[工學(xué)]第10章攝像頭(已修改)
2025-01-20 03:05 本頁(yè)面
【正文】 第 10章 攝 像 頭 第 10章 攝 像 頭 攝像頭的分類 數(shù)字?jǐn)z像頭的工作原理和結(jié)構(gòu) 數(shù)字?jǐn)z像頭的性能指標(biāo)和選購(gòu)參考 數(shù)字?jǐn)z像頭的安裝 數(shù)字?jǐn)z像頭的使用 數(shù)字?jǐn)z像頭的維護(hù) 數(shù)字?jǐn)z像頭主流產(chǎn)品介紹 思考與訓(xùn)練 第 10章 攝 像 頭 攝像頭的分類 1. 模擬攝像頭 模擬攝像頭可以將圖像信號(hào)轉(zhuǎn)為模擬信號(hào) ， 但是必須通過(guò)視頻采集卡將攝像頭捕捉到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào) ， 才能夠在電腦中存放 ， 即模擬攝像頭要和視頻采集卡配合使用 。 模擬攝像頭的最大缺點(diǎn)就是安裝工作復(fù)雜、不方便普通 PC用戶使用并且設(shè)備價(jià)格昂貴，所以模擬攝像頭常用于基于軟件的遠(yuǎn)程醫(yī)療、實(shí)時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)和視頻會(huì)議等特殊領(lǐng)域中。 第 10章 攝 像 頭 模擬攝像頭的代表產(chǎn)品有 SONY D31等，如圖 101所示。 101 模擬攝像頭 SONY D31 第 10章 攝 像 頭 2. 數(shù)字?jǐn)z像頭 數(shù)字?jǐn)z像頭 (PC Camera)又稱電腦眼 、 PC相機(jī)等 ， 是一種基于數(shù)字視頻的輸入設(shè)備 ， 它是利用光電技術(shù)來(lái)采集影像 ， 通過(guò)內(nèi)部電路把代表像素的 “ 點(diǎn)電流 ” 轉(zhuǎn)換成為能夠被計(jì)算機(jī)所處理的 “ 0”或 “ 1”數(shù)字信號(hào) 。 數(shù)字?jǐn)z像頭將攝像單元和視頻捕捉單元集成 ， 而不像模擬攝像頭那樣 ， 需先用模擬的采集工具采集影像 ， 再通過(guò)專用的模 /數(shù)轉(zhuǎn)換組件完成影像的輸入 ， 在這方面數(shù)字?jǐn)z像頭集成度更高 。 數(shù)字?jǐn)z像頭的代表產(chǎn)品有創(chuàng)新 WebCam Go Plus等 ， 如圖102所示 。 第 10章 攝 像 頭 圖 102 數(shù)字?jǐn)z像頭創(chuàng)新 WebCam Go Plus 第 10章 攝 像 頭 數(shù)字?jǐn)z像頭的工作原理和結(jié)構(gòu) 數(shù)字?jǐn)z像頭的工作原理 數(shù)字?jǐn)z像頭的工作原理大致可以概述為：景物通過(guò)鏡頭(LENS)生成的光學(xué)圖像被投射到圖像傳感器 (Sensor)的表面后轉(zhuǎn)為電信號(hào)，經(jīng)過(guò) A/D(模 /數(shù) )轉(zhuǎn)換后變?yōu)閿?shù)字圖像信號(hào)，數(shù)字圖像信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字信號(hào)處理芯片 (DSP)加工處理后，通過(guò) USB接口再傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中處理，通過(guò)顯示器就可以看到圖像了。 第 10章 攝 像 頭 景物 圖像傳感器 數(shù) 字 信 號(hào) 處 理 芯 片 電腦 圖像顯示器U S B 接口A /D鏡頭圖 103 數(shù)字?jǐn)z像頭工作流程 數(shù)字?jǐn)z像頭的工作流程如圖 103所示。 第 10章 攝 像 頭 數(shù)字?jǐn)z像頭的結(jié)構(gòu) 1. 鏡頭 (Lens) 鏡頭是由幾片透鏡組成的數(shù)層結(jié)構(gòu) ， 即通常所稱的透鏡結(jié)構(gòu) ， 如圖 104所示 。 數(shù)字?jǐn)z像頭的鏡頭材料有塑膠透鏡(Plastic)和玻璃透鏡 (Glass)兩種 。 在成像效果方面 ， 玻璃透鏡要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于塑料透鏡 ， 但是玻璃透鏡比塑膠透鏡價(jià)格貴 。 目前市場(chǎng)上品質(zhì)比較好的數(shù)字?jǐn)z像頭產(chǎn)品一般都采用 4片玻璃結(jié)構(gòu)的鏡頭 (就是俗稱的 4G鏡頭 )；有的產(chǎn)品會(huì)再加上一層虹膜增強(qiáng)濾光性 (即商家所標(biāo)稱的 5G鏡頭 )。透鏡越多成本越高，所以現(xiàn)在市場(chǎng)上的大多數(shù)數(shù)字?jǐn)z像頭產(chǎn)品為了降低成本，一般百元左右的產(chǎn)品采用塑膠鏡頭 (即 1P、 2P鏡頭 )或半塑膠半玻璃鏡頭 (即 1G1P鏡頭 )。 第 10章 攝 像 頭 圖 104 數(shù)字?jǐn)z像頭的鏡頭 第 10章 攝 像 頭 2. 圖像傳感器 其實(shí)數(shù)字?jǐn)z像頭的結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，關(guān)鍵技術(shù)及主要成本還是在圖像傳感器上。圖像傳感器相當(dāng)于傳統(tǒng)相機(jī)的膠片，它是一種用來(lái)接收通過(guò)鏡頭的光線，并且將這些光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置。目前數(shù)字?jǐn)z像頭的核心成像部件 ——圖像傳感器有兩種：一種是 CCD感光器件，另一種是 CMOS感光器件。 第 10章 攝 像 頭 1) CCD感光器件 CCD英文全稱為 Charge Coupled Device，即電荷耦合器件。CCD感光器件的工作原理是：被攝物體的反射光線傳送到鏡頭，經(jīng)過(guò)鏡頭聚焦到 CCD芯片上， CCD芯片會(huì)根據(jù)光的強(qiáng)弱而積聚相應(yīng)的電荷，經(jīng)過(guò)周期性放電，產(chǎn)生表示一幅幅畫(huà)面的電信號(hào)，這些電信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波、放大等處理后，輸出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)合視頻信號(hào)。 (注：當(dāng)光從紅、藍(lán)、綠濾鏡中穿過(guò)時(shí)，就可以得到每種色光的反應(yīng)值，然后，對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，就可確定每一個(gè)像素點(diǎn)的顏色，即所得圖像數(shù)據(jù)其實(shí)就是一個(gè)數(shù)值的集合。 ) CCD感光器件如圖 105所示。 第 10章 攝 像 頭 圖 105 CCD感光器件 第 10章 攝 像 頭 數(shù)字?jǐn)z像頭產(chǎn)品規(guī)格中常見(jiàn)的 “ 多少萬(wàn)像素 ” 指的就是CCD的分辨率，也就是指這臺(tái)數(shù)字?jǐn)z像頭采用的 CCD上有多少個(gè)感光組件。 CCD上感光組件的表面具有儲(chǔ)存電荷的能力，并以矩陣的方式排列，如圖 106所示。 CCD感光組件 (像素 )數(shù)目越多、單一感光組件 (像素 )尺寸越大，收集到的圖像就會(huì)越清晰。 第 10章 攝 像 頭 圖 106 CCD感光組件的矩陣排列 第 10章 攝 像 頭 2) CMOS感光器件 CMOS英文全稱為 Complementary Metal Oxide Semiconductor，即互補(bǔ)性氧化金屬半導(dǎo)體。 CMOS的制造技術(shù)和一般計(jì)算機(jī)芯片沒(méi)什么差別，主要是利用硅和鍺兩種元素所做成的半導(dǎo)體，使其在 CMOS上共存著帶 N(帶負(fù)電荷 )級(jí)和 P(帶正電荷 )級(jí)的半導(dǎo)體，這兩者互補(bǔ)效應(yīng)所產(chǎn)生的電流可被處理芯片記錄并解讀成影像信息。 CMOS感光器件如圖 107所示。 第 10章 攝 像 頭 圖 107 CMOS感光器件 第 10章 攝 像 頭 從制造工藝 、 技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域等不同角度進(jìn)行比較 ， CCD感光器件與 CMOS感光器件有如下方面的不同： (1) 制造工藝的比較： CCD和 CMOS在制造上的主要區(qū)別是， CCD是集成在半導(dǎo)體單晶材料上，制造工藝較復(fù)雜，只有少數(shù)幾個(gè)廠商例如索尼、松下等掌握 CCD技術(shù)；而 CMOS是集成在被稱作互補(bǔ)性金屬氧化物的半導(dǎo)體材料上的 ——一種大規(guī)模應(yīng)用于集成電路芯片制造的原料。 第 10章 攝 像 頭 (2) 信息讀取方式的比較： CCD感光器件的電荷信息 ， 需在同步信號(hào)控制下一位一位地實(shí)施轉(zhuǎn)移后才能被讀取 ， 電荷信息轉(zhuǎn)移和讀取輸出需要有時(shí)鐘控制電路和各組不同的電源相配合 ， 整個(gè)電路設(shè)計(jì)較為復(fù)雜 ， 使得信號(hào)讀取十分復(fù)雜；而 CMOS感光器件經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后直接產(chǎn)生電流 (或電壓 )信號(hào) ， 信號(hào)讀取十分簡(jiǎn)單 。 (3
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