摄像头的三个重要组成部分.docx

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摄像头的三个重要组成部分

摄像头的三个重要组成部分：

摄像头的重要组成部分：

DSP控制芯片（DIGITALSIGNALPROCESSING）、图像传感器（SENSOR）和镜头（LENS）。

（笔者注：

以下资料部分索引自优是数码的F&Q，由网友“爱你有悔”友情提供，在此表示万分感谢。

）

工作原理篇：

摄像头（CAMERA）主要分数字摄像头和模拟摄像头两种，模拟摄像头即那种可以直接通过视频接口（通常为S端子或AV端子）连接显示设备（一般指电视机或监视器）完成摄像功能的摄像头，特点是模拟影像清晰而连贯，不受分辨率影响，模拟摄像头以中低价位黑白摄像头为主；而数字摄像头可以直接捕捉影像并转换为数字信号存储在电脑里，其信号传输接口发展由早期的串口、并口发展到如今的USB2.0和IEEE1394火线接口，我们这里主要涉及的PC摄像头，其主流就是指USB接口的数字摄像头。

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）（*注1）表面上，然后转为电信号，经过A/D（模数转换）转换后变为数字图像信号，再送到数字信号处理芯片（DSP）（*注2）中加工处理，再通过USB接口传输到电脑中处理，通过显示器就可以看到图像了。

注1：

图像传感器（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。

注2：

数字信号处理芯片DSP（DIGITALSIGNALPROCESSING）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USB等接口传到PC等设备。

部件解构：

1、图像传感器

在摄像头的三大结构组件中，最重要的个人认为就是图像传感器了，因为感光器件对成像质量的重要性不言而喻，对DV/DV有了解的朋友应该十分清楚这一点。

SENSOR可以分为两类：

CCD（chargecoupledevice）：

电荷耦合器件

CMOS（complementarymetaloxidesemiconductor）：

互补金属氧化物半导体

前者的价格比较高，因此多用在高端摄像头上，比如下图所示的罗技快看高手版Pro4000：

而CMOS摄像头则是非常主流（性能，包括价格）的大众级产品，从理论上说，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，而CMOS传感器则具有低成本、低功耗、以及高整合度的特点。

简单地讲，就是CCD摄像头成像质量会更好，图像明锐通透、细节丰富，色彩还原度好，曝光准确，而CMOS摄像头则对光源有一定依赖性。

不同传感器的结构如图所示：

但是随着技术的发展，在低端应用（比如百万等级以下的相机、摄像头、可视电话）方面CMOS已经凭借低成本和不弱于同级CCD的高性能牢牢占据了主流地位，而且就摄像头产品而言，最好的CMOSSENSOR如HY7131E的成像质量（包括清晰度/色彩还原等方面）比早期的CCDSENSOR更胜一筹！

从硬件角度讲，相同像素情况下SENSOR的面积自然越大越好，这种差异在弱光情况下表现得尤其明显。

（无论对于CCD还是CMOS均是如此，这也是高端DC十分强调CCD大小的根本原因所在）

目前市场上90％的主流产品采用了现代（Hynix）和美光（Micro）两个厂商的CMOSSENSOR，其型号主要有现代7131E、现代7131R和美光的MI360三种，自然，它们的面积（性能）都是不一样的：

（除此以外还有美光的es1、0347及agilent2020很多很多，就不一一列举了……）

现代7131ECMOS图像传感器，648×488个像素，感光部分呈长方形，尺寸为1/3英寸，弱光表现良好，色彩还原和清晰度都属一流水准。

不过去年底因成本过高现代没有天理地宣布停产了，令最好的301P＋7131E主流方案风光不再

美光MI360CMOS图像传感器，像素为651×487，面积稍小于7131E，不过也可以纳入硬件采集真30万像素的行列。

（笔者注：

MI360因为手机摄像头方面的大量需求也经常缺货。

）

7131R是今年一月现代才量产的“拳头产品”，应该算比较常见了，像素点等同于MI360，其具体尺寸为4.86×3.64mm，即1/4英寸，因感光面积较小当然比不上前两者喽，不过7131R配合301P＋新驱动性能还算不错。

7131R的硬件分辨率为30万像素，行内习惯称之为硬件35万摄像头。

最后需要提醒大家的是使用CMOS摄像头的时候有一些诀窍：

首先不要在逆光环境下使用（这点DC也一样！

），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。

不过我想一般情况网聊也不用在光天化日情况下进行

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（晚上最好配40W左右的荧光灯）（*注3）；二是选择要求最小照明度指标好的产品，现在有些摄像头已经可以达到5lux（*注4）；三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（笔者注：

就是指摄像头微距功能，不过受限于镜头和成像原理，广角变形非常大，因此看起来更像做秀:

）。

*注3：

一般选择9W节能灯足矣

*注4：

lux（勒克斯）为照明度单位，具体地说，1Lux等于一支蜡烛从1米外投射在一平方米的表面上的光的数量。

10Lux等于10支蜡烛从1米外投射到物体表面的光的数量。

更详细解释请看这里。

目前，市场销售的数码摄像头中，基本是CCD和CMOS平分秋色。

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影像控制技术（由驱动＋DSP软硬结合共同完成），完全可以达到与CCD摄像头相媲美的效果。

受市场情况及市场发展等情况的限制，摄像头采用CCD图像传感器的厂商并不多，主要原因是采用CCD图像传感器成本高的影响，而200元以下基本上都是CMOS摄像头的天下，不过请大家务必注意，不管摄像头分辨率“标称”多少万像素，那种1/7寸的CMOSSENSOR铁定是10万像素！

所谓插值分辨率在笔者的概念上就和DC/DV的数字变焦一样，纯属文字游戏而已！

！

2、数字信号处理芯片DSP

DSP结构框架:

（1）.ISP（imagesignalprocessor）（镜像信号处理器）

（2）.JPEGencoder（JPEG图像解码器）

（3）.USBdevicecontroller（USB设备控制器）

ISP的性能强大是决定影像流畅的关键，目前最“彪悍”的ISP能实时处理130万像素——呵呵，大家知道“百万像素”的摄像头是怎么来的了吧

（这个问题下文还将重点说明），JPEGencoder的性能也是关键指标之一，比如中星微（VI）301P是硬件JPEG压缩方式，而松瀚602采

用软件RGB压缩方式，因此301P图像处理速度要比SONIX602A快一点。

至于USB接口控制功能与摄像头本身的接口有关，比如采用EMPIA2710或者2800芯片、HY302、ALIM5603C等均支持USB2.0。

DSP控制芯片的作用是：

将感光芯片获取的数据及时快速地传到电脑中并刷新感光芯片，因此控制芯片的好坏，直接决定画面品质（比如色彩饱和度、清晰度）与流畅度，是否有不断升级的驱动程序也比较重要，新驱动可以赋予其更强大的功能和使用效果。

目前市场上占有率最高的DSP是中星微的301P，虽然只支持到USB1.1，但和各SENSOR兼容性良好，此外它在自动曝光/增益/白平衡/色彩/噪点控制/伽玛校正以及动态缩放边缘抗锯齿算法方面都有其独到之处，图像转换速度也非常快。

48PinLQFP封装的ZC301Plus，声名如日中天的它市占率居然高达70％，其详细资料可以参考官方网页

说起中星微，倒也是挺传奇的，大BOSS邓中翰是位而立之年（68年生人）的“海龟”，92年赴美国加州大学伯克利分校（UCBerkeley）读书。

在5年时间内取得电子工程学博士、经济管理学硕士、物理学硕士3个学位，是该校建校130年来第一位横跨理、工、商三学科的学者。

邓回国创业一炮打响的就是制程为0.25微米“星光一号”，而后又推出集成音频功能的“星光二号”……在遍地韩芯、日芯、美芯的情况下大涨中国人的志气！

自然喽，其他例如SunplusTP6800/561A、Sonix602A等DSP我就不在这里一一详细介绍了。

基本上主要的DSP厂商就是中星微、凌扬、松翰这几家。

松翰科技股份有限公司官方网页

凌阳科技股份有限公司官方网页

禾瑞亚（EMPIA）官方网页，相关芯片资料都很容易找到的。

3、镜头（LENS）

镜头是仅次于CMOS芯片影响画质的第二要素，其组成是透镜结构，由几片透镜组成，一般可分为塑胶透镜（plastic）或玻璃透镜（glass）。

当然，所谓塑胶透镜也非纯粹塑料，而是树脂镜片，当然其透光率感光性之类的光学指标是比不上镀膜镜片的。

此外我们注意到最外部的镜头曲率较大，类似于“鱼眼”，这种设计目的是提高镜头广角视野，不过随之而来的问题是边缘几何变形，也算摄像头类产品的通病了，毕竟这是摄像头不是DC！

大家要当心宣传中7131是指7131R还是7131E！

通常摄像头用的镜头构造有：

1P、2P、1G1P、1G2P、2G2P、2G3P、4G、5G等。

透镜越多，成本越高，相对成像效果会更出色；而玻璃透镜又比树脂贵。

因此一个品质好的摄像头应该是采用多层玻璃镜头！

现在市场上的多数摄像头产品为了降低成本，一般会采用廉价的塑胶镜头或一玻一塑镜头（即：

1P、2P、1G1P、1G2P等），对成像质量有很大影响！

在OEM厂家的报价单中，7131R＋两玻镜头和美光360＋五玻大约相差10元左右，而顶级的五玻微凸镜和全塑镜头之间的成本差价就达7元，几乎占到总造价的10％了。

好的全玻镜头都有较大的光圈F2.0甚至达到F1.8，尺寸大小为6mm并多层镀膜或加滤光片以增加通光量减少反光，使成像清晰，画质明亮鲜艳，有资料说“长春光学”是国内大孔径光学镜头的主要供应商，因此所谓号称“日×原厂镜头”的说法纯属虚妄之词。

只是很可惜，目前还没有一种方法能通过肉眼准确判断镜头材质的方法，消费者只能根据实际效果来评价摄像头的品质：

“多看，多比”！

镜头是最容易出状况的部件，大家千万不要因贪图小便宜买那种100以下的塑头CAMERA！

至于比较的方法则很简单，室内日光灯下，哪个摄像头细节丰富，层次好，延迟少，画面不显得昏暗的就是玻璃镜片。

记得有前辈说过“摄影的第一要素是光线，第二要素是光线，第三要素还是光线”，我们看到，上面提到采用面积大的SENSOR、速度快，色彩饱和的DSP或通光量多（f值小）的镜头，无不是为了保证整个影像传输过程中有良好的感光性。

综上所述，采用不同方案（上篇中有详细论述）的摄像头效果的确大不相同，瓶颈就在于木桶上最短的那块板！

幸好不同方案打造的摄像头价位也大不相同，而品牌产品的宣传保真度要高得多，所以笔者建议大家尽量选择百元以上“五玻”（301P＋美光360）型号比较保险。

做工用料的比较：

上面两个摄像头，同样是301P＋美光MI360解决方案，不过做工用料也大不同喔，第一张图示摄像头采用了钽电容而第二个摄像头为电解电容与直立晶振。

从背面看做工不错的摄像头连接线采用插座连接，而另一款则为直接焊接。

不过这些都是小问题啦，更有甚者采用B级的CMOS（有坏点的淘汰品）或者DSP芯片，并且将塑料镜头宣传为“五玻”那就非常恶劣了！

至于说什么USB线需要采用带磁环的双屏蔽线（除了用于正常供电、接地、传输数据的4根线外，在其外包裹64～96芯作金属屏蔽层，以降低周围环境的干扰）笔者觉得非一定必要，因为还没碰到过换线能改善影像传输的实例。

此外名牌和无牌产品的区别就是名牌品控特别严格，产品质量能维持一定水准，而笔者多次碰到拆开来摄像头CMOS传感器上落灰的现象……

摄像头内部需要两种工作电压：

3.3V和2.5V，对于好的摄像头来说，内部电源也是保证摄像头长期稳定工作的一个因素。

画面品质比较：

笔者提醒大家注意，这里放上的例图（一张品质较好的，一张品质一般的）只有参考价值，也许你的摄像头会比笔者的更好也不定

品质可以接受了吧？

好像差了点……

日光灯光源下收敛效果：

不错

光晕太过发散，锐利，因此客观上会造成被照物体明暗交界处模糊

成像锐利，连贴片电阻阻值都看得清清楚楚

边缘发毛，图像有锯齿

虽然微距对于摄像头正常使用并没有太大影响，但微距效果本身能说明一些问题，比如清晰度、聚焦能力、几何变形……

桌面下低照度测试，效果还行

杂讯增加，噪点增多

其他相关名词解释：

1、图像解析度/分辨率（Resolution）：

※SXGA（1280x1024）又称130万像素

※XGA（1024x768）又称80万像素

※SVGA（800x600）又称50万像素

※VGA（640x480）又称30万像素（35万是指648X488）

※CIF（352x288）又称10万像素

※SIF/QVGA（320x240）

※QCIF（176x144）

※QSIF/QQVGA（160x120）

2、图像格式（imageFormat/Colorspace）

RGB24,I420是目前最常用的两种图像格式。

※RGB24：

表示R、G、B三种颜色各8bit，最多可表现256级浓淡，从而可以再现256*256*256种颜色。

※I420：

YUV格式之一。

※其它格式有:

RGB565，RGB444，YUV4:

2:

2等。

3、自动白平衡调整（AWB）

定义：

要求在不同色温环境下，照白色的物体，屏幕中的图像应也是白色的。

色温表示光谱成份，光的颜色。

色温低表示长波光成分多。

当色温改变时，光源中三基色（红、绿、蓝）的比例会发生变化，需要调节三基色的比例来达到彩色的平衡，这就是白平衡调节的实际。

4、彩色深度（色彩位数）

反映对色彩的识别能力和成像的色彩表现能力

实际就是A/D转换器的量化精度，是指将信号分成多少个等级。

常用色彩位数（bit）表示。

彩色深度越高，获得的影像色彩就越艳丽动人。

5、图像噪音

指的是图像中的杂点干扰。

表现为图像中有固定的彩色杂点。

6、视角

与人的眼睛成像是相成原理，简单说就是成像范围。

目前这个指标已经越来越重要了，好的摄像头可视角度在62度以上。

问题一箩筐：

Q：

买带夜视功能的摄像头值得吗？

A：

这要看您的具体需求了，从省电的角度看还是值得的

，目前摄像头夜视实现方式主要有两种，一种是红外线照射，成黑白图像，另一种是通过LED二极管亮灯，一般配合电脑屏幕的亮光进行“摄像”，成彩色图像，因前者效果较差已不大采用，后者虽然号称“零照明拍摄”实际上因LED的照度有限往往“把人变成鬼”，所以笔者认为除了条件有限外，网聊时配一盏40W以上的白帜灯就能达到比较理想的效果，比什么夜视功能都强100倍！

Q：

摄像头分辨率是越大越好吗？

分辨率，RGB24图像格式为例，我们来算一下每秒数据流量为：

（352×288×24）×30/8＝8.7MB，经过压缩（DSPJPEG图像压缩比通常为1：

6～1：

8之间），也就是说每秒至少要传输1.1MB的数据，而USB1.1的理论速度才12Mb/S即1.5MB/秒再加上传输损耗，的确没有余力传输更大量的图形数据了，按照这种算法，640×480分辨率下的帧速率才14帧左右，离我们说的流畅（至少25帧）还差得很远！

只有USB2.0接口才能保证640×480分辨率下30fps/S的帧流畅度。

所以USB2.0接口还是有存在价值的，也可以预见到其是未来发展方向（不过上半年USB2.0接口控制IC与USB1.1价格差仍在2美元以上），但因为主流聊天软件如QQ、MSN并不支持如此大的视频窗口（例如QQ窗口仅为176*144），因此目前USB2.0是英雄无用武之地，而352*288下需要流畅，USB1.1也够用了，所以我的观点很明确，USB2.0是高端摄像头的标配，但对于多数人来说并不需要将其作为选购的判断标准。

Q：

驱动对摄像头性能影响大吗？

A：

大家可以查看驱动之家的链接，类似如下说明“这个版本的驱动是采用301p新的正式版本的驱动内核，对于7131R专门作了大幅的优化，性能有30％左右的提升。

”……这说明了什么？

买名牌产品，优秀方案，更新驱动是完全有保证的。

而且我们可以明确发现，前两天（8.5）中星微又释放了新的公版驱动……这种不断挖掘硬件潜力的做法是确保其成为数字摄像头方案NO1的坚实基础。