第一章摄像头的基本结构

详解摄像头的构造详解摄像头的构造一、摄像头简介摄像头(CAMERA)又称为电脑相机、电脑眼等，它作为一种视频输入设备，在过去被广泛的运用于视频会议、远程医疗及实时监控等方面。

近年以来，随着互联网技术的发展，网络速度的不断提高，再加上感光成像器件技术的成熟并大量用于摄像头的制造上，这使得它的价格降到普通人可以承受的水平。

普通的人也可以彼此通过摄像头在网络进行有影像、有声音的交谈和沟通，另外，人们还可以将其用于当前各种流行的数码影像、影音处理。

二、摄像头的分类摄像头分为数字摄像头和模拟摄像头两大类。

模拟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。

现在电脑市场上的摄像头基本以数字摄像头为主，而数字摄像头中又以使用新型数据传输接口的 USB 数字摄像头为主，目前市场上可见的大部分都是这种产品。

除此之外还有一种与视频采集卡配合使用的产品，但目前还不是主流。

由于个人电脑的迅速普及，模拟摄像头的整体成本较高等原因， USB 接口的传输速度远远高于串口、并口的速度，因此现在市场热点主要是 USB 接口的数字摄像头。

以下主要是指 USB 接口的数字摄像头。

三、摄像头的工作原理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)中加工处理，再通过 U SB 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(DIGITALSIGNAL PROCESSING)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。

一、摄像头结构和工作原理.拍摄景物通过镜头，将生成的光学图像投射到传感器上，然后光学图像被转换成电信号，电信号再经过模数转换变为数字信号，数字信号经过DSP加工处理，再被送到电脑中进行处理，最终转换成手机屏幕上能够看到的图像。

数字信号处理芯片DSP(DIGITAL SIGNAL PROCESSING)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。

DSP结构框架:1. ISP(image signal processor)(镜像信号处理器)2. JPEG encoder(JPEG图像解码器)3. USB device controller(USB设备控制器)常见的摄像头传感器类型主要有两种，一种是CCD传感器（Chagre Couled Device），即电荷耦合器。

一种是CMOS传感器（Complementary Metal­Oxide Semiconductor）即互补性金属氧化物半导体。

CCD的优势在于成像质量好，但是制造工艺复杂，成本高昂，且耗电高。

在相同分辨率下，CMOS价格比CCD便宜，但图像质量相比CCD来说要低一些。

CMOS影像传感器相对CCD具有耗电低的优势，加上随着工艺技术的进步，CMOS的画质水平也不断地在提高，所以目前市面上的手机摄像头都采用CMOS传感器。

手机摄像头的简单结构滤光片有两大功用: 1.滤除红外线。

滤除对可见光有干扰的红外光，使成像效果更清晰。

2.修整进来的光线。

感光芯片由感光体(CELL)构成,最好的光线是直射进来,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.二、相关参数和名词1、常见图像格式1.1 RGB格式：传统的红绿蓝格式，比如RGB565，RGB888，其16­bit数据格式为5­bit R + 6­bit G + 5­bit B。

第二章摄像机的基本结构和原理（2012年2月29日星期三）第一节摄像机的原理及分类一、摄像机的基本结构和原理：1、基本结构：通常摄像机是由光学系统，光电转换系统，图像信号处理系统，自动控制系统组成。

（其中，自动控制系统包括白平衡调整、自动光圈调整、自动变焦、自动增益、自动聚焦等装置。

光学系统由变焦镜头、红绿蓝分光系统、滤色片组成，这里主要指的是镜头。

光电转换系统主要由CCD 或摄像管构成）另外摄像机还有一些附属部件，主要有录像机、彩条信号发生器、寻像器、电源等。

2、基本原理：通过摄像机光学系统对光学图像（光能）的摄取，经过分光、滤色等过程，可以得到成像于摄像器材（如CCD）靶面上的红绿蓝三幅基色光像。

再由摄像器械（如CCD）为主体的光电转换系统，将成像于靶面上光像转换成电信号，然后经图象信号处理系统放大、校正和处理并同时完成信号编码工作记录在磁带或存储卡上，最终形成彩色全电视信号输出。

光—电—磁—电视信号（电、光）二、摄像机的分类和发展从不同的角度出发，摄像机不同的分类方法，以下我们介绍几种常见的摄像机分类方法：1、按质量分类：家用级、专业级、广播级。

（1）广播级，摄像机的各项技术指标最优，图像质量最好，适合各级电视台、电视传媒使用。

一般要求其水平方向分解力达550线，垂直方向分解力达575线，信噪比达54 分贝以上，在允许的工作范围内达到较低失真或无失真。

价格比其他类型的摄像机昂贵，体积大，重量也比较重。

索尼的BETACAM 系列、BETACAMS—X 系列，松下的DVCPR0050系列，JVC的数字D —9格式的产品都属于广播级的摄像机。

（2）业务级，图像质量较好，一般用于各单位的闭路系统中，多见于广播电视以外的专业领域。

其清晰度达450线以上，信噪比达50 分贝以上（信噪比：signal-to-noiseratio 信号杂讯比，信噪比是信号电压对于噪声电压的比值，通常用符号s/n 来表示。

摄像机的基本结构和原理摄像机是一种用于捕捉和记录视频图像的设备。

它可以使用光学和电子技术将图像转化为电信号，并将其保存在磁带、光盘、硬盘或存储芯片中进行长期保存或传输。

摄像机的基本结构和原理是由光学部分和电子部分组成的。

光学部分是指摄像机中的镜头系统，它负责对光进行聚焦、调节光圈和光的传递。

镜头系统主要由透镜、光圈控制和取景器组成。

透镜是摄像机的重要组成部分之一，它主要负责将光线聚焦到图像传感器上。

透镜的主要参数有焦距、景深和光圈大小。

焦距决定了被摄对象的大小和距离，景深决定了被摄对象的清晰度和背景的模糊程度，光圈大小则决定了摄影的暗度。

光圈控制是用于调节透镜通光量的机构，它可以通过增大或减小光圈孔径来调节进光的数量。

光圈大小的调节直接影响曝光量，通过控制进光量，使图像的亮度达到适宜的程度。

取景器是摄像机上用于观看所拍摄内容的装置，它可以是光学取景器或电子取景器。

光学取景器利用透镜和镜头进行实时观察，电子取景器则是利用图像传感器捕捉的光信号转化为视频信号，实时显示在液晶显示屏上，方便摄影师进行实时预览。

电子部分是指摄像机内部的电路和芯片，主要负责图像采集、处理和信号输出。

电子部分主要由图像传感器、信号处理器和编码器组成。

图像传感器是摄像机中最关键的组件之一，它负责将光信号转化为电信号。

根据不同的工作原理，主要有CCD（电荷耦合器件）和CMOS（互补金属氧化物半导体）两种类型。

CCD传感器具有高灵敏度和低噪声优点，适用于需要高质量画面的摄像机；而CMOS传感器则具有低功耗和高速度的优点，适用于便携式和低成本的摄像机。

信号处理器负责对从图像传感器传输过来的模拟信号进行处理和转换，将其转化为数字信号并进行色彩校正、去噪和增强等处理，以便进一步处理和存储。

编码器负责将处理后的数字信号进行压缩编码，以便于存储和传输。

常用的编码格式有MPEG-2、MPEG-4和H.264等，根据不同的应用需求选择不同的编码格式。

摄像头工作原理详解
摄像头是一个用于捕捉图像和视频的设备，它利用光学技术和传感器来捕捉光信号并转化为电信号。

摄像头的基本工作原理如下：
1. 光学组件：摄像头的光学组件由多个镜头和透镜组成。

镜头负责聚焦光线，使其聚集到感光元件上。

透镜可根据需要进行调整，以改变镜头的焦距和视场。

2. 图像传感器：感光元件是摄像头最重要的部分。

主要的感光元件有两种类型：CCD（电荷耦合器件）和CMOS（互补金
属氧化物半导体）。

这些感光元件能够将光线转换为电荷或电压信号。

3. 色彩滤光片：为了获得彩色图像，摄像头通常附带一个色彩滤光片阵列（通常使用Bayer模式）。

这个滤片阵列可以过滤
不同波长的光线，使摄像头可以获取红、绿和蓝三个颜色的信息。

4. 数字转换：摄像头接收到的模拟电信号需要转换成数字信号，以便通过电缆或其他方式传输给显示设备或计算机。

为了完成这一过程，摄像头内部会有一个模数转换器（ADC），它将
模拟信号转化为数字信号。

5. 控制电路和接口：摄像头通常还有一些控制电路和接口，用于调整图像质量、对焦、曝光等参数。

这些电路和接口还能与
计算机或其他设备进行通信，以实现图像的捕捉、传输和处理。

综上所述，摄像头是通过将光线转换为电信号，并经过一系列的转换和处理，最终将图像传输到显示设备或计算机。

它的工作原理主要包括光学组件聚焦光线、感光元件转换光信号、数字转换和控制电路和接口等部分的协同工作。

摄影技术照相机的基本结构第⼆讲照相机的基本结构和使⽤⼀、照相机的基本结构照相机是由机⾝、暗箱、镜头、光圈、快门、取景器、对焦装置、测光装置、卷⽚器、记数器、⾃拍装置等组成的。

如果拆卸掉任何照相机的电⼦装置和⾃动化部件，你就会看到如下相同的基本结构：⼀只遮光外壳的⼀端有⼀孔⽳，⽤以安装镜头，孔⽳的对⾯有⼀容⽚器，⽤以承装⼀段感光胶⽚。

被摄体的反射光经过镜头照射在⼀⾯呈45度⾓的反光镜上，然后光线向上反射透过聚焦屏进⼊五棱镜，光线在此经由安装在后部的取景窗透射出照相机。

图1-1所⽰⼆、照相机的组成部分1、机⾝机⾝是照相机的主体，镜头和许多装置要安装在机⾝上。

2、暗箱有的照相机⽪腔是暗箱，但⼤部分照相机的暗箱与机⾝已互为⼀体。

暗箱应为全⿊不透光。

3、镜头镜头是照相机成像的关键部件。

镜头是由透镜构成的，透镜⽚数与组数的多少，决定着镜头的质量与优劣。

景物通过镜头所成之像是上下倒置、左右相反的。

4、光圈光圈是由⼏⽚可以灵活调节的⾦属叶⽚组成，是装在镜头中间控制镜头通过光线的多少的装置，光圈开⼤时，通光量就多，缩⼩时，通光量就少。

从⼤到⼩依次排列的档次为：1.4、2、2.8、4、5.6、8、11、16、22等。

调节光圈⼤⼩是靠镜头筒上的光圈调节环来完成的。

图1-2所⽰调节光圈⼤⼩；图1-3所⽰光圈与通光量的关系。

5、快门快门是照相机⽤来控制胶⽚曝光时间长短的装置。

快门有两种：⼀种装在镜头的镜⽚之间，叫镜间快门；⼀种装在暗箱⾥胶⽚前⾯，叫焦平⾯快门，也叫幕帘快门。

快门时间是指从开启到关闭的间隔时间，也就是曝光的有效时间。

为了使⽤⽅便，照相机把快门的有效时间定为1秒、1/2秒、1/4秒、1/8秒、1/15秒、1/30秒、1/60秒、1/125秒、1/250秒、1/500秒、1/1000秒……使⽤中我们把快门时间在1/30秒以下的如1/15秒、1/8秒、1/4秒、1/2秒、1秒、通称为慢门，或叫低速挡，把1/250秒以上的包括1/250秒、1/500秒、1/1000秒叫⾼速挡，把1/60秒、1/125秒叫做中速挡。

摄像机的组成部分摄像机摄录机由哪几个基本部分组成摄像机是将景物光像变成电视信号的光电转换设备;图1-1为三管摄像机的组成示意图;可以看出,摄像机主要由光学机构、摄像器件、电路处理和自动调整系统摄像电路单元、录像电路单元、录像器、机械系统等部分组成;根据三基色原理,摄像机将彩色景物的光像通过光学机构分解为红R、绿G、蓝B3种基色光信号,通过光电变换器件转换为电信与,然后经预放、处理、编码成彩色全电视信号;摄录一体机通常又称为摄像机将编码输出的信号再经录像部分电路系统放大、变换等处理后,通过轴向旋转磁头记录在磁带上或通过径向移动磁头记录在硬盘上;6、摄像机光学机构的主要功能是什么摄像机光学系统机构主要有3个功能：景物成像、基色分光和色温校正;景物成像景物成像由变焦距镜头来完成;它是一种任意改变焦距,使放大率或视场角改变,而成像面的们置之不理固定不变的镜头;利用这种镜头,可以使摄像机在固定的位置对所摄图像的取景大小连续变化,增强艺术效果;变焦距镜头由调焦组、变焦组、补偿组、后固定组等多种组合透镜组成,每组透镜又由多个不曲率、不同材料的透镜片组成,以便较正镜头机构中的像差和色差;对于CCG摄像机,在色温滤色片和分色棱镜间应加进行红外滤波器,滤除红外线,防止干扰;调焦组的作用是微调焦距,使一定距离的被摄物体在光电靶面上成像清晰;变焦组的镜片移动改变镜头焦距,从而改变成像大小即图像放大率;一般变焦镜头的光学变焦倍数可达6~22倍,更大的变焦倍数就不是光学变焦,而是要增加数码变焦;补偿组的作用是在改变焦距时,与变焦组镜片按一定规律同时移动固定成像的前后位置,保证变焦时始终成像在靶面上,使图像清晰度不变;光圈即光阑孔径可调,控制通过镜头的进光量;后固定组即物镜组可将镜头成像面后移一段距离,以便在镜头和摄像器件之间加入分光棱镜,同时保证像高不超出靶面;后固定组内还可安装扩展镜倍率镜,以增大图像放大率;基色分光彩色摄像机镜头的基色分光由分色棱镜来完成;它由R、B、C3部分棱镜系统依次粘合,并在每块棱镜前后界面分别蒸涂不同厚度介质的干涉膜;当光线照射到R棱镜界面上时,红光R反射出来,其他光透过;反射出来的红光再给全反射界面、谱带校正片射入R摄像管;透过R棱镜界面的光到达B棱镜界面时,蓝光B反射出来,余下的G光透过,反射出来的B光再通过全反射界面、谱带校正片到达B摄像管; 透过的G光经谱带校正片后到达G摄像管;光线在介质中所走的路程与介质折射率的乘积叫做光程,R、G、B3路光程应严格一致;另外,经谱带校正片校正后的R、G、B光谱带应符合接收端显示器荧光屏的基本要求;色温校正任何物体加热后都发光,加热温度不同,辐射的光谱分布也不同;为比较不同光源的光谱特性,通常选绝对黑体能完全吸收人射光的黑体作为比较标准;所谓色温是指热辐射光源可见光连续光门类特性曲线与绝对黑体在某一绝对温度下辐射光等长功臣率特性曲线的对应关系;光源的色温并非光源的实际温度,而是光源连续光强的颜色与黑体在某一绝对温度下辐射光的颜色的对应关系,是用以表示光源光谱特性的一个参量;自然界的各种景物的色彩,不仅与景物表面的反射或透射率有关,而且与照明光源的色温取决于光谱成分有关;热辐射光源如卤钨灯等释放高温能量时产生连续光谱,重现彩色较好;如果光源如氙灯等辐射光谱不连续,重显彩色会发生畸变,显色性较差,一般不宜作为摄像照明光源;彩色电视中常用标准光源的色温如表1-1所示;彩色摄像机在不同的光源照明下拍摄同一景物时,屏幕上重现图像的彩色也不同即出现彩色失真;要想在不同色温的光源下拍摄的景物重现时不偏色,必须对实际光源的色温加以校正;色温校正的办法是在变焦距镜头和色湿棱镜之间加入几片不同色温的校正滤色片,利用它的光谱响应特性,来校正因光源色温不同而引起的重现彩色失真;由于光源色温是连续变化的,仅靠几挡色温片是无法准确校正色温的,所选滤色片只能是粗校,准确校正还要靠自动白平衡电路来完成;分色棱镜的光谱特性都是按3200K室内照明色湿设计的;这实际上是收方按显像荧光粉白色标准重组彩色时,对发方摄像机光谱特性提出的要求,这样的色温滤色片是无色透明的即可以不要;若光源色温偏高如4800K,光谱中蓝光成分偏多,则用浅橘黄色4800K的色温片来抵消蓝光成分,保持总的光谱特性不变,使到靶面上的光线的色温为3200K;反之,则用偏青的滤色片校正;通常色温校正滤色片分为4片档：一片为盲片,关闭光线,停机时保护摄像机用；一片为通片,即3200K场合；一片为5600K+1/4ND；还有一片为5600K;4种片装在一个圆盘上供转换淘汰的色温时选取择使用;1/4DN表示透光率为1/4的中性滤色减片,对各种光谱减光都相同,供强光照明时减小光照强度而又不减小光圈情况下使用;常用中性滤色片的透光率还有100%、25%、%、10%、%等几种;一些新型摄像机上不设色温校正片,只设白平衡电路;7、摄像机光电变换器件主要有哪些种类摄像器件是电视摄像机的心脏,其主要作用是利用某种光电效应,使输入的景物光像转换成电视图像信号;按信号电流的读出方式,摄像器件可分电子束摄像管和固体摄像器件2类;电子束摄像管电子束摄像管多指慢束扫描按光敏靶的种类又大体分为3类：一类是经光照后固体内部电导率变化而产生电荷,具有内光电效应的光电导摄像管又称视像管,例如,硫化锑管Vidicon、氧化铝管Plumbicon 或Lsoxon、硒砷碲管Saticon、硒化镉管Chslnixon、碲化锌镉即纽比康管Newvixon、硅靶管Sidxon等;这类管子过去使用最多,也是摄像管的基础;另一类是光电面受光照射后在真空中发射光电子,产生外光电效应的光电发射式摄像管或称移像管,例如,超正析摄像管Super orthixon、分流摄像管Isoxon、硅增强靶摄像管、次级电子导电摄像管等;还有一类是特殊型摄像管,这类管靶实际是不可见电磁辐射如红外射、紫外线、X射线或超声波的图像传感器;固体摄像器件摄像器件应同时具有光电转换和扫描2种功能;某些固体摄像器件将摄像管、聚焦和偏转线圈以及前置放大器等融为一体,使同一器件同时具有光电转换,扫描和放大能力,这是电子束摄像管无法比拟的;固体器件的光电转换是利用某种光电效应,使之产生与光输入相对应的电荷,这些电荷暂时存贮在构成像素的微小电容内,然后扫描读出;其固体扫描方式有XY寻址、信号转移和诱发转移3种;XY寻址方式的代表性器件有MOS、CID型等；信号转移方式有行间转移IT、帧间转移FT和帧-行间转移FIT方式等；诱发转移方式有CPD型等;特殊摄像管当被摄体不能用可见光照明,或者要收集人眼看不到的某些媒体信息的时候,就需使用特殊摄像管;可见光以外的电磁波虽然人眼看不到,但它具有荧光、感光、热效应以及穿透力较强等特性,利用电磁波的这些特性就可以得到物体内部的某些信息;例如,热电靶视像管采用对红外线辐射敏感的靶面材料,用对红外线透明的锗窗面板来取代光学玻璃面板等;这样,就可以将可见光以外的红外线信息变换为可视图像,用于夜间侦察、森林防火、医疗诊断、科学研究等;。

摄像头工作原理摄像头是一种用于捕捉图像和视频的设备，广泛应用于安防监控、摄影、视频通话等领域。

它通过光学和电子技术实现图像的采集和传输。

在本文中，我们将详细介绍摄像头的工作原理。

1. 摄像头的组成部分摄像头主要由以下几个组成部分构成：1.1 透镜系统：透镜系统负责将光线聚焦到传感器上，通常由多个透镜组成，以实现对焦和光学变焦等功能。

1.2 图像传感器：图像传感器是摄像头的核心部件，负责将光信号转换为电信号。

常见的图像传感器有CCD（电荷耦合器件）和CMOS（互补金属氧化物半导体）两种类型。

1.3 信号处理器：信号处理器负责对图像传感器采集到的电信号进行处理和优化，包括增强图像质量、去噪、调整亮度和对比度等。

1.4 接口：摄像头通常通过USB、HDMI、网络等接口与计算机或其他设备连接，以传输图像和控制命令。

2. 摄像头的工作原理2.1 光学成像：当光线通过透镜系统进入摄像头时，透镜会将光线聚焦到图像传感器上。

透镜的形状和位置决定了成像的特性，如视角、景深和畸变等。

2.2 光电转换：图像传感器接收到通过透镜系统聚焦的光线后，会将光信号转换为电信号。

在CCD传感器中，光信号会通过光电二极管转换为电荷，然后通过电荷耦合器件传输到输出端。

而在CMOS传感器中，光信号直接通过像素电路转换为电信号。

2.3 信号处理：传感器输出的电信号经过信号处理器进行放大、去噪和色彩校正等处理，以提高图像质量。

信号处理器还可以根据设定的参数调整图像的亮度、对比度和饱和度等。

2.4 数据传输：处理后的图像数据通过摄像头的接口传输到计算机或其他设备。

传输方式可以是有线的（如USB、HDMI）或无线的（如Wi-Fi、蓝牙）。

3. 摄像头的工作模式摄像头可以根据工作模式的不同分为实时模式和存储模式。

3.1 实时模式：在实时模式下，摄像头将采集到的图像通过接口实时传输到计算机或其他设备上显示或处理。

这种模式适用于视频通话、监控等需要实时观察图像的场景。