数码摄像头文档格式.docx
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DSP生产厂商较多，市面上较为流行的有：
（松翰）SONIX、VIMICRO（中星微）等
电源
摄像头内部需要两种工作电压：
3.3V和2.5V，因此好的摄像头内部电源也是保证摄像头稳定工作的一个因素。
4.摄像头的一些技术指标
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）
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。
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。
图像压缩方式
JPEG：
（Jointphotographicexpertgroup）
静态图像压缩方式。
一种有损图像的压缩方式。
压缩比越大，图像质量也就越差。
当图像精度要求不高存储空间有限时，可以选择这种格式。
目前大部分数码相机都使用JPEG格式。
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。
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。
视角
与人的眼睛成像是相成原理，简单说就是成像范围。
输出/输入接口
串行接口（RS232/422）：
传输速率慢，为115kbit/s
并行接口（PP）：
速率可以达到1Mbit/s
红外接口（IrDA）：
速率也是115kbit/s，一般笔记本电脑有此接口
通用串行总线USB：
即插即用的接口标准，支持热插拔。
USB1.1速率可达12Mbit/s,USB2.0可达480Mbit/s
IEEE1394（火线）接口（亦称ilink）：
其传输速率可达100M~400Mbit/s
5.摄像头的进一步认识
从摄像头的组成来看决定一个摄像头的品质从硬件上来说主要是：
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）。
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）。
图像传感器分为两类：
CCD（chargecoupledevice）—电荷耦合器件
CMOS（complementarymetaloxidesemiconductor）—互补金属氧化物半导体
CCD的优点是灵敏度高，噪音小，信噪比大。
但是生产工艺复杂、成本高、功耗高。
CMOS的优点是集成度高、功耗低（不到CCD的1/3）、成本低。
但是噪音比较大、灵敏度较低、对光源要求高。
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。
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。
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先进的影像控制技术，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图像传感器的厂商为数不多，主要原因是采用CCD图像传感器成本高的影响。
数字信号处理芯片（DSP）
在DSP的选择上，是根据摄像头成本、市场接受程度来进行确定。
现在DSP厂商在设计、生产DSP的技术已经逐渐成熟，在各项技术指标上相差不是很大，只是有些DSP在细微的环节及驱动程序要进行进一步改进。
图像解析度/分辨率（Resolution）
摄像头的图像解析度/分辨率也就是我们常说的多少像素的摄像头，在实际应用中，摄像头的像素越高，拍摄出来的图像品质就越好，但另一方面也并不是像素越高越好，对于同一画面，像素越高的产品它的解析图像的能力也越强，但相对它记录的数据量也会大得多，所以对存储设备的要求也就高得多，因而在选择时宜采用当前的主流产品。
由于受到摄像头价格、电脑硬件、成像效果等因素的影响，现在市面上的摄像头基本在30万像素这个档次上进行销售。
还有就是由于CMOS成像效果在高像素上并不理想，因此统治高像素摄像头的市场仍然是CCD摄像头。
值得注意的一点：
有些分辨率的标识是指这些产品利用软件所能达到的插值分辨率，虽然说也能适当提高所得图像的精度，但和硬件分辨率相比还是有着一定的差距的。
二.摄像头的工作原理
摄像头的工作原理大致分为为：
景物通过镜头（LENS）生成的光学图像投射到图像传感器表面上，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CCD。
说到CCD的尺寸，其实是说感光器件的面积大小，这里就包括了CCD和CMOS。
感光器件的面积大小，CCD/CMOS面积越大，捕获的光子越多，感光性能越好，信噪比越低。
CCD/CMOS是数码摄像头用来感光成像的部件，相当于光学传统相机中的胶卷，CCD/CMOS上感光组件的表面具有储存电荷的能力，并以矩阵的方式排列，当其表面感受到光线时，会将电荷反应在组件上，整个CCD/CMOS上的所有感光组件所产生的信号，就构成了一个完整的画面，如果分解CCD/CMOS，你会发现CCD/CMOS的结构为三层，第一层是“微型镜头”，第二层是“分色滤色片”以及第三层“感光层”。
1.第一层：
“微型镜头”
我们知道，数码摄像头成像的关键是在于其感光层，为了扩展CCD/CMOS的采光率，必须扩展单一像素的受光面积。
但是提高采光率的方法也容易使画质下降。
这一层“微型镜头”就等于在感光层前面加上一副眼镜，因此感光面积不再因为传感器的开口面积而决定，而改由微型镜片的表面积来决定，目前其开口率大约为30％。
2.第二层：
“分色滤色片”
CCD/CMOS的第二层是“分色滤色片”，目前有两种分色方式，一是RGB原色分色法，另一个则是CMYK补色分色法，这两种方法各有优缺点。
首先，我们先了解一下两种分色法的概念，RGB即三原色分色法，几乎所有人类眼睛可以识别的颜色，都可以通过红、绿和蓝来组成，而RGB三个字母分别就是Red,Green和Blue，这说明RGB分色法是通过这三个通道的颜色调节而成。
再说CMYK，这是由四个通道的颜色配合而成，他们分别是青（C）、洋红（M）、黄（Y）、黑（K）。
在印刷业中，CMYK更为适用，但其调节出来的颜色不及RGB的多。
原色CCD的优势在于画质锐利，色彩真实，但缺点则是噪声问题。
因此，大家可以注意，一般采用原色CCD的数码相机，在ISO感光度上多半不会超过400。
相对的，补色CCD多了一个Y黄色滤色器，在色彩的分辨上比较仔细，但却牺牲了部分影像的分辨率，而在ISO值上，补色CCD可以容忍较高的感光度，一般都可设定在800以上
3.第三层：
“感光层”
CCD/CMOS的第三层是“感光片”，这层主要是负责将穿过滤色层的光源转换成电子信号，并将信号传送到影像处理芯片，将影像还原。
对于数码相机而言，传统的照相机胶卷尺寸为35mm，35mm为对角长度，35mm胶卷的感光面积为36mm×
24mm。
换算到数码相机，对角长度约接近35mm的，CCD/CMOS尺寸越大。
在单反数码产品中，很多都拥有接近35mm的CCD/CMOS尺寸，例如尼康德D100，CCD/CMOS尺寸面积达到23.7×
15.6，比起消费级数码相机要大很多，而佳能的EOS-1Ds的CMOS尺寸为36×
24mm，达到了35mm的面积，所以成像也相对较好。
现在市面上的消费级数码相机主要有2/3英寸、1/1.8英寸、1/2.7英寸、1/3.2英寸四种。
CCD/CMOS尺寸越大，感光面积越大，成像效果越好。
1/1.8英寸的300万像素相机效果通常好于1/2.7英寸的400万像素相机（后者的感光面积只有前者的55%）。
而相同尺寸的CCD/CMOS像素增加固然是件好事，但这也会导致单个像素的感光面积缩小，有曝光不足的可能。
但如果在增加CCD/CMOS像素的同时想维持现有的图像质量，就必须在至少维持单个像素面积不减小的基础上增大CCD/CMOS的总面积。
目前更大尺寸CCD/CMOS加工制造比较困难，成本也非常高。
因此，CCD/CMOS尺寸较大的数码相机，价格也较高。
感光器件的大小直接影响数码相机的体积重量。
超薄、超轻的数码相机一般CCD/CMOS尺寸也小，而越专业的数码相机，CCD/CMOS尺寸也越大。
三.CCD详解
1.成像系统组成
CCD名词解释
ChargedCoupledDevice:
电荷耦合器，大量的独立的光敏元件排列在一起，每个光敏元件称为像素。
像素
图像的基本单位：
最小的视觉显示单位
CCD结构
感光二极管（Photodiode）
并行信号寄存器（ShiftRegister）——用于暂时储存感光后产生的电荷
串行信号寄存器（TransferRegister）——用于暂时储存并行积存器的模拟信号并将电荷转移放大
信号放大器——用于放大微弱电信号
数摸转换器——将放大的电信号转换成数字信号
CCD工作原理
隔行传输式（InterlineTransfer）
—感光元件产生电信号
—电荷转移到并行寄存器
—电荷从并行寄存器转移到串行寄存器
—串行寄存器将电信号转到模拟寄存器
—放大、数摸转换、数字信息
v快速-暴光和数据读出可同时进行
v可采用软件控制的电子快门工作
Ø
动态范围小
全帧（FullFrame）
—电荷转移到串行寄存器
v动态范围宽
v信噪比高
v分辨率高
成像速度慢
必须借助机械快门控制暴光量
全转（FullFransfer）
—综合FullFrame和InterlineTransfer特点，在器件上划分感光区和寄存区
—暴光和数据转移可以同时进行
v保证单位像素上的感光面积
v保证了拍摄速度
CCD采光方式
前照式:
光从正面照射芯片形成电荷
背照式:
光从背面通过并直接进入二极管
光子效率可达到80%
CCD控温方式
CoolCCD—消除热或暗电流产生的噪音
—噪音底，图像质量高
—灵敏度高，感光效果佳
—几何失真度小
—解析度稳定，补偿效果佳
—耐震动，不易受点磁场干扰
附：
普通CCD暴光超过10秒，发热；
—20度摄像头可拍摄5分钟图像；
—40度摄像头拍摄时间可超过1小时。
量子效率
量子效率（QuantumEfficiency）—阴极发射出的光电子数量与入射光光子的数量比，用以表诉CCD在不同波长下的响应值。
在同一波长下QE值越高CCD品质越好
CCD对于不同波长的光的响应时间的敏感度不同
背照式CCD比前照式CCD有更好的量子效率
多数衡量QE高低是在425nm波长
填充因子
填充因子（FillFactor）—CCD实际感光面积占像素面积的比值。
理想值—100%
实际值—30%（隔行传输式CCD）
通过微型镜头（Microlenses）改善（但微型镜头的应用会影响紫外光的检测）
填充因子是影响灵敏度的一个因数
井深
井深（WellCapacity）—像素可堆积电荷的多少
多数CCD可堆积85K个电荷
高品质的CCD可堆积350K个电荷
影响灵敏度的一个因数
衡量动力学范围的一个因素
CCD数字化
数字化（Digitization）—模拟信号转换成数字信号
计算机运用2进制运算法则来将CCD采集的电信号转换成数字信号
12bit=4096；
14bit=16384；
16bit=65536
应用软件将运用一定的运算法则来决定最适合显示器灰度级别的数据
动力学范围（DynamicRange）
—描述从CCD像素值中可以得到多少数量的灰度级别的一个术语
—用来表示饱和电压（最大输出级别）与摄像头随机噪音的比率（Itisexpressedastheratiooffullsaturationvoltage（maximumoutputlevel）tothetotalRMSnoiseofthecameraoutput.）
—动力学范围并不总是和数模转换器输出的数据一致
BitDepth
Expression
Grayscales
OrdersofMagnitude
8
28
256
Log256
2.4
10
210
1024
Log1024
3
12
212
4096
Log4096
3.6
14
214
16384
Log16384
4.2
16
216
65536
Log65536
4.8
⑩其他参数
⑴像素合并（Binning）
—将相临的像素所堆积的电荷进行合并并当作一个单一的像素输出信号
—提高灵敏度（2x2bin提高4倍灵敏度）
—降低分辨率（2x2bin降低一半的分辨率）
⑵系统增益（SystemGain）
—传感器中电荷输出量与输入量之比，相当与传统相机的感光度（ISO）
—提高增益将会找成数字噪音的增加
—底增益可以最小话噪音得到最佳分辨率但是将损失井深从而损失灵敏度
—系统中最优化的增益值根据平衡数字化计数、井深和数字化噪音最佳值来进行设置
⑶读出噪音（ReadoutNoise）
产生噪音的因素
—不能保证在电荷从CCD转移出来并数字话的时候有一个好的重复性，导致相同像素中相同电荷数量进行A/D转换时得不到相同的结果
—传感器及电路产生的随机电荷与像素中有效电荷一起被数字化
—数模转换线圈将会分散一部分有意义的转换值
降低系统噪音的方法
—采用CoodCCD
—减小系统增益
⑷暗电流（DarkCurrent,DarkCount）
—CCD在一定温度下每个像素在一定时间内产生的电荷数
—暗噪音大约为暗电流的平方根
⑸信噪比（SignaltoNoiseRatio）
—衡量信号及噪音的关系
—表征检测的限度（灵敏度）
⑹平场校正（Flat-FieldCorrection）
—用增益（gain）和补偿（offset）对个别的像素给予额外的休整
两种表征CCD传感器输出误差方式：
—固定图案噪音（FPN，FixedPatternNoise）
—图像不均一响应（PRNU，PhotoResponseNonUniformity）
⑺超级CCD（SupperCCD）
—几何形状的改变，增加光电二极管的面积，像素利用率提高33%
—更接近Microlens形状，提高有效面积增加光吸收率
—排列结构更适合人眼对分辨率的要求（分辨率提高60%）
四.CMOS详解
互补金属氧化物半导体（CMOS，ComplementaryMetalOxideSemiconductor）
—核心元件：
—同一像点当中包含放大器和数模转换电路（一个感光二极管和三颗晶体管）
—开口率底（开口率：
有效感光区与整个感光元件面积比值）
—灵敏度底、噪声明显
—数模转换无法保证严格一致
1.接口（CameraInterface）
—CameraLink：
在ChannelLink基础上开发可进行高速数据传输
—FireWire及IEEE1394：
苹果电脑公司开发，最初用于电脑外部设备的连接
—USB：
高速、热插拔接口，最初用在电脑外部设备的连接
—GigabitEthernet：
高速网络协议允许数据在网络中传输，该接口技术目前正在发展当中
五.CCD的颜色设置
实际上CCD本身是不能分辨颜色的，所以，在实际应用时需要使用色彩滤镜，一般的就时在CCD的滤镜层上涂上不同的颜色，滤镜上不同的色块按照G—R—G—B（绿—红—绿—蓝）顺序像马赛克一样排列，使每一片“马赛克”下的象素感应不同的颜色。
例如：
在一个130万象素的CCD上，有325000个像素感应红色，325000个像素感应蓝色，650000个像素感应绿色，在一个使用这种CCD，分辨率为1280×
1024的摄像头中，有640×
512个红色像素，有640×
512个蓝色像素，有640×
1024个绿色像素，绿色象素多一点，那是因为人类对绿色的敏感和其他颜色不同，最后在记录图像时，每个象素的真实色彩就是它与周围象素的混合的平均值，此种方式就是原色CCD，如图所示：
补色CCD使用了另一种排列方式的滤镜，它的颜色是直接涂在CCD表面，其色彩是按C—Y—G—M（青—黄—绿—洋红）的顺序排列的，每个像素的最终颜色也是取其与周围象素的平均值，但这种算法更为复杂了一些。
在一个使用这种CCD，分辨率为1280×
512个青色像素，有640×
512个黄色像素，有640×
512个绿色像素，有640×
512个洋红色像素，其排列如图所示：
六.CCD和CMOS的尺寸
CCD和CMOS中所说的尺寸实际是芯片对角线的长度，其“型“就是表示尺寸的不同，尺寸越小，设备就可以设计的越小，但是，单位面积的像素越小的话很难聚光，目前，其型号中的尺
寸已不是它的真实值，具体意
思就是表示型号。
常用的尺寸
并不是“单位”而是
“比例”。
业界通用的规范就是:
一英寸CCDSize=长12.8mm×
宽9.6mm＝对角线为16mm之对应面积。
通过数学中的“勾股”定理可知该三角形的三边之比为4∶3∶5,换句话说，只要知道一个尺寸，就可以计算出其他两个尺寸，其各个型号所对应的尺寸如图所示：
七.CCD和CMOS的区别
CCD是目前比较成熟的成像器件，CMOS被看作未来的成像器件。
因为CMOS结构相对简单，与现有的大规模集成电路生产工艺相同，从而生产成本可以降低。
从原理上，CMOS的信号是以点为单位的电荷信号，而CCD是以行为单位的电流信号，前者更为敏感，速度也更快，更为省电。
现在高级的CMOS并不比一般CCD差，但是CMOS工艺还不是十分成熟，普通的CMOS一般分辨率低而成像较差。
目前的情况是，许多低档入门型的数码产品使用廉价的低档CMOS芯片，成像质量比较差。
普级型、高级型及专业型数码产品使用不同档次的CCD，个别专业型或准专业型数码产品使用高级的CMOS芯片。
代表成像技术未来发展的X3芯片实际也是一种CMOS芯片。
CCD与CMOS孰优孰劣不能一概而论，但一般而言，普及型的数码相机中使用CCD芯片的成像质量要好一些。
另外，拍摄夜景时或盖上镜头盖长时间曝光时，影像上的色点不一定都是CCD坏点，有的是噪点，CCD温度降低后会有改善，
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