第二章摄像头的工作原理

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。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)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，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.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 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，