镜头与摄像头特性总结

摄像头、镜头以及衍生产品的特性分析

一、摄像头

我所说的相机的镜头和摄像头在材料上是不相同的，相机镜头使用的是专业材料，工艺和成本都比较精细，而摄像头用的是廉价的CMOS材料，成本较低，所以定位就相对差一点。

1.1 摄像头的组成

摄像头主要有镜头，图像传感芯片和外围电路构成。图像传感芯片又是其最重要的部分，摄像头的指标（如黑白或彩色，分辨率）就取决于图像传感芯片的指标；该芯片要配以合适的外围电路才能工作，将它们制作在一块电路板上，称为“单板”。若给单板配上镜头、外壳、引线和接头，这就构成了通常所见的摄像头。

摄像头通常会引出三个端子，一个是电源端一个是地端还有一个是视频信号端（还有的会多出一个音频信号端），电源电压输入一般有6-9V或者9-12V的，视频信号的电压一般位于0.5V-2V之间。

1.2 摄像头的工作原理

按一定的分辨率，以隔行扫描的方式采样图像上的点，当扫描到某点时，就通过图像传感芯片将该点处图像的灰度转换成与灰度成一一对应关系的电压值，然后将此电压值通过视频信号端输出。具体而言（参见图），摄像头连续地扫描图像上的一行，就输出一段连续的电压视频信号，该电压信号的高低起伏正反映了该行图像的灰度变化情况。当扫描完一行，视频信号端就输出一个低于最低视频信号电压的电平（如0.3V），并保持一段时间。这样相当于，紧接着每行图像对应的电压信号之后会有一个电压“凹槽”，此“凹槽”叫做行同步脉冲，它是扫描换行的标志。然后，跳过一行后（因为摄像头是隔行扫描的方式），开始扫描新的一行，如此下去，直到扫描完该场的视频信号，接着就会出现一段消隐区。此区中有若干个复合消隐脉冲（简称消隐脉冲），在这些消隐脉冲中，有个脉冲，它远宽于（即持续时间长于）其他的消隐脉冲，该消隐脉冲又称为场同步脉冲，它是扫描换场的标志。场同步脉冲标志着新的一场的到来，不过，场消隐区恰好跨在上一场的结尾部分和下一场的开始部分，等场消隐区过去，下一场的视频信号才真正到来。摄像头每秒扫描25 幅图像，每幅又分奇、偶两场，先奇场后偶场，故每秒扫描50 场图像。奇场时只扫描图像中的奇数行，偶场时则只扫描图像中的偶数行。

1.3 摄像头具体组成部分详解

1.3.1 摄像头的镜头

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)。玻璃对光的透过要远远好于塑料，尤其是是否镀增透膜，这是一个非常重要的指标。正常光线进入玻璃镜片会有10%-15%的光损失，若不镀增透膜会严重影响画面的亮度及流畅性.镀膜后，光线仅仅会损失3%-5%.市场上常用塑料镜头是没有镀增透膜，它的光损失会达到15%-20%，画面发暗。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)，只有采用4G玻璃镜头才是具有较好的光学品质的摄像头。

图1.1 镜头的结构

1.3.2图像传感器

传感器主要有CCD和CMOS两种。CCD是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。CCD上植入的微小光敏物质称作像素（Pixel）。一块CCD上包含的像素数越多，其提供的画面分辨率也就越高。CCD的作用就像胶片一样，但它是把图像像素转换成数字信号。CCD上有许多排列整齐的电容，能感应光线，并将影像转变成数字信号。经由外部电路的控制，每个小电容能将其所带的电荷转给它相邻的电容。CCD的成像像素和清晰度，以及色彩的还原度都比较好，但是价格高。而CMOS成像方面要相对差一些，但价格要便宜不少。

图1.2 图像CCD传感器

CMOS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。在采用CMOS为感光元器件的产品中，通过数字信号处理芯片DSP处理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。市场上的摄像头产品采用的CMOS品牌主要有MICRON，HYNIX，TASC等这三家。

图1.3 图像CMOS传感器

1.3.3 数字信号处理芯片DSP

DSP芯片是影响摄像头视频捕获速度的主要因素。DSP是摄像头的大脑，效果相同于计算机里的CPU，它的功能主要是通过一系列复杂的数学算法运算，对由CMOS传感器传来的数字图像信号进行优化处理，并把处理后的信号通过USB等接口传到PC等设备，是摄像头的核心设备。

图1.4 数字信号处理芯片

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)图1.4 数字处理芯片

不同的数字信号处理芯片将会带来不同的压缩效果。一般而言，摄像头厂商对采用何种数字信号处理芯片并不公开，但是不可否认的是，优秀的数字信号处理芯片能够令数据传输更为高效。也就是帧速率很高。

1.4 容易被忽视的摄像头技术指标

1.4.1 像素级别

像素级别是造成不同产品价格差距悬殊的重要原因，同时也是衡量摄像头性能的重要指标之一。一般来说，像素越高的产品其图像的品质越好。不过像素值不能完全决定影像的质量，与数据传输通道和数据处理能力也有很大关系；二者性能过低可能出现影像的延迟、停顿现象。

分辨率就是摄像头解析辨别图像的能力。它和CCD或CMOS的品质直接相关。有关分辨率，我们主要考虑捕捉静态画面时的分辨率（照相解析度）和捕捉动态画面时的分辨率（视频解析度）。现在主流摄像头的分辨率是640×480。某些产品，可能会标明更高的分辨率，但是，这可能是通过使用优化软件所能达到的“插值”分辨率。

1.4.2 关注感光器亮度表现

同样是30万像素的CCD摄像头，不同产品之间的效果差异也较大，造成这一现象的关键因素之一就是CCD通光量，同宿而言就是CCD感光器的亮度表现。CCD感光器的通光量很大程度上取决于其面积，这也是非常值得关注的指标，因为它直接决定该产品在室内弱光环境下的效果。一般情况下，CCD摄像头感光器的面积有1/4型、1/6型、1/8型等，面积越大的感光器可以获得较大的通光量，在弱光环境下拍摄时有出色的效果。由于摄像头基本上在室内使用，因此这一技术指标的重要性可想而知。

1.4.3 调焦功能

调焦功能也是摄像头不可忽视的，一般都应该具备物理调焦功能，这样就能手动调节摄像头的焦距，得到清晰的图像。少数入门级地端产品可能不具备调焦功能，此时对中远距离视频捕捉基本上没有影响，但是在近距离视频捕捉就会相当麻烦。此外，相应速度也十分关键，毕竟被摄物体不可能一直静止。

1.5 微型摄像头的性能和分析

微型摄像头的感光芯片分CCD与CMOS, 由于CCD 传感器在灵敏度、分辨率、噪声控制等方面都优于CMOS传感器, 所以绝大部分的专业摄像头都是采用CCD 作为感光芯片。CCD, 是英文Charge Coupled De-vice 即电荷耦合器件的缩写, 它是一种特殊半导体器件,