摄像头组成

概述

摄像头分为数字摄像头和模拟摄像头两大类。数字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。

图像采集数据流

景物=>光学图像=>电学信号=>数字图像信号=>PC显示

景物通过镜头产生光学图像;

光学图像再同学半导体的图像传感器生成电学信号;

电学信号由A/D转换器转化为数字图像信号;

数字图像信号经由DSP处理,在USB连接下在PC上显示出来。[4]

摄像头组成部分

示意图如下

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镜头 Lens

镜头焦距[6]

因为图像是通过镜头的光学折射,照到感光元件上的。那么镜头就决定了,整个画面的大小和远近。一个最重要的参数就是焦距。

镜头焦距:是指镜头光学后主点到焦点的距离,是镜头的重要性能指标。镜头焦距的长短决定着拍摄的成像大小,视场角大小,景深大小和画面的透视强弱。当对同一距离远的同一个被摄目标拍摄时,镜头焦距长的所成的象大,镜头焦距短的所成的象小。注意焦距越长,视角越小。

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还有一点是镜头的畸变,因为光学原理,在感光芯片上不同的位置,与镜头的距离不同的,简单说就是近大远小,所以在边缘会出现鱼眼效果(桶型畸变)。为了解决这个问题,可以在代码中使用算法来矫正畸变,也可以直接使用无畸变镜头。无畸变镜头加入了额外的矫正透镜部分,价格自然会高一些。

下面是,当OpenMV距离桌面20cm左右时,不同焦距镜头的对比图

img

镜头畸变

般来说,镜头畸变实际上是光学透镜固有的透视失真的总称,也就是因为透视原因造成的失真,这种失真对于照片的成像质量是非常不利的,毕竟摄影的目的是为了再现,而非夸张,但因为这是透镜的固有特性(凸透镜汇聚光线、凹透镜发散光线),所以无法消除,只能改善。高档镜头光学设计以及用料考究,利用镜片组的优化设计、选用高质量的光学玻璃(如萤石玻璃)来制造镜片,可以使透视变形降到很低的程度。但是完全消除畸变是不可能的,目前最高质量的镜头在极其严格的条件下测试,在镜头的边缘也会产生不同程度的变形和失真。

感光芯片 (CCD or CMOS die)

感光芯片也就是将光信号转换为电信号的传感器, 是摄像头的核心部件。

图像的分辨率完全取决于感光芯片。

主要由两种类型。

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CCD

  • (Charge Coupled Device) 电荷耦合组件,用于录像或者图像扫描;
  • 灵敏度高,噪声小,信噪比大,但成本高,生产工艺复杂,功耗高。

CMOS

  • (Complementary Metal-Cxide Semiconductor)附加金属氧化物半导体组件,是低端视频设备;
  • 集成度高,功耗低(不到CCD的1/3),成本低,但是噪声大,灵敏度低,对光源要求高。

TODO 二者的详细区别与原理

CMOS的主要参数

  • AWB 自动白平衡
  • AEC 自动曝光
  • AGC 自动增益

红外滤光 IR Filter

红外滤光片是一个石英片。

红外滤光片作用,即滤除红外线: 彩色监控摄像头CCD也可感应红外线,就是因为会感应红外线,会导致D.S.P无法算出正确颜色,,因此须加一片
滤光片,把光线中红外线部份隔开,所以只有彩色CCD需要装滤光片,黑白就不用了修整进光: 因为监控摄像头CCD上是一颗颗的感光体(CELL)构成,最好
光线是直射进来,但为了怕干扰到邻近感光体,就需要对光线加以修整,因此那片滤光片不是玻璃,而是石英片,利用石英的物理偏光特性,把进来的光线 ,保留直射部份,反射掉斜射部份,避免去影响旁边的感光点.[2]

如果没有红外滤光会怎么样呢?

当镜头没有红外滤光的时候, 摄像头在采集鲜红色物体的时候, 本身的红光与红外光叠加在一起, DSP就将其解析成粉红色。也就是说会引发色差。

数字信号处理器 DSP

DSP, Digital Signal Processor 数字信号处理器

DSP芯片是摄像头的核心。

DSP芯片,也称数字信号处理器,是一种具有特殊结构的微处理器。DSP芯片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构,具有专门的硬件乘法器,广泛采用流水线操作,提供特殊的DSP指令,可以用来快速地实现各种数字信号处理算法。但与通用微处理器相比,DSP芯片的其他通用功能相对较弱些。DSP在摄像头上是把数字信号转换为视频图像,并担负与USB总线数据传输的功能。[3]

图像质量评价标准

  • 亮度
  • 清晰度
  • 色彩还原
  • 低照度
  • 噪点大小
  • 噪点数量

Reference

[1]CCD vs CMOS: What's the Difference? https://www.neutron.com.tr/haber/ccd-vs-cmos-sensor-what-s-the-difference/203/lang-en

[2]百度文库 - 红外滤光片的作用

https://wenku.baidu.com/view/8b40fd08804d2b160b4ec0c5.html

[3]新浪科技 - 主流DSP主芯片扫描

http://tech.sina.com.cn/h/2005-04-08/0911575619.shtml

[4]博客园 - 摄像头成像原理

http://www.cnblogs.com/sophia-hxw/p/6295440.html

[5] 摄像头基础知识-很好的入门释疑材料

https://wenku.baidu.com/view/863709f77c1cfad6195fa7e4.html

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