USB攝像頭工作原理講解（谷風課堂）

1、USB 攝像頭的工作原理1青苗學班B目錄1、簡介2、分類3、工作原理4、結構和組件5、技術指標6、發(fā)展趨勢2青苗學班B一、簡介1.0常規(guī)介紹2.0技術介紹3青苗學班B一、簡介1.0常規(guī)介紹 攝像頭(CAMERA)又稱為電腦像機、電腦眼等，它作為一種視頻入設備，在過去廣泛地應用于視頻會議、遠程醫(yī)療、實時監(jiān)控等方面。近年以來，隨著互聯(lián)網技術的發(fā)展，網絡速度的不斷提高，再加上感光成像器件技術的日漸成熟并大量用于攝像頭的產品制造上，使得它們的價格低到可以令普通老百姓可以接受消費水平。同時這兩年CAMERA被廣泛應用于MOBILE PHONE，這樣一來,更加促進了感光成像技術的進一步提高，如:30萬像素

2、，130萬像素，200萬像素，300萬像素等。 4青苗學班B一、簡介2.0技術介紹2.0 Technology of presentation 技術介紹General Description 簡介The camera module is a sensors on board module designed for mobile application where low power consumption and small size are of utmost importance. Proprietary sensor technology utilizes advanced algori

3、thms to cancel Fixed Pattern Noise (FPN),eliminate smearing, and drastically reduce blooming. All required camera functions are programmable through the Serial Camera Control Bus (SCCB )interface. The device can be programmed to provide image output in various fully processed and encoded formats.App

4、lication PC Camera/ Dual Mode, and Cellular phones Video conference equipment, Machine vision, Security camera, Biometrics, Digital Still Cameras5青苗學班B二、分類1.0DIGITAL CAMERA數(shù)字式2.0DIGITAL STILL CAMERA模擬式6青苗學班B二、分類1.0DIGITAL CAMERA數(shù)字式 數(shù)字攝像頭是直接將攝像單元和視頻捕捉單元集成在一起，然后通過串、并口或USB接口連接到HOST SYSTEM上，現(xiàn)在CAMERA市場上的

5、攝像頭基本以數(shù)字式為主，而數(shù)字攝像頭中又以新型數(shù)據(jù)傳輸接口的USB數(shù)字攝像頭為主(獨立)，在手機和電腦上主要是直接通過IO(BTB/USB/MINI/ USB)與HOST SYSTEM連接，經過SYSTEM的編輯后以數(shù)字信號輸出到DISPLAY上顯示。目前CAMERA市場上主流的CAMERA都是DIGITAL CAMERA。7青苗學班B二、分類2.0SIMULANT CAMERA模擬式 模擬攝像頭是將視頻采集設備產生的模擬視頻信號轉換成數(shù)字信號，進而將其存儲到SYSTEM MEMORY里。模擬攝像頭捕捉到的視頻信號必須經過特定的視頻捕捉卡將模擬信號轉換成數(shù)字模式，并加以壓縮后才可以轉換到HOS

6、T SYSTEM上運用，經過HOST SYSTEM 的編輯，通過DISPLAY顯示和輸出。8青苗學班B三、工作原理1.0GENERAL DESCRIP原理2.0SYSTEM SHOW攝像頭主要由鏡頭、影像傳感器（主要是CCD/CMOS器件）、DSP等組成，被攝物體經過鏡頭聚焦至CCD上，CCD由多個X-Y縱橫排列的像素點組成，每個像素都由一個光電二極管及相關電路組成，光電二極管將光線轉變成電荷，收集到的電荷總量與光線強度成比例，所積累的電荷在相關電路的控制下，逐點移出，經濾波、放大，再經過DSP處理后形成視頻信號輸出。 9青苗學班B三、工作原理1.0工作原理 攝像頭的工作原理大致為:景物通過鏡

7、頭(LENS)生成的光學圖像投射到圖像傳感器(SENSOR)表面上，然后轉為電信號，經過A/D(模/數(shù))轉換后變成數(shù)字圖像信號，再送到數(shù)字處理芯片(DSP)中加工處理，再通過I/O接口傳輸?shù)诫娔X中進行處理后，再通過顯示屏(DISPLAY)就可以看到圖像了。工作原理方框圖景物(SCE)圖像傳感器(SENSOR)數(shù)字信號處理芯片(DSP)電腦(PC)圖像(PIC)LENSA/D(COMS無) I/O DISPLAY 10青苗學班B主控的內部工作原理11青苗學班B四、組件與結構3017鏡頭(LENS)12青苗學班B四、組件與結構1.0 LENS（鏡頭）一般CAMERA的鏡頭結構是有幾片透鏡組成，分有

8、塑膠透鏡(PLASTIC)和玻璃透鏡(GLASS),通常CAMERA 用的鏡頭結構有：1P,2P,1G1P,1G3P,2G2P,4G等。透鏡越多，成本越高；玻璃透鏡比塑膠透鏡貴，但是玻璃透鏡的成像效果比塑膠透鏡的成像效果要好。目前市場上針對MOBILE PHONE配置的CAMERA 以 1G3P （1 片玻璃透鏡和3 片塑膠透鏡組成）為主，目的是降低成本。13青苗學班B四、組件與結構CMOS傳感器14青苗學班B四、組件與結構7670傳感器(SENSOR)15青苗學班B四、組件與結構2.0 SENSOR （圖象傳感器）圖像傳感器（ SENSOR）是一種半導體芯片，其表面包含有幾十萬到幾百萬的光電

9、二極管。光電二極管受到光照射時，就會產生電荷。目前的SENSOR類型有兩種：CCD （ Charge Couple Device)，電荷耦合器件CMOS （Complementary Metal Oxide Semiconductor），互補金屬氧化物 16青苗學班B四、組件與結構CCD 組件與結構結構 CCD 結構一般分為三層：第一層“LENS”CAMERA的成像關鍵在于SENSOR，為了擴大CCD 的采光率必須擴大單一象素的受光面積，在提高采光率的同時會導致畫面質量下降。LENS 就是相當于在SENSOR前面增加一副眼鏡SENSOR的采光率就不是由SENSOR的開口面積決定而是由LENS

10、的表面積決定。第二層“ 分色濾色片”目前分色濾色片有兩種分色方法：A. RGB原色分色法，就是三原色分色法，幾乎所有的人類眼睛可以識別的顏色都可以通過R.G.B 來組成， RGB 就是通過這三個通道的顏色調節(jié)而成。B. CMYK 補色分色法，由四個通道的顏色配合而成，分別是青（C ）、洋紅（M）、黃（Y ）、黑（K ），但是調節(jié)出來的顏色不如 RGB 的顏色多。第三層“ 感光層（SENSOR ）”CCD 的第三層是處理芯片（SENSOR，SENSOR主要是將穿過濾色層的光源轉換成電子信號，并將信號傳送到影像DSP ），將影像還原。17青苗學班B四、組件與結構CCD與CMOS的差異A. 總體比較

11、CCD 的優(yōu)點是靈敏度高，噪音小，信噪比大。但是生產工藝復雜、成本高、功耗高。CMOS 的優(yōu)點是集成度高（將AADC 與訊號處理器整合，可以大幅縮小體積） 、功耗低、成本低。但是噪音比較大、靈敏度較低、對光源要求高。B. 成像效果在相同像素下CCD 的成像往往通透性、明銳度都很好，色彩還原、曝光可以保證基本準確。CMOS 的產品往往通透性一般，對實物的色彩還原能力偏弱，曝光也都不太好。在采用CMOS 為感光元器件的產品中，通過采用影像光源自動增益補強技術，自動亮度、白平衡控制技術， 色飽和度、對比度、邊緣增強以及伽馬矯正等先進的影像控制技術，完全可以達到與CCD 攝像頭相媲美的效果。18青苗學

12、班B四、組件與結構C. 功耗比較CCD 功耗比較高，為使電荷傳輸順暢，噪聲降低，需要高壓差改善傳輸效果；另外由于CCD 無法ADC和訊號處理器，導致需要使用34組電源。CMOS 功耗比較低，不到CCD 的1/3 ，CMOS 影像傳感器將每一畫素的電荷轉換成電壓，讀取前就將其放大，利用 3.3V 的電源即可驅動，只需要一組電源。19青苗學班B四、組件與結構以GC0307傳感器為例介紹20青苗學班B四、組件與結構2.外圍電路說明GC0307芯片只需要單電源供電，DVDD28 = 2.8V，其余電源VDD18，AVDD25 及數(shù)字參考電源 VREF 管腳在模組內部通過電容接地。不需要引出到模組連接器

13、。電源上加如圖示 C1、C2、C3，C4 濾波電容，容值均為 0.1uF。電容擺放時盡量靠近 Pin 腳。RESET pin 沒有引出，由芯片內部控制。SBCL/SBDA pin 內部已有上拉電阻，系統(tǒng)板可以不加上拉電阻。21青苗學班B四、組件與結構管腳說明 :管腳號 名稱 管腳類型 功能/說明 A1 AVDD25 電源 模擬電路電壓，內部產生，通過0.1F或1uF 的電容接地 A2 VREF 電源 數(shù)字參考電源，通過 0.1F 的電容接地 A3 SBDA 輸入/出 串行通訊口數(shù)據(jù)線 A4 SBCL 輸入 串行通訊口時鐘線 A5 D7 輸出 YUV/RGB 輸出位7 B1 GND 電源 模擬/

14、數(shù)字地B2 PWDN 輸入 0：正常模式;1：省電模式B3 HSYNC 輸出 HREF 輸出B4 D6 輸出 YUV/RGB 輸出位6 B5 D5 輸出 YUV/RGB 輸出位5 C1 VSYNC 輸出 VSYNC 輸出C2 D0 輸出 YUV/RGB 輸出位0 C3 D3 輸出 YUV/RGB 輸出位3 C4 D4 輸出 YUV/RGB 輸出位4 C5 PCLK 輸出 Pixel 時鐘輸出D1 DVDD28 電源 主供電電源 2.8V，通過 0.1F 或 1uF 的電容接地D2 D1 輸出 YUV/RGB 輸出位1 D3 D2 輸出 YUV/RGB 輸出位2 D4 DVDD18 電源 數(shù)字電

15、路電源，1.8V，內部產生，通過 0.1F或 1uF 的電容接地D5 IN_CLK 輸入 系統(tǒng)時鐘輸入*D7:0 8 位 YUV 或 RGB 數(shù)據(jù)（D7MSB， D0 LSB）*Reset 內部拉高，外部沒有 PIN 腳引出22青苗學班B四、組件與結構使用技巧使用攝像頭，尤其是采用CMOS 芯片的產品時就更應該注重技巧：A.不要在逆光環(huán)境下使用（這點CCD 同），尤其不要直接指向太陽，否則“ 放大鏡燒螞蟻” 的慘劇就會發(fā)生在您的攝像頭上。B.環(huán)境光線不要太弱，否則直接影響成像質量?？朔@種困難有兩種辦法，一是加強周圍亮度，二是選擇要求最小照明度小的產品，現(xiàn)在有些攝像頭已經可以達到5lux 。C

16、.要注意的是合理使用鏡頭變焦，不要小瞧這點，通過正確的調整，攝像頭也同樣可以擁有拍攝芯片的功能。受市場情況及市場發(fā)展等情況的限制，攝像頭采用CCD 圖像傳感器的廠商為數(shù)不多，主要原因是采用CCD 圖像傳感器成本高的影響。在MOBILE PHONE、電腦上使用的CAMREA還是以CMOS 為主，不僅是價格而且體積也是影響在MOBILE PHONE上使用CCD CAMERA的另一原因。傳感器(SENSOR)的焊接與拆裝: 一般焊接后的SENSOR要拆卸時,使用高溫風筒350度均勻加熱至焊錫熔化。切記:風筒不可固定在某一部位對吹!23青苗學班B四、組件與結構A/D轉換器轉換器 A/D 轉換器即轉換器

17、即ADC(Analog Digital Converter模擬數(shù)字轉換器模擬數(shù)字轉換器)ADC 的兩個重要指標是轉換速度和量化精度，由于的兩個重要指標是轉換速度和量化精度，由于 CAMERA SYSTEM中高分辨率圖象的象素量龐大，因此對速度轉換器的要求很高。同時中高分辨率圖象的象素量龐大，因此對速度轉換器的要求很高。同時量化精度對應的量化精度對應的ADC 轉換器將每一個象素的亮度和色彩值量化為若干的轉換器將每一個象素的亮度和色彩值量化為若干的等級，這個等級就是等級，這個等級就是 CAMERA 的色彩深度。由于的色彩深度。由于 CMOS 已經具備數(shù)字已經具備數(shù)字化傳輸接口，所以不需要化傳輸接口

18、，所以不需要A/D24青苗學班B四、組件與結構數(shù)字信號處理芯片（數(shù)字信號處理芯片（DSP ） :數(shù)字信號處理芯片數(shù)字信號處理芯片DSP （DIGITAL SIGNAL PROCESSING）功能：主）功能：主要是通過一系列復雜的數(shù)學算法運算，對數(shù)字圖像信號參數(shù)進行優(yōu)化處要是通過一系列復雜的數(shù)學算法運算，對數(shù)字圖像信號參數(shù)進行優(yōu)化處理，并把處理后的信號通過理，并把處理后的信號通過USB 等接口傳到等接口傳到PC 等設備。等設備。DSP 結構框架結構框架:A. ISP（image signal processor）（鏡像信號處理器）（鏡像信號處理器）B. JPEG encoder（JPEG 圖像解

19、碼器）圖像解碼器）C. USB device controller（ USB 設備控制器）設備控制器）25青苗學班B五、技術指標1.0 圖像壓縮方式圖像壓縮方式JPEG ：(joint photographic expert group) 靜態(tài)圖像壓縮方式。一種有損圖像的壓縮方式。壓縮比越大，圖像質量也就越靜態(tài)圖像壓縮方式。一種有損圖像的壓縮方式。壓縮比越大，圖像質量也就越差。當圖像精度要求不高存儲空間有限時，可以選擇這種格式。目前大部分數(shù)差。當圖像精度要求不高存儲空間有限時，可以選擇這種格式。目前大部分數(shù)碼相機都使用碼相機都使用 JPEG 格式。格式。2.0圖像噪音圖像噪音指的是圖像中的雜點

20、干撓。指的是圖像中的雜點干撓。表現(xiàn)為圖像中有固定的彩色雜點。表現(xiàn)為圖像中有固定的彩色雜點。3.0視角視角與人的眼睛成像是相成原理，簡單說就是成像范圍。與人的眼睛成像是相成原理，簡單說就是成像范圍。4.0白平衡處理技術（白平衡處理技術（AWB ）定義：要求在不同色溫環(huán)境下，照白色的物體，屏幕中的圖像應也是白色的。定義：要求在不同色溫環(huán)境下，照白色的物體，屏幕中的圖像應也是白色的。 色溫表示光譜成份，光的顏色。色溫低表示長波光成分多。色溫表示光譜成份，光的顏色。色溫低表示長波光成分多。 當色溫改變時，光源中三基色（紅、綠、藍）的比例會發(fā)生變化，需要調節(jié)三當色溫改變時，光源中三基色（紅、綠、藍）的比

21、例會發(fā)生變化，需要調節(jié)三基色的比例來達到彩色的平衡，這就是白平衡調節(jié)的實際?；谋壤齺磉_到彩色的平衡，這就是白平衡調節(jié)的實際。 圖象傳感器的圖象數(shù)據(jù)被讀取后，系統(tǒng)將對其進行針對鏡頭的邊緣畸變的運算圖象傳感器的圖象數(shù)據(jù)被讀取后，系統(tǒng)將對其進行針對鏡頭的邊緣畸變的運算修正，然后經過壞像處理后被系統(tǒng)送進去進行白平衡處理（在不同的環(huán)境光照修正，然后經過壞像處理后被系統(tǒng)送進去進行白平衡處理（在不同的環(huán)境光照下，人類的眼睛可以把一些下，人類的眼睛可以把一些“白白” 色的物體都看成白色，是因為人眼進行了修色的物體都看成白色，是因為人眼進行了修正。但是正。但是SENSOR沒有這種功能，因此需要對沒有這種功能

22、，因此需要對SENSOR輸出的信號進行一定的輸出的信號進行一定的修正，這就是白平衡處理技術）。修正，這就是白平衡處理技術）。 26青苗學班B五、技術指標5.0電源電源 攝像頭內部需要兩種工作電壓：攝像頭內部需要兩種工作電壓： 3.3V 和和 2.5V ，因此好的攝像頭內部電源，因此好的攝像頭內部電源也是保證攝像頭穩(wěn)定工作的一個因素。也是保證攝像頭穩(wěn)定工作的一個因素。6.0 彩色深度（色彩位數(shù)）彩色深度（色彩位數(shù)）反映對色彩的識別能力和成像的色彩表現(xiàn)能力，就是用多少位的二進制數(shù)反映對色彩的識別能力和成像的色彩表現(xiàn)能力，就是用多少位的二進制數(shù)字來記錄三種原色。字來記錄三種原色。 實際就是實際就是A

23、/D 轉換器的量化精度，是指將信號分成多少個等級，常用色彩轉換器的量化精度，是指將信號分成多少個等級，常用色彩位數(shù)（位數(shù)（bit ）表示。彩色深度越高，獲得的影像色彩就越艷麗動人。）表示。彩色深度越高，獲得的影像色彩就越艷麗動人。非專業(yè)的非專業(yè)的SENSOR一般是一般是24 位；專業(yè)型位；專業(yè)型SENSOR至少是至少是 36 位的。位的。24 位的位的SENSOR，感光單元能記錄的光亮度值最多有，感光單元能記錄的光亮度值最多有28=256 級，每級，每一種原色用一個一種原色用一個8 位的二進制數(shù)字來記錄，最多記錄的色彩是位的二進制數(shù)字來記錄，最多記錄的色彩是256 256 256 約約16 ，77 萬種。萬種。36 位的位的SENSOR，感光單元能記錄的光亮度值最多有，感光單元能記錄的光亮度值最多有212=4096級，每一種原色用一個級，每一種原色用一個12 位的二進制數(shù)字來記位的二進制數(shù)字來記錄，最多記錄的色彩是錄，最多記錄的色彩是4096 4096 4096 約約68.7 億種。億種。27青苗學班B五、技術指標7.0輸出/輸入接口(IO)串行接口（串行接口（ RS232/422）:傳輸速率慢，為傳輸速率慢，為115kbit/s并行接口（并行接口（PP ）：速率可以達到）：速率可以達到1Mbit/s紅外接口（紅外接口（IrDA ）：速率也是）：速率也是115kbit/s，一般筆