浅谈Camera工作原理

一、 摄像头简介
摄像头（CAMERA）又称为电脑相机、电脑眼等，它作为一种视频输入设备，在过去被广泛的运用于视频会议、远程医疗及实时监控等方面。近年以来，随着互联网技术的发展，网络速度的不断提高，再加上感光成像器件技术的成熟并大量用于摄像头的制造上，这使得它的价格降到普通人可以承受的水平。普通的人也可以彼此通过摄像头在网络进行有影像、有声音的交谈和沟通，另外，人们还可以将其用于当前各种流行的数码影像、影音处理。

二、 摄像头的分类
摄像头分为数字摄像头和模拟摄像头两大类。模拟摄像头可以将视频采集设备产生的模拟视频信号转换成数字信号，进而将其储存在计算机里。模拟摄像头捕捉到的视频信号必须经过特定的视频捕捉卡将模拟信号转换成数字模式，并加以压缩后才可以转换到计算机上运用。数字摄像头可以直接捕捉影像，然后通过串、并口或者USB接口传到计算机里。现在电脑市场上的摄像头基本以数字摄像头为主，而数字摄像头中又以使用新型数据传输接口的USB数字摄像头为主，目前市场上可见的大部分都是这种产品。除此之外还有一种与视频采集卡配合使用的产品，但目前还不是主流。
由于个人电脑的迅速普及，模拟摄像头的整体成本较高等原因， USB接口的传输速度远远高于串口、并口的速度，因此现在市场热点主要是USB接口的数字摄像头。以下主要是指USB接口的数字摄像头。

三、 摄像头的工作原理
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、 镜头（LENS）
透镜结构，由几片透镜组成,有塑胶透镜（plastic）或玻璃透镜（glass）。
2、图像传感器（SENSOR）
可以分为两类：
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
3、 数字信号处理芯片（DSP）
DSP生产厂商较多，市面上较为流行的有：(松翰)SONIX、VIMICRO（中星微）等
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480Mbit/s
IEEE1394(火线)接口(亦称ilink):其传输速率可达100M~400Mbit/s

六、 摄像头的进一步认识
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：
1、 镜头（LENS）
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、 图像传感器（SENSOR）
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、 数字信号处理芯片（DSP）
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。

七、摄像头的未来
根据IT行业硬件发展的“摩尔定律”来看，数字摄像头也同样遵循其发展规律的，相信在未来几年内会发展的很快。从目前市场情况来看，制约摄像头发展的因素主要有以下几个方面的原因：
1、 摄像头市场起步较晚，消费者认知度、接受度较低，所以普及率较低，市场容量增大速度不够快，需要加以一定引导来推动市场消费。
2、 摄像头的实际应用不够广泛，有一定的局限性，目前还是作为一种消费类产品在销售，消费者只是把它作为视频聊天、制作简单的个人影像集、简单的监视系统等的工具。
3、 现在电脑硬件的限制，如电脑显示卡、显示器的分辨率、USB1.1接口速度，就影响高像素摄像的真正普及。
以个人观点来看，数字摄像头的未来发展趋势是：
1、 高像素（50万、80万）、高质量图像传感器（CCD）、高传输速度（USB2.0或其他接口）的摄像头将会是未来的发展趋势；
2、 专业化（只作为专业视频输入设备来使用）、多功能化（附带其他功能，例如附带闪存盘，趋向数码相机方向发展，也可以设想以后的摄像头可以具有扫描仪的功能）等也是将来的发展趋势；
3、 更人性化、更易于使用、更多的实际应用功能才是客户的真正需求。

“日常使用注意事项”
1、日常使用摄像头时，应当注意以下几点：
a、不要将摄像头直接指向阳光，以免损害摄像头的图像感应器件。
b、避免摄像头和油、蒸汽、水气、湿气和灰尘等物质接触，避免直接与水接触。
c、不要使用刺激的清洁剂或有机溶剂擦拭摄像头。
d、不要拉扯或扭转连接线，类似动作可能会对摄像头造成损伤。
e、非必要情况下，不要随意打开摄像头，试图碰触其内部零件，这样容易对摄像头造成损伤。
f、平时应当将摄像头存放在干净、干燥的地方。