实验室发明了 CCD。二十年后，人们利用这一技术制造了数字相机，将影像处理行业推进到一个全新领域。数字相机无需胶卷和冲洗、可重复拍摄和即时调整；影像可无限次复制且不会降低质量，方便永久保存，并可用于电子传送和处理。它的诞生给影像处理业带来了一场革命。而后，有人发现，将计算机系统里的一种芯片进行加工也可以作为数字相机中的感光传感器，即 CMOS，其便于大规模生产和成本低廉的特性是商家们梦寐以求的。业内人士分析，它在不久的将来可能取代CCD，如今两者依然共存。 2. 焦距 焦距从光学原理来讲焦距就是从焦点到透镜中心的距离。焦距长短与成像大小成正比，焦距越长
6、成像越大，焦距越短成像越小。镜头焦距长短与视角大小成反比，焦距越长视角越小，焦距越短视角越大。焦距长短与景深成反比，焦距越长景深越小，焦距越短景深越大。焦距长短与透视感的强弱成反比，焦距越长透视感越弱，焦距越短透视感越强。焦距长短与反差成反比，焦距越长反差越小，焦距越短反差越大。对焦距离越远景深越深，对焦距离越近景深越浅。 3. 景深 景深就是当某一物体聚焦清晰时，从该物体前面的某一段距离到其后面的某一段距离内的所有景物也都当清晰的。焦点相当清晰的这段从前到后的距离就叫做景深。景深分为前景深和后景深，后景深大于前景深。景深越深，那么离焦点远的景物也能够清晰，而景深浅，离焦点远的景物就模糊。 4
7、.视角 视角就是镜头中心点到成像平面对角线两端所形成的夹角就是镜头视角，对于相同的成像面积，镜头焦距越短，其视角就越大。对于镜头来说，视角主要是指它可以实现的视角范围，当焦距变短时视角就变大了，可以拍出更宽的范围，但这样会影响较远拍摄对象的清晰度。当焦距变长时，视角就变小了，可以使较远的物体变得清晰，但是能够拍摄的宽度范围就变窄了。 三CCD 与 CMOS感光原理 CCD 或 CMOS都是使用一种高感光度的半导体材料制成，基本上都是利用矽感光二极体（photodiode）进行光与电的转换。CCD 或 CMOS 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。 CCD
8、 和 CMOS 的组成主要是由一层聚光镜片、色块网格、感应线路所组成，最底下的电子线路矩阵就是光电二极管，这每一个光电二极管等同于一个闭合开关，当这个光电二极管受到外部光线照射时，就等同于这个开关已经打开，开启的时间长短就是曝光的时间长短，相当于照相机的机械快门开启的瞬间。 CCD 曝光之后，感光元件产生对应的电流，电流大小与光强对应，因此感光元件直接输出的电信号是模拟的。在CCD传感器中，每一个感光元件都不对此作进一步的处理，而是将它直接输出到下一个感光元件的存储单元，结合该元件生成的模拟信号后再输出给第三个感光元件，依次类推，直到结合最后一个感光元件的信号才能形成统一的输出。由于感光元件生
9、成的电信号实在太微弱了，无法直接进行模数转换工作，因此这些输出数据必须做统一的放大处理这项任务是由CCD传感器中的放大器专门负责，经放大器处理之后，每个像点的电信号强度都获得同样幅度的增大；但由于CCD本身无法将模拟信号直接转换为数字信号，因此还需要一个专门的模数转换芯片进行处理，最终以二进制数字图像矩阵的形式输出给专门的DSP处理芯片。 因此，CCD 所产生的电荷都是在同步信号控制下一位一位地实施转移后读取，电荷信息转移和读取输出需要有时钟控制电路和三组不同的电源相配合，将每一行中每一个像素（pixel）的电荷信号依序传入“缓冲器”中，由底端的线路引导输出至 CCD 旁的放大器进行放大，再串
10、联 ADC 输出，这种方式是“专属通道设计”， 充分保持信号传输时不失真，所以解析度好；又是单一放大，所以噪点低；但整个构造复杂，成本高；需外加电压，功耗大。 CMOS 曝光之后，感光元件产生对应的电流，电流大小与光强对应，因此感光元件直接输出的电信号是模拟的。在这里，产生的模拟电信号首先被该感光元件中的放大器放大，然后直接转换成对应的数字信号。换句话说，在 CMOS 传感器中，每一个感光元件都可产生最终的数字输出，所得数字信号合并之后被直接送交 DSP 芯片处理，问题恰恰是发生在这里，CMOS 感光元件中的放大器属于模拟器件，无法保证每个像点的放大率都保持严格一致，致使放大后的图像数据无法代
11、表拍摄物体的原貌，体现在最终的输出结果上，就是图像中出现大量的噪声，品质明显低于CCD传感器。 可见，CMOS 所有产生的电荷，每个像素旁就直接连着 ADC（放大兼类比数字信号转换器），每个像点的构成为一个感光二极管和三颗晶体管，讯号直接放大并转换成数字信号，最后再整合各个像素的资料，难以保持资料的完整性。这种方式是“共用通道设计”，信号的干扰较大，所以解析度不高，又是统一整合放大，所以噪点多，但是可以一次整合全部周边设施于单晶片中，所以能高度集成，成本低；无须外部复杂的电路支持，功耗也小。 四CCD 与 CMOS的区别 由于 CCD和 CMOS 构造上的基本差异，我们可以表列出两者在性能上的
12、表现之不同。整体来说，CCD 与 CMOS 两种设计的应用，反应在成像效果上，形成包括 ISO 感光度、制造成本、解析度、噪点与耗电量等，不同类型的差异： 1.CCD 的特色在于充分保持信号在传输时不失真（专属通道设计），透过每一个像素集合至单一放大器上再做统一处理，可以保持资料的完整性；CMOS 的制程较简单，没有专属通道的设计，因此必须先行放大再整合各个像素的资料。 2.ISO 感光度差异：由于 CMOS 每个像素包含了放大器与A/D 转换电路，过多的额外设备压缩单一像素的感光区域的表面积，因此 相同像素下，同样大小之感光器尺寸，CMOS的感光度会低于 CCD。 3.成本差异：CMOS 应
13、用半导体工业常用的 MOS制程，可以一次整合全部周边设施于单晶片中，节省加工晶片所需负担的成本 和良率的损失；相对地 CCD 采用电荷传递的方式输出资讯，必须另辟传输通道，如果通道中有一个像素故障（Fail），就会导致一整排的 讯号壅塞，无法传递，因此 CCD 的良率比CMOS 低，加上另辟传输通道和外加 ADC 等周边，CCD的制造成本相对高于CMOS。 4.解析度差异：在第一点“感光度差异”中，由于 CMOS 每个像素的结构比 CCD 复杂，其感光开口不及 CCD大， 相对比较相同尺寸的 CCD与 CMOS 感光器时，CCD 感光器的解析度通常会优于 CMOS。不过，如果跳脱尺寸限制，目前
14、业界的 CMOS 感光原件已经可达到 1400万 像素 / 全片幅的设计，CMOS 技术在量率上的优势可以克服大尺寸感光原件制造上的困难，特别是全片幅 24mm-by-36mm 这样的大小。 5.噪点差异：由于 CMOS每个感光二极体旁都搭配一个 ADC 放大器，如果以百万像素计，那么就需要百万个以上的 ADC 放大器，虽然是统一制造下的产品，但是每个放大器或多或少都有些微的差异存在，很难达到放大同步的效果，对比单一个放大器的CCD，CMOS 最终计算出的噪点就比较多。 6.耗电量差异：CMOS 的影像电荷驱动方式为主动式，感光二极体所产生的电荷会直接由旁边的电晶体做放大输出；但 CCD 却为
15、被动式， 必须外加电压让每个像素中的电荷移动至传输通道。而这外加电压通常需要 12 伏特（V）以上的水平，因此 CCD 还必须要有更精密的电源线路设计和耐压强度，高驱动电压使 CCD 的电量远高于 CMOS。 目前有能力生产 CCD 的公司分别为：sony、philps、kodak、matsushita、fuji、sanyo和 sharp，多半是日本厂商。生产CMOS 的公司就比较多，市场上主要还是美国 OV 的芯片占主流，国产 CMOS芯片是以中星微的占主流。 五摄像头的技术参数 在安全防范系统中，CCD 和 CMOS 就其本身的特性来说，主要体现在以下几个技术参数上面. 1.像素 像素数指
16、的是 CCD 或CMOS 传感器的最大像素数，它是由 CCD或 CMOS里的光电传感器上的光敏元件数目所决定的。有些给出了水平及垂直方向的像素数，如 500H*582V，有些则给出了前两者的乘积值，如 30万像素。对于一定尺寸的CCD 或 CMOS芯片，像素数越多则意味着每一像素单元的面积越小，因而由该芯片构成的摄像机的分辨率也就越高。在这里，数字摄像头和模拟摄像头的对像素的定义是一致的。例如，在电视监控摄像机中使用的CCD传感器的像素有的已达到 48 万像素。 2.分辨率(清晰度) 分辨率是衡量摄像头优劣的一个重要参数，它指的是当摄像头摄取等间隔排列的黑白相间条纹时，在监视器（应比摄像头的分
17、辨率高）上能够看到的最多线数。在电视工业中，分辨率指的是在荧光屏等于像高的距离内人眼所能分辨的黑白条纹数，单位是电视线（TV 线）。当超过这一线数时，屏幕上就只能看到灰蒙蒙的一片而不能再辨出黑白相间的线条。在在安全防范系统中，普遍使用的摄像头的分辨率是 260TV 线-600TV 线之间。 我们国家采用的电视标准是 PAL 制式，它规定每秒 25帧，每帧 625 扫描行。由于采用了隔行扫描方式，625行扫描线分为奇数行和偶数行，这分别构成了每一帧的奇、偶两场，由于在每一帧中电子束都要从上面开始扫描，因此存在着电子束从终点回到起点的扫描逆程期，在这期间被消隐的扫描行是不可能分解图像的。扫描逆程期
18、约占整个扫描时间的 8，因此 625 行中用于扫描图像的有效行数只有 576行，由此推导出图像在垂直方向上的分辨率为 576 点。按现行43 宽高比的电视标准，图像在水平方向上的分辨率应为5764/3=768点，这就得到了 768576 这一常见的图像大小。另外，在计算机视频捕捉时，我们还会遇到遵循 CCIR601标准的PAL 制式图像尺寸，其大小为720576。对于我们还能接触到的NTSC制式来讲，它规定每秒30 帧，每帧 525行，同样采用了隔行扫描方式，每一帧由两场组成，其图像大小是 720486。 3. 扫描频率 扫描频率是场频和行频的统称，场频:场频又称为“垂直扫描频率”或“刷新率”
19、。指单位时间（以秒计）之内电子枪对整个屏幕进行扫描的次数，通常以赫兹(Hz)表示。以 85Hz 刷新率为例，它表示显示器的内容每秒钟刷新 85 次。PAL 制式的摄像头的场频和电源频率一致，一般是 50Hz. NTSC 制式的摄像头是 60 Hz。行频是指每秒钟重复绘制显示画面的次数，即重绘率，以 Hz 为单位。指电子枪每秒钟在屏幕上从左到右扫描的次数，又称屏幕的水平扫描频率，以 KHz 为单位。它越大就意味着显示器可以提供的分辨率越高，稳定性越好。行频 = 垂直分辨率 * 场频（画面刷新次数）。如：分辨率：800 * 600， 场频：85Hz， 得出：行频 = 600 * 85 = 51(K
20、Hz)。PAL制式的摄像头的行频一般是 15.625KHz，NTSC 制式的摄像头的行频一般是15.7343KHz。 4. 信号系统（制式） 电视制式就是用来实现电视图像信号和伴音信号，或其它信号传输的方法，和电视图像的显示格式，以及这种方法和电视图像显示格式所采用的技术标准。彩色电视机的制式一般只有三种，即 NTSC、PAL、SECAM 等三种彩色电视机的制式。 （1）.NTSC彩色电视制式：它是 1952年由美国国家电视标准委员会指定的彩色电视广播标准，它采用正交平衡调幅的技术方式，故也称为正交平衡调幅制。美国、加拿大等大部分西半球国家以及中国的台湾、日本、韩国、菲律宾等均采用这种制式。
21、（2）.PAL 制式：它是西德在 1962 年指定的彩色电视广播标准，它采用逐行倒相正交平衡调幅的技术方法，克服了 NTSC 制相位敏感造成色彩失真的缺点。西德、英国等一些西欧国家，新加坡、中国大陆及香港，澳大利亚、新西兰等国家采用这种制式。PAL 制式中根据不同的参数细节，又可以进一步划分为 G、I、D 等制式，其中 PALD 制是我国大陆采用的制式。 （3）.SECAM 制式：SECAM是法文的缩写，意为顺序传送彩色信号与存储恢复彩色信号制，是由法国在 1956 年提出，1966 年制定的一种新的彩色电视制式。它也克服了 NTSC 制式相位失真的缺点，但采用时间分隔法来传送两个色差信号。使
22、用SECAM 制的国家主要集中在法国、东欧和中东一带。 5.最低照度 照度(Luminosity)指物体被照亮的程度，采用单位面积所接受的光通量来表示，表示单位为勒克斯(Lux,lx) ，即 1m/m2 。 1 勒克斯等于 1 流明(lumen,lm)的光通量均匀分布于 1m2 面积上的光照度。照度是以垂直面所接受的光通量为标准，若倾斜照射则照度下降。最低照度指的是当被摄景物的光亮度低到一定程度而使摄像头输出的视频信号电平低到某一规定值时的景物光亮度值。测定此参数时，还应特别注明镜头的最大相对孔径。例如，使用 F1. 2 的镜头，当被照景物的光亮度值低到 0. 04lux 时，摄像头输出的视频
23、信号幅值为最大幅值的 50%，即达到 350mV（标准视频信号最大幅值 700mV），则称此摄像头的最低照度为 0. 04lx/F1. 2。被摄景物的光亮度值再低，摄像要输出的视频信号的幅值就达不到350mV 了，反映在监视器的屏幕上，将是一屏很难分辨出层次的、灰暗的图像。 一般情况：夏日阳光下为 100000LUX；阴天室外为 10000LUX；室内日光灯为 100LUX；距 60W 台灯 60cm 桌面为 300LUX；电视台演播室为 1000LUX；黄昏室内为 10LUX；夜间路灯为 0.1LUX；烛光（20cm 远处）1015LUX；日出日落 300 LUX；月圆 0.30.03LUX
24、； 星光 0.00020.00002 LUX；阴暗夜晚 0.0030.0007LUX。 6.信噪比 信噪比,即 SNR（Signal to Noise Ratio）又称为讯噪比，狭义来讲是指放大器的输出信号的电压与同时输出的噪声电压的比，常常用分贝数表示。设备的信噪比越高表明它产生的噪声越少。信号的输出质量越高，否则相反。摄像头的信噪比一般不应该低于 48dB，信噪比是摄像头的一个重要的参数。一般摄像头给出的信噪比值均是在 AGC（自动增益控制）关闭时的值，因为当 AGC接通时，会对小信号进行提升，使得噪声电平也相应提高。CCD 摄像头的信噪比的典型值一般为 4555dB。测量信噪比参数时，应
25、使用视频杂波测量仪直接连接于摄像头的视频输出端子上。 7. 自动增益控制 自动增益控制（automatic gain control）是使放大电路的增益自动地随信号强度而调整的自动控制方法。实现这种功能的电路简称 AGC 环。AGC 环是闭环电子电路，是一个负反馈系统，它可以分成增益受控放大电路和控制电压形成电路两部分，其原理是摄像机输出的视频信号必须达到电视传输规定的标准电平，即为了能在不同的景物照度条件下都能输出的标准视频信号，必须使放大器的增益能够在较大的范围内进行调节。这种增益调节通常都是通过检测视频信号的平均电平而自动完成的，实现此功能的电路称为自动增益控制电路，简称AGC 电路。具
26、有 AGC功能的摄像机，在低照度时的灵敏度会有所提高，但此时的噪点也会比较明显。这是由于信号和噪声被同时放大的缘故。 8. 伽玛校正 所谓伽玛校正(Gamma Correction)就是对图像的伽玛曲线进行编辑，以对图像进行非线性色调编辑的方法，检出图像信号中的深色部分和浅色部分，并使两者比例增大，从而提高图像对比度效果。计算机绘图领域惯以此屏幕输出电压与对应亮度的转换关系曲线，称为伽玛曲线（Gamma Curve）。以传统 CRT（Cathode Ray Tube）屏幕的特性而言，该曲线通常是一个乘幂函数，Y=(X+e)，其中，Y为亮度、X 为输出电压、e 为补偿系数、乘幂值（）为伽玛值，改
27、变乘幂值（）的大小，就能改变CRT 的伽玛曲线。典型的 Gamma 值是 0.45，它会使 CRT 的影像亮度呈现线性。使用 CRT 的电视机等显示器屏幕，由于对于输入信号的发光灰度，不是线性函数，而是指数函数，因此必需校正。现行摄像机大都采用了固定的 值。 伽马值为 2.0 伽马值为0.45 9.电子快门 电子快门（Electronic Shutter）是比照照相机的机械快门功能提出一个术语，它相当于控制 CCD图像传感器的感光时间。由于CCD 感光的实质是信号电荷的积累，则感光时间越长，信号电荷的积累时间就越长，输出信号电流的幅值也就越大。通过调整光电信号电荷的积累时间（即调整时钟脉冲的宽
28、度），即可实现控制 CCD 感光时间的功能。电子快门实际上并没有“门”，而是利用了 CCD 感光系统不通电不工作的原理，在 CCD 不通电的情况下，尽管像场窗口仍然“大敞开”，但是并不能产生图像。如果在按下快门钮时，使用电子时间电路，使CCD只工作“一个指定的时间长短”，就也能获得像有快门“瞬间打开”一样的效果。 10.背光补偿 背光补偿（Back light Compensation）也称作逆光补偿或逆光补正，它可以有效补偿摄像机在逆光环境下拍摄时画面主体黑暗的缺陷。当引入背光补偿功能时，摄像机仅对整个视场的一个子区域（如从第80 行 200行的中心区域）进行检测，通过求此区域的平均信号电平
29、来确定 AGC电路的工作点。由于子区域的平均电平很低，AGC放大器会有较高的增益，使输出视频信号的幅值提高，从而使监视器上的主体画面明朗。 有背光补偿功能 无背光补偿功能 11.白平衡: 白平衡（White Balance）就是摄像机对白色物体的还原。当我们用肉眼观看这大千世界时，在不同的光线下，对相同的颜色的感觉基本是相同的，比如在早晨旭日初升时，我们看一个白色的物体，感到它是白的；而我们在夜晚昏暗的灯光下，看到的白色物体，感到它仍然是白的。这是由于人类从出生以后的成长过程中，人的大脑已经对不同光线下的物体的彩色还原有了适应性。但是，作为摄像机，可没有人眼的适应性，在不同的光线下，由于CCD
30、输出的不平衡性，造成摄像机彩色还原失真：或者图像偏蓝，或者偏红，物体颜色会因投射光线颜色产生改变，在不同光线的场合下拍摄出的图像会有不同的色温。例如以钨丝灯(电灯泡)照明的环境拍出的照片可能偏黄，一般来说，CCD没有办法像人眼一样会自动修正光线的改变。所以通过白平衡的修正，它会按目前画像中图像特质，立即调整整个图像红绿蓝三色的强度，以修正外部光线所造成的误差。有些摄像机除了设计自动白平衡或特定色温白平衡功能外，也提供手动白平衡调整。 为了了解白平衡，就必须了解另一个重要的概念：色温。所谓色温，简而言之，就是定量地以开尔文温度表示色彩。当物体被电灯或太阳加热到一定的温度时，就会发出一定的光线，此光线不仅含有亮度的成份，更含有颜色的成份，而色温越高，蓝色的成份越多，图像就会偏蓝；相反，色温越低，红色的成份就越多，图像就会偏红。因此，如果照射物体的光线发生了变化，那末其反映出的色彩也会发生了变化，而这种变化反映到摄像机里，就会产生在不同光线下彩色还原不同的现象。 12.灰度等级 是一种具有从黑到白分 256 级灰度色域或等级的单色图像。该图像中的每个像素用8位数据表示，因此像素点值介于黑白间的256种灰度中的一种。该图像只有灰度等级，而没有颜色的变化。在Photoshop中，将灰度图像作为一种颜色通道的数字图像。
