摄像头的工作原理讲课文档
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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。 目前的SENSOR类型有两种： CCD （ Charge Couple Device)，电荷耦合器件 CMOS （Complementary Metal Oxide Semiconductor），互补金属氧化物
第18页，共32页。
工作原理方框图
景物 (SCE)
LENS
图像传感器
(SENSOR)
A/D(COM S无)
数字信号处理芯片
(DSP)
I/O
电脑(PC)
DISPLA Y
图像(PIC)
第9页，共32页。
第10页，共32页。
主控的内部工作原理
第11页，共32页。
4.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 2、感光芯片 3、主控芯片 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
SENSOR的开口面积决定而是由LENS 的表面积决定。 第二层“ 分色滤色片” 目前分色滤色片有两种分色方法：
A. RGB原色分色法，就是三原色分色法，几乎所有的人类眼睛可以识别的颜色都可 以通过 来组成， RGB 就是通过这三个通道的颜色调节而成。
B. CMYK 补色分色法，由四个通道的颜色配合而成，分别是青（C ）、洋红 （M）、黄（Y ）、黑（K ），但是调节出来的颜色不如 RGB 的颜色多。
USB 等接口传到PC 等设备。
DSP 结构框架 :
A. ISP（image signal processor）（镜像信号处理器）
B. JPEG encoder（JPEG 图像解码器）
C. USB device controller（ USB 设备控制器）
第28页，共32页。
五、技术指标
1.0 图像压缩方式
术的进一步提高，如:30万像素，130万像素，200万像素，300万像 素等。
第4页，共32页。
一、简介
2.0技术介绍
2.0 Technology of presentation 技术介绍
General Description 简介 相机模块是一个为移动应用而设计的传感器板模块，低功耗和小尺寸是非常重 要的的。专有传感器技术采用先进的算法，取消固定模式噪声（FPN） ，消除 拖尾现象，并大幅降低绽放。所有必需的相机功能是通过串行相机控制总线 （SCCB）接口进行编程。该设备可以进行编程，以提供各种完全处理图像输出 和编码。
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 。 C. 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。 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。在MOBILE PHONE、电脑上使 用的CAMREA还是以CMOS 为主，不仅是价格而且体积也是影响在MOBILE PHONE上使用CCD CAMERA的另一原因。 传感器(SENSOR)的焊接与拆装: 一般焊接后的SENSOR要拆卸时,使用高温风筒350度均匀加热至焊锡熔化。切 记:风筒不可固定在某一部位对吹!
第三层“ 感光层（SENSOR ）” CCD 的第三层是处理芯片（SENSOR，SENSOR主要是将穿过滤色层的光源转换
成电子信号，并将信号传送到影像DSP ），将影像还原。
第20页，共32页。
四、组件与结构
CCD与CMOS的差异 A. 总体比较
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。
用途
电脑摄像头/双模式和蜂窝电话 视频会议设备，机器视觉，安全照相机， 生物识别，数码相机
第5页，共32页。
计算机组装、维护与维修
二.分类
模拟摄像头
数字摄像头
第6页，共32页。
二、分类
1.0DIGITAL CAMERA数字式
数字摄像头是直接将摄像单元和视频捕捉单元集成在一起，然后通过串、并 口或USB接口连接到主系统上，现在CAMERA市场上的摄像头基本以数字式为 主，而数字摄像头中又以新型数据传输接口的USB数字摄像头为主(独立)，在手机 和电脑上主要是直接通过IO(BTB/USB/MINI)与主系统连接，经过系统的编辑后 以数字信号输出到显示器上显示。目前CAMERA市场上主流的CAMERA都是 DIGITAL CAMERA。
太好。
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。
第21页，共32页。
四、组件与结构
C. 功耗比较 CCD 功耗比较高，为使电荷传输顺畅，噪声降低，需要高压差改善传输效果；另外
D2
D1
输出
YUV/RGB 输出位[1]
D3
D2
输出
YUV/RGB 输出位[2]
D4
DVDD18 电源
数字电路电源，1.8V，内部产生，通过 0.1µF或 1uF 的电容接地
D5
IN_CLK 输入
系统时钟输入
*D[7:0] 8 位 YUV 或 RGB 数据（D[7]MSB， D[0] LSB）
**Reset 内部拉高，外部没有 PIN 脚引出
D5
输出
YUV/RGB 输出位[5]
C1
VSYNC 输出
VSYNC 输出
C2
D0
输出
YUV/RGB 输出位[0]
C3
D3
输出
C4
D4
输出
YUV/RGB 输出位[3] YUV/RGB 输出位[4]
C5
PCLK
输出
Pixel 时钟输出
D1
DVDD28 电源
主供电电源 2.8V，通过 0.1µF 或 1uF 的电容接地
摄像头的工作原理
第1页，共32页。
1、简介
2、分类
3、工作原理 4、结构和组件 5、技术指标
目录
第2页，共32页。
1.0常规介绍 2.0技术介绍
一、简介
第3页，共32页。
一、简介
1.0常规介绍
摄像头(CAMERA)又称为电脑像机、电脑眼等，它作为一种视频入
设备，在过去广泛地应用于视频会议、远程医疗、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日渐成熟并大量用于摄像头的产品制造上，使得 它们的价格低到可以令普通老百姓可以接受消费水平。同时这两年摄 像头被广泛应用于移动通讯设备中，这样一来,更加促进了感光成像技
第7页，共32页。
二、分类
2.0SIMULANT CAMERA模拟式 模拟摄像头是将视频采集设备产生的模拟视频信号转换成数字信号，进而将其存储到系统 内存里。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主系统上运用，经过系统的编辑，通过显示器显示和输 出。
数字参考电源，通过 0.1µF 的电容接地
A3
SBDA 输入/出
串行通讯口数据线
A4
SBCL 输入
串行通讯口时钟线
A5
D7
输出
YUV/RGB 输出位[7]
B1
GND
电源
模拟/数字地
B2
PWDN 输入
0：正常模式;1：省电模式
B3
HSYNC 输出
HREF 输出
B4
D6
输出
YUV/RGB 输出位[6]
B5
RESET pin 没有引出，由芯片内部控制。 SBCL/SBDA pin 内部已有上拉电阻，系统板可以不加上拉电阻。
第24页，共32页。
四、组件与结构
管脚说明 :
管脚号 名称 管脚类型
A1 AVDD25 电源
功能/说明 模拟电路电压，内部产生，通过0.1µF或1uF 的电容接地
A2
VREF 电源
第25页，共32页。
四、组件与结构
使用技巧
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： A.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。 B.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
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。
2.0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。 3.0视角 与人的眼睛成像是相成原理，简单说就是成像范围。
的色彩深度。由于 CMOS 已经具备数字化传输接口，所以不需要A/D
第27页，共32页。
四、组件与结构
数字信号处理芯片（
DSP ） :
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
第12页，共32页。
主控芯片
镜头
感光芯片
电源
第13页，共32页。
四、组件与结构
1.0 LENS （镜头）
一般CAMERA的镜头结构是有几片透镜组成，分有塑胶透镜
(PLASTIC)和玻璃透镜(GLASS),
通常CAMERA 用的镜头结构有：1P,2P,1G1P,1G3P,2G2P,4G等。 透镜越多，成本越高；玻璃透镜比塑胶透镜贵，但是玻璃透镜 的成像效果比塑胶透镜的成像效果要好。目前市场上针对 MOBILE PHONE 配置的CAMERA 以1G3P （1 片玻璃透镜和
CMOS 的优点是集成度高（将AADC 与讯号处理器整合，可以大幅缩小体 积） 、功耗低、成本低。但是噪音比较大、灵敏度较低、对光源要求高。
B. 成像效果 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。 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
计算机组装、维护与维修
Super CCD EXR传感器
CMOS影像传感器
第19页，共32页。
四、组件与结构
CCD 组件与结构结构
CCD 结构一般分为三层： 第一层“LENS”
CAMERA的成像关键在于SENSOR，为了扩大CCD 的采光率必须扩大单一象素 的受光面积，在提高采光率的同时会导致画面质量下降。 LENS 就是相当于在SENSOR前面增加一副眼镜SENSOR的采光率就不是由
由于CCD 无法ADC和讯号处理器，导致需要使用 3～ 4组电源。 CMOS 功耗比较低，不到CCD 的1/3 ，CMOS 影像传感器将每一画素的电荷转
换成电压，读取前就将其放大，利用 3.3V 的电源即可驱动，只需要一组电
源。
第22页，共32页。
四、组件与结构
以GC0307传感器为例介绍
第23页，共32页。
第26页，共32页。
四、组件与结构
A/D
转换器
A/D 转换器即ADC(Analog Digital Converter 模拟数字转换器)
ADC 的两个重要指标是转换速度和量化精度，由于 CAMERA SYSTEM 中高分辨率 图象的象素量庞大，因此对速度转换器的要求很高。同时量化精度对应的ADC 转换 器将每一个象素的亮度和色彩值量化为若干的等级，这个等级就是 CAMERA
四、组件与结构
2.外围电路说明 GC0307芯片只需要单电源供电，DVDD28 = 2.8V，其余电源VDD18，AVDD25
及数字参考电源 VREF 管脚在模组内部通过电容接地。不需要引出到模组连接器。 电源上加如图示 C1、C2、C3，C4 滤波电容，容值均为 0.1uF。 电容摆放时尽量靠近 Pin 脚。
第8页，共32页。
三、工作原理
1.0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 (SENSOR)表面上，然后转为电信号，经过A/D(模/数)转换后变成数字图像信号， 再送到数字处理芯片(DSP)中加工处理，再通过I/O接口传输到电脑中进行处理后， 再通过显示屏(DISPLAY)就可以看到图像了。
3 片塑胶透镜组成）为主，目的是降低成本。
第14页，共32页。
3017镜头(LENS)
四、组件与结构
第15页，共32页。
四、组件与结构 CMOS传感器
第16页，共32页。
四、组件与结构
7670传感器(SENSO件与结构
2.0 SENSOR （图象传感器） 图像传感器（ SENSOR ）是一种半导体芯片，其
第18页，共32页。
工作原理方框图
景物 (SCE)
LENS
图像传感器
(SENSOR)
A/D(COM S无)
数字信号处理芯片
(DSP)
I/O
电脑(PC)
DISPLA Y
图像(PIC)
第9页，共32页。
第10页，共32页。
主控的内部工作原理
第11页，共32页。
4.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 2、感光芯片 3、主控芯片 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
SENSOR的开口面积决定而是由LENS 的表面积决定。 第二层“ 分色滤色片” 目前分色滤色片有两种分色方法：
A. RGB原色分色法，就是三原色分色法，几乎所有的人类眼睛可以识别的颜色都可 以通过 来组成， RGB 就是通过这三个通道的颜色调节而成。
B. CMYK 补色分色法，由四个通道的颜色配合而成，分别是青（C ）、洋红 （M）、黄（Y ）、黑（K ），但是调节出来的颜色不如 RGB 的颜色多。
USB 等接口传到PC 等设备。
DSP 结构框架 :
A. ISP（image signal processor）（镜像信号处理器）
B. JPEG encoder（JPEG 图像解码器）
C. USB device controller（ USB 设备控制器）
第28页，共32页。
五、技术指标
1.0 图像压缩方式
术的进一步提高，如:30万像素，130万像素，200万像素，300万像 素等。
第4页，共32页。
一、简介
2.0技术介绍
2.0 Technology of presentation 技术介绍
General Description 简介 相机模块是一个为移动应用而设计的传感器板模块，低功耗和小尺寸是非常重 要的的。专有传感器技术采用先进的算法，取消固定模式噪声（FPN） ，消除 拖尾现象，并大幅降低绽放。所有必需的相机功能是通过串行相机控制总线 （SCCB）接口进行编程。该设备可以进行编程，以提供各种完全处理图像输出 和编码。
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 。 C. 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。 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。在MOBILE PHONE、电脑上使 用的CAMREA还是以CMOS 为主，不仅是价格而且体积也是影响在MOBILE PHONE上使用CCD CAMERA的另一原因。 传感器(SENSOR)的焊接与拆装: 一般焊接后的SENSOR要拆卸时,使用高温风筒350度均匀加热至焊锡熔化。切 记:风筒不可固定在某一部位对吹!
第三层“ 感光层（SENSOR ）” CCD 的第三层是处理芯片（SENSOR，SENSOR主要是将穿过滤色层的光源转换
成电子信号，并将信号传送到影像DSP ），将影像还原。
第20页，共32页。
四、组件与结构
CCD与CMOS的差异 A. 总体比较
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。
用途
电脑摄像头/双模式和蜂窝电话 视频会议设备，机器视觉，安全照相机， 生物识别，数码相机
第5页，共32页。
计算机组装、维护与维修
二.分类
模拟摄像头
数字摄像头
第6页，共32页。
二、分类
1.0DIGITAL CAMERA数字式
数字摄像头是直接将摄像单元和视频捕捉单元集成在一起，然后通过串、并 口或USB接口连接到主系统上，现在CAMERA市场上的摄像头基本以数字式为 主，而数字摄像头中又以新型数据传输接口的USB数字摄像头为主(独立)，在手机 和电脑上主要是直接通过IO(BTB/USB/MINI)与主系统连接，经过系统的编辑后 以数字信号输出到显示器上显示。目前CAMERA市场上主流的CAMERA都是 DIGITAL CAMERA。
太好。
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。
第21页，共32页。
四、组件与结构
C. 功耗比较 CCD 功耗比较高，为使电荷传输顺畅，噪声降低，需要高压差改善传输效果；另外
D2
D1
输出
YUV/RGB 输出位[1]
D3
D2
输出
YUV/RGB 输出位[2]
D4
DVDD18 电源
数字电路电源，1.8V，内部产生，通过 0.1µF或 1uF 的电容接地
D5
IN_CLK 输入
系统时钟输入
*D[7:0] 8 位 YUV 或 RGB 数据（D[7]MSB， D[0] LSB）
**Reset 内部拉高，外部没有 PIN 脚引出
D5
输出
YUV/RGB 输出位[5]
C1
VSYNC 输出
VSYNC 输出
C2
D0
输出
YUV/RGB 输出位[0]
C3
D3
输出
C4
D4
输出
YUV/RGB 输出位[3] YUV/RGB 输出位[4]
C5
PCLK
输出
Pixel 时钟输出
D1
DVDD28 电源
主供电电源 2.8V，通过 0.1µF 或 1uF 的电容接地
摄像头的工作原理
第1页，共32页。
1、简介
2、分类
3、工作原理 4、结构和组件 5、技术指标
目录
第2页，共32页。
1.0常规介绍 2.0技术介绍
一、简介
第3页，共32页。
一、简介
1.0常规介绍
摄像头(CAMERA)又称为电脑像机、电脑眼等，它作为一种视频入
设备，在过去广泛地应用于视频会议、远程医疗、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日渐成熟并大量用于摄像头的产品制造上，使得 它们的价格低到可以令普通老百姓可以接受消费水平。同时这两年摄 像头被广泛应用于移动通讯设备中，这样一来,更加促进了感光成像技
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二、分类
2.0SIMULANT CAMERA模拟式 模拟摄像头是将视频采集设备产生的模拟视频信号转换成数字信号，进而将其存储到系统 内存里。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主系统上运用，经过系统的编辑，通过显示器显示和输 出。
数字参考电源，通过 0.1µF 的电容接地
A3
SBDA 输入/出
串行通讯口数据线
A4
SBCL 输入
串行通讯口时钟线
A5
D7
输出
YUV/RGB 输出位[7]
B1
GND
电源
模拟/数字地
B2
PWDN 输入
0：正常模式;1：省电模式
B3
HSYNC 输出
HREF 输出
B4
D6
输出
YUV/RGB 输出位[6]
B5
RESET pin 没有引出，由芯片内部控制。 SBCL/SBDA pin 内部已有上拉电阻，系统板可以不加上拉电阻。
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四、组件与结构
管脚说明 :
管脚号 名称 管脚类型
A1 AVDD25 电源
功能/说明 模拟电路电压，内部产生，通过0.1µF或1uF 的电容接地
A2
VREF 电源
第25页，共32页。
四、组件与结构
使用技巧
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： A.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。 B.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
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。
2.0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。 3.0视角 与人的眼睛成像是相成原理，简单说就是成像范围。
的色彩深度。由于 CMOS 已经具备数字化传输接口，所以不需要A/D
第27页，共32页。
四、组件与结构
数字信号处理芯片（
DSP ） :
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
第12页，共32页。
主控芯片
镜头
感光芯片
电源
第13页，共32页。
四、组件与结构
1.0 LENS （镜头）
一般CAMERA的镜头结构是有几片透镜组成，分有塑胶透镜
(PLASTIC)和玻璃透镜(GLASS),
通常CAMERA 用的镜头结构有：1P,2P,1G1P,1G3P,2G2P,4G等。 透镜越多，成本越高；玻璃透镜比塑胶透镜贵，但是玻璃透镜 的成像效果比塑胶透镜的成像效果要好。目前市场上针对 MOBILE PHONE 配置的CAMERA 以1G3P （1 片玻璃透镜和
CMOS 的优点是集成度高（将AADC 与讯号处理器整合，可以大幅缩小体 积） 、功耗低、成本低。但是噪音比较大、灵敏度较低、对光源要求高。
B. 成像效果 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。 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
计算机组装、维护与维修
Super CCD EXR传感器
CMOS影像传感器
第19页，共32页。
四、组件与结构
CCD 组件与结构结构
CCD 结构一般分为三层： 第一层“LENS”
CAMERA的成像关键在于SENSOR，为了扩大CCD 的采光率必须扩大单一象素 的受光面积，在提高采光率的同时会导致画面质量下降。 LENS 就是相当于在SENSOR前面增加一副眼镜SENSOR的采光率就不是由
由于CCD 无法ADC和讯号处理器，导致需要使用 3～ 4组电源。 CMOS 功耗比较低，不到CCD 的1/3 ，CMOS 影像传感器将每一画素的电荷转
换成电压，读取前就将其放大，利用 3.3V 的电源即可驱动，只需要一组电
源。
第22页，共32页。
四、组件与结构
以GC0307传感器为例介绍
第23页，共32页。
第26页，共32页。
四、组件与结构
A/D
转换器
A/D 转换器即ADC(Analog Digital Converter 模拟数字转换器)
ADC 的两个重要指标是转换速度和量化精度，由于 CAMERA SYSTEM 中高分辨率 图象的象素量庞大，因此对速度转换器的要求很高。同时量化精度对应的ADC 转换 器将每一个象素的亮度和色彩值量化为若干的等级，这个等级就是 CAMERA
四、组件与结构
2.外围电路说明 GC0307芯片只需要单电源供电，DVDD28 = 2.8V，其余电源VDD18，AVDD25
及数字参考电源 VREF 管脚在模组内部通过电容接地。不需要引出到模组连接器。 电源上加如图示 C1、C2、C3，C4 滤波电容，容值均为 0.1uF。 电容摆放时尽量靠近 Pin 脚。
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三、工作原理
1.0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 (SENSOR)表面上，然后转为电信号，经过A/D(模/数)转换后变成数字图像信号， 再送到数字处理芯片(DSP)中加工处理，再通过I/O接口传输到电脑中进行处理后， 再通过显示屏(DISPLAY)就可以看到图像了。
3 片塑胶透镜组成）为主，目的是降低成本。
第14页，共32页。
3017镜头(LENS)
四、组件与结构
第15页，共32页。
四、组件与结构 CMOS传感器
第16页，共32页。
四、组件与结构
7670传感器(SENSO件与结构
2.0 SENSOR （图象传感器） 图像传感器（ SENSOR ）是一种半导体芯片，其