计算机组成原理 摄像头

计算机摄像头
计算机科学与技术081
单国英08220303
摄像头(CAMERA)又称为电脑相机，电脑眼等，是一种视频输入设备，被广泛的运用于视频会议，远程医疗及实时监控等方面。

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。

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。

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。

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。

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主控芯片2感光芯片3镜头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。

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：镜头、主控芯片与感光芯片。

1、镜头(LENS)
五层“全玻”，也算目前顶级的摄像头镜头了。

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：1 P、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、感光芯片(SENSOR)
是组成数码摄像头的重要组成部分，根据元件不同分为
CCD（Charge Coupled Device，电荷耦合元件）应用在摄影摄像方面的高端技术元件。

CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，金属氧化物半导体元件）应用于较低影像品质的产品中。

主控芯片(DSP)
usb1.1的摄像头中，中星微(VIMICRO)301Plus主控芯片，是目前摄像头中最好的核心IC之一。

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。

图像解析度/分辨率(Resolution)
即传感器像素，也就是我们常说的多少像素的摄像头，是衡量摄像头的一个重要指标之一，一些产品都会在包装盒标着30万像素或35万像素。

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。

视频捕获速度
视频捕获能力是用户最为关心的功能之一。

目前摄像头的视频捕获都是通过软件来实现的，因而对电脑的要求非常高，即CPU的处理能力要足够的快，其次对画面要求的不同，捕获能力也不尽相同。

现在摄像头捕获画面的最大分辨率为640×480，在这种分辨下没有任何数字摄像头能达到30帧/秒的捕获效果，因而画面会产生跳动现象。

比较现实的是在320×240分辨率下依靠硬件与软件的结合有可能达到标准速率的捕获指标，所以对于完全的视频捕获速度，只是一种理论指标。

用户应根据自己的切实需要，选择合适的产品以达到预期的效果。

摄像头- 选购
一、最大光圈
最大光圈的真正价值表现在监控摄像头提高弱光情况下的进光量，从而达到最佳曝光组合。

拍摄风景一般不太要求镜头的虚化能力，另外，除特别暗的场所外一般也不太苛求镜头口径。

大光圈有利于在较暗条件下准确聚焦。

用大口径镜头拍摄人物即便在光线较弱的地方也能手持机利用自然光拍摄。

另外，最大光圈大的镜头能带来较快的快门速度，所以体育摄影也需要大口径镜头。

要求镜头光圈大的另一个理由是能自由自在地虚化背景，而且保证虚化品质。

最大光圈F1.4的镜头当光圈缩小到F2时，无论是成像品质还是对背景的虚化品质都要强于最大光圈是F2的镜头。

所以说，大口径镜头缩小一档光圈具有相当大的价值，任何摄影者都要善于利用镜头这一特性。

二、焦距
选择监控摄像头镜头第一个要注意的是镜头的焦距，焦距实际上就是视角问题，焦距不同视角也不同。

另外用户自己要明确，我购买镜头的主要目的是什么？是为拍风景还是拍人物等等。

众所周知，拍风景宜用广角镜头，而拍人物则宜用望远镜头，所以首先要根据摄影目的来决定自己所要选购的镜头焦距。

拍摄风景最佳焦段是广角焦段24mm、望远焦段200mm（均以35mm规格为标准，下同）。

当标准变焦镜头广角焦段从28mm进化到24mm后视角变大，可收纳的景物范围大大拓宽。

一般来说拍摄风景对镜头最大光圈要求不太高。

如果主要是拍
风景的话，选择变焦镜头时广角焦段是24mm基本就够用了。

至于望远焦段，起码得是200mm，如果望远焦段是300mm或400mm就更理想了，自由度会大大提高。

传统变焦镜头的望远焦段多是300mm，用在数码单反上就是450mm，焦距扩大了1.5倍，用起来会令人感到更加痛快，这一点正是数码单反的价值所在。

现在出品的数码专用超广角镜头的广角焦段一般到12mm，相当于35mm规格的18mm，比起35mm 规格的28mm焦段将近扩大了1.5倍，从而使所拍摄的风景场面左右范围大大加宽。

拍摄人物最佳焦段是85mm。

以35mm规格标准来说，拍摄人物基本以85mm 焦距为标准来选择镜头。

85mm焦段所拍的人像基本接近中画幅照相机所拍的画面效果，不仅远近感合适，而且人物脸部显得非常自然，照相机与被摄人物之间的距离基本也能保持在平时说话的距离。

85mm焦段还能很好地虚化背景突出人物。

为获得良好的虚化效果，宜选择最大光圈大的镜头。

85mm焦段在数码单反上约是135mm，虽然所拍画面远近感显得稍微弱了一点，但基本无大碍，所以拍摄人物镜头的焦距起码要在85mm左右。

三、近摄能力
镜头的近摄能力是仅次于焦距、最大光圈的另一个选择重点。

这一点无论是对广角镜头、标准镜头还是望远镜头都一样。

那么，近摄能力到底多大才算合适呢？
首先说拍摄风景用的广角镜头，近摄能力对广角镜头来说几乎没什么关系，但是当拍摄以广阔风景为背景的花卉景色时，常常要把花卉拍得大一点，在类似情况下广角镜头的近摄能力就显得很重要。

现有的50mm标准镜头近摄能力都在45cm左右，基本满足使用。

但是，大口径标准镜头在使用最短摄影距离时，由于镜头伸出，往往存在较大像差，从而引起画质低下，购买和使用时对这一点要有思想准备。

望远镜头如果用于拍摄风景的话，对近摄能力也没有什么太大要求。

但是，如果用于拍摄人物或花卉等，镜头的近摄能力则非常重要。

四、表现力
选择镜头时很多人首先注意的是这款镜头的成像锐度如何。

照片的用途决定了需要什么样锐度的镜头。

高价优质镜头主要供专业摄影师使用，如果只是一般摄影，就没必要花很多钱购买高价优质镜头。

另外，镜头的成像锐度还和光圈大小有直接关系，当一款镜头从最大光圈缩小引起的一种光学现象，每款镜头都不可能不存在畸变，厂家在生产镜头时都对畸变进一两档之后成像锐度会大幅度提高。

畸变是由镜头光学性能行了修正，力求把畸变控制在最低程度。

一般来说镜头畸变主要有三种：变焦镜头广角端容易产生的桶型畸变、望远端容易出现的枕型畸变和对广角端桶型畸变进行修正后所产生的斗笠型畸变。

就目前的镜头现状来说，最突出的问题是广角端的桶型畸变，选购时要尽可能选择桶型畸变小的款式。

逆光摄影时由于强烈的阳光或其他强光源在镜面反复反射会在画面上形成光晕
和耀斑。

形成光晕和耀斑的这一小部分光线不仅不会在画面上成像，而且还会在镜内形成乱反射而降低画质。

为防止这种现象，逆光摄影时必须使用遮光罩。

优秀的镜头
在生产制造过程中采取了彻底防止光晕和耀斑的工艺，即便在逆光拍摄时反差也很好。

如何选择摄像头
1、成像质量，画面稳定性：消费者可以现场试用样品，看其成像质量是否颜色真实、色彩鲜艳、还原性好；画面是否稳定。

色彩还原性和画面稳定性对衡量一款摄像头的品质来说是重中之重。

2、画面的层次感：好的摄像头能够还原出非常丰富的色彩层次以及被摄范围的距离感。

这对于呈现用户最完美的一面至关重要。

3、操作性和兼容性。

这点对于使用新手来说非常重要。

安装过程和操作是否简单，软件界面是否合理，软件功能是否强大都是需要考虑的因素。

4、安全性。

所有用户都希望在使用摄像头的同时确保一定的私密性。

因此，建议用户采用大厂家的产品，因为通常名厂出品的产品都具有相关软件的支持，确保网络安全性。

摄像头使用注意：
国家要求非特定公共场所不得安装摄像头，也不得在自家以外安装摄像头，以保护民众合法权利。