谈电脑摄像头和它的工作原理

　　逗你玩的30帧/秒　　谎言：“影像捕捉速率：每秒30帧”

　　“影像捕捉速率：每秒30帧”这句话本身没有错，问题就出在它没有把话说完，如果是30万像素的摄像头，在分辨率为320×280的时候，能达到30帧/秒的速度，这个时候我们看图像应该是没有明显的延迟现象的。将分辨率调到30万像素摄像头能支持的最大分辨率640×480的时候，帧数也只有大约11帧/秒。 要保证摄像头在高分辨率下也能有高的帧数，至少首先要满足接口为USB2.0这个重要条件，就30万像素的摄像头而言，如果在640×480的分辨率下要达到30帧/秒，至少需要接口有27Mbps的带宽，而目前大多数的摄像头采用的还是USB1.1接口，仅能提供12Mbps的带宽。

　　其次就算是摄像头采用了USB2.0的接口，要用130万像素的摄像头在达1280×960的分辨率下达到30帧也是不现实的，因为现在摄像头的硬件压缩技术还没发展到这个地步，也无法在主流的电脑上通过软件进行实时地视频压缩。所以，每秒30帧的说法只是个来蒙蔽你眼睛的障眼法而已。

　　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（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。

　　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。

　　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（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。

　　摄像头，像眼球

　　了解摄像头，首先就要了解它的工作原理。为了方便大家理解，我们拿人的眼睛来打个比方。当光线照射景物，景物上的光线反射通过人的晶状体聚焦，在视网膜上就可以形成图像，然后视网膜的神经感知到图像将信息传到大脑，我们就能看见东西了。摄像头成像的原理和这个过程非常相似，光线照射景物，景物上的光线反射通过镜头聚焦，CMOS就会感知到图像。图像信息通过PCB板传到摄像头的“大脑”——DSP芯片，经过芯片处理后的信息经过USB线传输就让我们看见摄像头“看见”的物体了。

眼球结构图

　　从这个工作过程，我们可以分析出摄像头几个关键部分：镜头、CMOS、DSP芯片。所以我们在购买时也应该注意这几个点。镜头分为塑料、玻璃、玻璃塑料混合三种，玻璃的透光度最佳，但成本也高，一般来说玻璃摄像头会镀膜以增加亮度；而塑料和玻璃塑料混合则不会镀膜，为的是减少成本。COMS和DSP芯片搭配我们称之为方案，中星微的DSP芯片市场占有量相当大，性能和质量都也被大家所认可，CMOS方面则以镁光的为主，而且大多数方案都是经过测试，制定好了的，所以大家挑选时只注意一下芯片品牌就可以了。

　　*小知识：我们常说的摄像头传感器相当于传统相机的胶片，传感器是摄像头的核心，也是最关键的技术，它是一种用来接收通过镜头的光线，并且将这些光信号转换成为电信号的装置。目前摄像头的核心成像部件有两种：一种是CMOS（互补金属氧化物导体）器件，多用在摄像头上，另一种是CCD（电荷藕合）元件，多见于数码相机中。

　　免驱在手，懒人不愁

　　有人会问：“免驱、免驱就是免去驱动吧？”不准确。严格来说免驱并不是真正不需要驱动，只是驱动程序不用自己去安装罢了。要实现免驱，需要摄像头和操作系统达成某个协议，协议早就准备妥当，它叫UVC即USB Video Class，是USB组织定义的视频设备类标准协议。Windows XP SP2以上操作系统也支持这个协议，实现免驱只需要厂家做出满足这个协议的摄像头就可以了。所以摄像头免驱功能出现也有点万事俱备，只欠东风的味道。　　

　　另外，市场上也有一些冒充“免驱”的产品，它们只能在Windows Vista系统下实现无驱，而在其他Windows系统下仍然需要安装驱动。这些产品只是利用了更新的操作系统支持更多的硬件这一特点来实现“免驱”，不是真正通过支持UVC协议来实现的。

　　亮度不足，背光补

　　我们在使用摄像头时，常常会觉得画面中的自己不够亮，美丽指数大跌。为了还我“亮”色，厂家们也就开发出了背光补偿功能。背光补偿有效地弥补了摄像头在逆光环境下拍摄时画面主体黑暗的缺陷。为了解释背光补偿，我们还是用眼睛的例子吧，光线越充足,我们看东西很容易看清楚，因此所需的看清物体所需时间越短；光线不足的状况下,我们看东西就很费力，因此所需的时间就越长，这里指的时间，专业点就是曝光时间。摄像头方面也很类似，当外界光线较弱时,CMOS成像芯片工作电流较小,所成图像偏暗,这时就要让摄像头多“看”一会儿（增加曝光时间）达到背光补偿的效果；同理，光线充足或较强时,要适当减少曝光时间,防止曝光过度图像发白。