数字摄像头与模拟摄像头的区别

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。

使用USB接口的摄像头支持真正的即插即用，哪怕是在电脑工作时，你插入设备，系统也会立即汇报，并为其寻找合适的驱动程序；而且，USB摄像头所使用的电源可以直接从主板USB接口中得到，不再需要笨拙的独立电源转换器；USB接口提供了12Mbps传输带宽，传输速度大大高于电脑现有的外设端口。与串行端口相比较，USB接口大约快出100倍；与并行端口相比较，USB接口也快出近10倍。从这里不难看出，采用了USB接口的电脑摄像头，在速度上是拥有很大优势的。

在选择摄像头时，镜头是很重要的。按感光器件类别来分，现在市场上摄像头使用的镜头大多为CCD和CMOS两种。其中CCD（Charge Coupled Device，电荷耦合组件）是应用在摄像、图像扫描方面的高端技术组件，CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，附加金属氧化物半导体组件）则大多应用在一些低端视频产品中。但是这样的定位并不表示在具体的摄像头使用时，两者有很大区别。事实上经过技术改造，目前CCD和CMOS的实际效果的差距已经大大的减小了。而CMOS的制造成本和功耗都要低于CCD不少，所以很多摄像头生产厂商采用的都是CMOS镜头。

但实际上由于自身物理特性的原因，CCD的成像质量和CMOS还是有一定距离的。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（lux是照度的国际单位，相当于一平方米一流明），如三星的AnyCam M10。

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。

数字摄像头基础知识新编

文章链接：中国化工仪器网/Tech_news/Detail/20638.html

一、CCD

1．简述

CCD（Charge Coupled Device），即“电荷耦合器件”，以百万像素为单位。数码相机规格中的多少百万像素，指的就是CCD的分辨率。CCD是一种感光半导体芯片，用于捕捉图形，广泛运用于扫描仪、复印机以及无胶片相机等设备。与胶卷的原理相似，光线穿过一个镜头，将图形信息投射到CCD上。但与胶卷不同的是，CCD既没有能力记录图形数据，也没有能力永久保存下来，甚至不具备“曝光”能力。所有图形数据都会不停留地送入一个“模-数”转换器，一个信号处理器以及一个存储设备（比如内存芯片或内存卡）。CCD有各式各样的尺寸和形状，最大的有2×2平方英寸。

2．CCD的成像原理

CCD成像的过程是这样的：CCD表面被覆的硅半导体光敏元件捕获光子后产生光生电子，这些电子先被积蓄在CCD下方的绝缘层中，然后由控制电路以串行的方式导出到模数电路中，再经过DSP等成像电路形成图像。fast scan 和slow scan最大的区别就在于光生电子导出的速度和电路系统上不同。fast scan 导出电子的频率非常快，以便能达到视频级的刷新率，但这将导致电子丢失、噪声增多、光生电子清空不彻底；而slow scan 则相反，它的电路设计重在对光生电子积蓄的保护上，导出的频率不高，但保证传出过程中电子丢失和损耗降到极小，它的模数转换器动态范围和灵敏度极高，保证了信号转换过程不失真，同时为了减低热效应产生的噪声，一般使用Cooling 系统降温。

看了上面的解释我们可以知道专业级的科研用摄像头为什么那么贵了，从CCD 感光层的材料和面积开始、到光生电子的积蓄、到电子的导出电路、传输电路、模数转换电路、图像显示电路、Cooling电路，每一步专业级科研摄像头的工艺都和民用级的不同，成本都在几十倍到几百倍以上。目的只有一个，专业级摄像头能尽可能完整的采集到所有的光信号。一般来说，民用级摄像头或数码相机只能反映50%以下的光信号。

3．评价CCD的基本指标

主要包括信噪比、冷却温度、像素值等

3.1信噪比（SNR）

信噪比真实体现摄像头的检测能力。所有的CCD摄像头的厂家为提高摄像头的性能，都尽力使信号（可达到满井电子的数目）最大同时尽可能减少噪音。SNR=满井电子/噪音电子=动态范围=最大灰阶=2bit数

3.2冷却温度

在相同满井电子的CCD，降低CCD噪音，就能提高CCD的监测能力，热或者暗电流对于CCD都是噪音，噪音在Cool CCD基本都可以被深度致冷的Peltier 消除。在曝光超过5-10秒，CCD芯片就会发热，没有致冷设备的芯片，“热”或者白的像素点就会遮盖图像，图像到处可见雪花。-20°C的摄像头可以拍摄高达5分钟的图像，-40°C的摄像头拍摄时间可以超过1小时。

CCD结构设计、数字化的方法等都会影响噪音的产生。通过改善结构、优化方法，同样能减少噪音的产生。

3.3像素面积

这个指标是在芯片的一个重要指标。像素面积越大、对光越灵敏。因为像素点面积有更多电子，能产生更多信号。大像素点增加灵敏度、小的像素点增加分辨率。要提高影像质量就必须增加CCD的像素，因此在CCD尺寸一定的情况下，增加像素就意味着要缩小了像素中的光电二极管。我们知道单位像素的面积越小，其感光性能越低，信噪比越低，动态范围越窄，因此这种方法不能无限制地增大分辨率，所以，如果不增加CCD面积而一味地提高分辨率，只会引起图像质量的恶化。但如果在增加CCD像素的同时想维持现有的图像质量，就必须在至少维持单位像素面积不减小的基础上增大CCD的总面积。而目前更大尺寸CCD 加工制造比较困难，成品率也比较低，因此成本也一直降不下来，这一矛盾对于CCD而言是难以克服的。

二、CMOS

CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor），即“互补金属氧化物半导体”。它是计算机系统内一种重要的芯片，保存了系统引导所需的大量资料。CMOS传感器便于大规模生产，且速度快，成本较低，是数码相机关键器件的发展方向之一。

三、几个重要参数

1．白平衡（White Balance）

在不同光源下，因色温不同，拍摄出来的相片会偏色。如色温低时光线中的红，黄色光含量较多，所拍的照片色调会偏红，黄色调，色文高时光线中的蓝、绿色较多，照片会偏蓝、绿色调。此时便需要利用白平衡功能来作修正，其原理是控制光线中红，绿及蓝三元色的明亮度，使影像中最大光位达到纯白，便能令其它色彩准确。

2．插值（Interpolation）

在不生成像素的情况下增加图像像素大小的一种方法，在周围像素色彩的基础上用数学公式计算丢失像素的色彩。有些相机使用插值，人为地增加图像的分辨系。3．Bit（位）

这是计算机图像中的术语，用来描述生成的图像所能包含的颜色数。“深度是8位”意味着图像只含有256种颜色。现在的数码相机，每一种颜色的颜色深度都是8位。由于每一个像素的颜色都是是由红色、绿色和蓝色三种颜色混合而成的，所以图像包含的颜色可达256×256×256共计1.67亿种，也就是所谓的24位色。4．TWAIN

这是数字照相技术中非常常见的一个词。TWAIN是指一种特殊的软件，有了它，其他与TWAIN兼容的软件就可以共享图像资源了。比如说，PaintShopPro，这是一个很好的图像处理方面的共享软件，它就可以和TWAIN设备协同工作。所以你可以在PaintShopPro中直接使用数码相机中的图像。TWAIN设备包括扫描仪，传真机，当然，还有数码相机。

四、比较CCD与CMOS

1970年是影像处理行业具有里程碑意义的一年，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