微型攝像頭

1991年, 世界第一支攝像頭(稱為 CoffeeCam)，首度出現在英國劍橋大學的泰賈屋咖啡店 (Trojan room coffee pot)。

最古老的攝像頭, 是舊金山州立大學(San Francisco State University)的 FogCam, 自1994年使用至今

1996年, AXIS Communications 發表第一支利用互聯網架構做為信號傳輸基礎的攝像頭(IP Camera)。

1999年, AXIS Communications發表以Linux系統為平台的攝像頭(IP Camera) 。

攝像頭的感光組件類型有：

CCD

圖像傳感器有CMOS和CCD兩種模式。CMOS既互補性金屬氧化物半導體，CMOS主要是利用硅和鍺這兩種元素所做成的半導體，通過CMOS上帶負電和帶正電的晶體管來實現基本的功能的。這兩個互補效應所產生的電流即可被處理芯片記錄和解讀成圖像。CMOS針對CCD最主要的優勢就是非常省電。不像由二級管組成的CCDCMOS電路幾乎沒有靜態電量消耗。這就使得CMOS的耗電量只有普通CCD的1/3左右，CMOS重要問題是在處理快速變換的圖像時，由於電流變換過於頻繁而過熱。暗電流抑制的好就問題不大，如果抑制的不好就十分容易出現點。

CCD圖像傳感器由在單晶硅基片上呈二維排列的光電二級管及其傳輸電路構成。光電二極管把光轉化成電荷，再經轉化電路傳送和輸出。通常，傳送優良圖像質量的設備都採用CCD圖像傳感器，而注重功耗和成本的產品則選擇CMOS圖像傳感器。但新的技術正在克服每種器體固有的弱點，同時保留了適合於特定用途的某些特性。這一部分與模擬攝像機相同。聲音傳感器即拾聲器或叫麥克風，與傳統的話筒原理一樣。 目前有不少新式的攝像頭已可支持 multi-megapixel 的分辨率, 某些攝影鏡頭更擁有高幀率, 像是 PlayStation Eye, 可以產生 320×240 ，每秒 120 幀(frames)。

事實上，人們通常所説的針孔攝像機，用的並不是針孔鏡頭。針孔鏡頭是指利用小孔成像原理來得到影像的鏡頭，它造價低廉，原理簡單，但它的致命弱點是透過小孔的光線太少，而導致曝光時間過長。在陽光下使用針孔鏡頭拍攝照片需要花幾分鐘到十幾分鍾，尤其是在夜晚拍攝時曝光時間則要長達幾個小時。很顯然，對於每秒鐘要拍攝十幾張到幾十張的攝像機來説，是達不到要求的。針孔鏡頭是無法應用在攝像機上的，因而也就不存在嚴格意義上的“針孔”攝像機。按照習慣的説法，將使用魚眼鏡頭、平面鏡頭或錐形鏡頭的微型攝像機稱之為針孔攝像機。

根據鏡頭來分，針孔攝像頭的鏡頭可分為有魚眼鏡頭、平面鏡頭和錐形鏡頭三種；根據使用的感光元件來分，可分為電荷耦合元件（Charge Coupled Device，CCD）和互補性氧化金屬半導體（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，CMOS）兩種；而按照數據傳輸方式來分類，又可以分成無線攝像機和有線攝像機兩類。

無線設備在國內的無線環境中穩定使用。微型無線監控攝像頭高穩定、高速率、長距離、多點測試的特點。在環境、能源、建築、運輸、醫療、工業機器狀態監測等領域裏均可發揮巨大作用，特別是在佈線複雜、佈線成本高昂、遠距離大範圍傳送數據和移動性需求高時其發揮作用更加明顯。

1、室內裝置形：如音箱、插座、充電器、燈具、畫框。把微型攝像機巧妙地置於這些物品這內，從而達到監視家中環境，保護家中人身財產安全的目的。

2、個人飾品形：手錶、眼鏡、領帶、火機、胸卡。把攝像機做成飾品形狀，可以方便地進行暗訪、採錄。

3、生活用品形：紙巾盒、飲料罐、車鑰匙、電燈開關、排插、鬧鐘、手電。這種形狀的攝像機，可以隨意放置在準備監視的位置，進行監控。

從功能上來區分：

1、普通有線型

2、無線發射型

3、紅外夜視型

4、超遠距離傳輸型

關於針孔攝像機，人們往往會將“偷拍”、“暗訪”、“取證”這樣的詞與它聯繫起來，隨之而來的是強烈的不安全感。然而實際上在大多數情況下，針孔攝像機被應用在保護人們的生命、財產和隱私上，而不是起到相反的作用。特殊的微型攝像機還被應用到醫學領域，用來對人體器官或動物器官檢查。

衡量微型攝像頭的性能，主要看清晰度、色彩還原性、照度、逆光補償，其次要看其微型攝像頭失真、耗電量、最低工作電壓。

調整到最低工作電壓，使用萬用表測量電流，使用小穩壓器調節電壓，計算耗電量。

1 、清晰度的測量。多個微型攝像機進行測試時，應使用相同鏡頭，（推薦使作定焦、二可變鏡頭），以測試卡中心圓出現在監視器屏幕的左右邊為準，清晰準確的數出已給的刻度線共 10 組垂直線和 10 組水平線。分別代表着垂直清晰度和水平清晰度，並相應的一組已給出了線數。如垂直 350 線水平 800 線，此時最好用黑白監視器。測試時可在遠景物聚焦，也可邊測邊聚焦。最好能兩者兼用，可看出此攝像機的差異（對遠近會聚）。

2、微型攝像機彩色還原性的測試。測試此參數應選好的彩色監視器。首先遠距離觀察人物、服飾，看有無顏色失真，拿色彩鮮明的物體對比，看微型攝像機反應靈敏度，拿彩色畫冊放在微型攝像機前，看畫面勾勒得清晰程度，過淡或過濃，再次應對運動的彩色物體進行攝像，看有無彩色拖尾、延滯、模糊等。測試條件如此攝像最代照度在 50V 時應在 50+10V 照度情況下測量，即每微型攝像機最代照度基礎上加十伏，且光圈應保持最接近狀態。

3、照度。將微型攝像機置於暗室，暗室前後為有源 220V 自熾燈，處設調壓器，以調壓器調節電壓高代來調節暗室內燈的明暗，電壓可以從 0V 調到 250V 。室內光照也可從最暗調至最明，測試時把攝像機光圈均開至最大時記錄下一個最低照度值（把有源燈用調壓器調暗至看不清暗室內置畫面）再把光圈打至最小再記錄下一個最低照度值，也可前後燈分別調壓明滅。

圖片(3張)

4 、微型攝像機逆光補償。測試此參數有兩種方法：一種是在暗室內，把攝像機前側調壓燈打開，調至最亮時，然後在燈的下方放置一圖畫或文字，把微型攝像機迎光攝像，看圖像和文字能否看清，畫面刺不刺眼，並調節 AL 、 AX 拔檔開關，看有無變化，哪種效果最好。另一種是在陽光充足的情況下把攝像機向窗外照，此時看圖像和文字能否看清楚。

5 、微型攝像機失真。看微型攝像機失真把測試卡置於攝像機前端使整個球體出現在屏幕上，看圓球形有無橢圓，把攝像機前移，看圓中心有無放大，再遠距離測試邊、角、框有無弧形失真等。

6 、微型攝像機耗電量。最低工作電壓，使用萬用表測量電流，使用小穩壓器調節電壓看。

從攝像頭的工作原理就可以列出攝像頭的主要結構和組件：

1、鏡頭（LENS）

透鏡結構，由幾片透鏡組成,有塑膠透鏡（plastic）或玻璃透鏡（glass）

2、 圖像傳感器（SENSOR）

可以分為兩類：

CCD（charge couple device） ：電荷耦合器件

CMOS（complementary metal oxide semiconductor）：互補金屬氧化物半導體

3、數字信號處理芯片（DSP）

DSP生產廠商較多，市面上較為流行的有： VIMICRO（中星微）301P/L、SONIX（松瀚）102/120/128、ST（羅技LOGITECH的DSP提供商）、SUNPLUS（SUN+重點發展單芯片的CIF和VGA，但圖像質量一般）、PIXART（原相）PAC207單芯片CIF、SQ（倚強）SQ930C等。

4、電源

攝像頭內部需要兩種工作電壓：3.3V和2.5V，最新工藝芯片有用到1.8V。

也有部分攝像頭採用視頻傳輸線同步供電，不必外接電源線。

攝像頭的工作原理大致為：景物通過鏡頭(LENS)生成的光學圖像投射到圖像傳感器表面上，然後轉為電信號，經過A/D(模數轉換)轉換後變為數字圖像信號，再送到數字信號處理芯片(DSP)中加工處理，再通過USB接口傳輸到電腦中處理，通過顯示器就可以看到圖像了。

在圖像處理的嵌入式系統中，由於涉及機器視覺的處理分析，使得對圖像生成工具攝像頭的調試變得比較麻煩。

機器視覺就是用機器代替人眼來對外部環境進行感知並做出測量和判斷。通過成像器件（即圖像攝取裝置，分CMOS和CCD兩種）將被攝取目標轉換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統，根據像素分佈和亮度、顏色等信息，轉變成數字化信號；圖像系統對這些信號進行各種運算來抽取目標的特徵，進而根據判別的結果來控制現場的設備動作。在一些對系統實時動作要求比較高的系統中，人的反應速度和信息處理能力是無法滿足要求的，而機器視覺易於實現信息集成，和計算機控制系統相結合，可以提高系統的自動化程度。

在嵌入式系統中攝像頭調試的目的是使攝像頭的機械和電氣參數在滿足系統要求下能產生質量最高的圖像數據。一個涉及硬件和軟件的成像系統，成像的質量好壞往往受到來自外界干擾和自身限制的很多因素的影響，這些影響會產生噪聲和成像不均勻。來自軟件層面的因素往往是算法的問題，這個層面的問題可以通過理論分析的數學計算解決，來自硬件層面的因素則而要用儀器進行調試，通過實驗測量分析才能解決，由於硬件處理系統底層，所以硬件的質量會直接影響軟件的質量，從而影響最終成像質量。對攝像頭進行調試就是要從硬件層面上儘量消除干擾。

由於嵌入式系統是一個比較廣的概念，所以本文以HCS12作為主控芯片的攝像頭組小車調試為例對調試方法進行介紹。

（一）外部搭設電路連線CRT顯示器

從模擬攝像頭上引出電源、地、信號三根引線，對攝像頭供電，再將視頻信號線接到電視盒視頻輸入接口。電視盒的VGA-OUT接至CRT顯示器，從而實現CRT對經數字化的攝像頭視覺進行顯示。 此種方法為完全硬件層面顯示，提供和人眼視覺完全一樣的顯示效果，對攝像頭安裝和自身物理參數校正具有顯著幫助。

（二）片外擴展LCD液晶

HCS12系列MCU中含有串行外設接口SPI（Serial Peripheral Interface），能實現MCU之間的數據傳輸，且其速度比通過串行異步通信（SCI）方式快。SPI模塊也支持MCU也外圍設備間的雙向、同步、串行通信，實現MCU的外設擴展。

市場上諾基亞3310液晶價格低廉，成像基於二值點陣，顯示模塊為48*84個點列，對相關信息顯示表現為對相應點寫入數據使其呈現不同顏色。

1．顯示字符在系統運行時以字符形式提示系統相關運行參數。每個字符佔用點列8*6，需要6字節數據，完成字符顯示只需在編程對指定位寫入相應數據。由於該液晶模塊本身不帶有字庫，所以在程序開始時要先定義ASCⅡ表字符的液晶顯示點陣數據，即一個大小為N*6字節的二維數組。

2．顯示圖片模擬攝像頭採集的視頻信號經過MCU的A/D數字化後，信息存儲在一個40*70的二維數組中，再將數組二值化，便能在48*84分辨率的液晶模塊中顯示，使開發者實時對攝像頭機器視覺進行觀測。

此種方法為硬件和軟件相結合的顯示方法，能實時跟蹤顯示攝像頭相關信息，顯示時不會打斷系統運行流程。

（三）自寫串口通訊上位機軟件

利用MCU的SCI模塊發送圖片數據至PC機，上位機利用MSCOMM控件編程對通訊數據進行讀取。讀取數據後，便能利用windows程序強大的數據處理能力和圖片顯示能力對圖片數據處理，如：根據數據對圖片進行重繪，對數組濾波分析並顯示濾波效果，將接收數組以文件形式導出為計算機仿真提供數據來源。

此種方法為完全軟件顯示法，只而要從MCU收到數據，便能在PC機上實現一系列處理，對檢驗圖形變換效果、濾波分析優劣以及數據仿真思想都有着其它方法無法比擬的優勢。

1．CRT調試法。通過接入攝像頭視頻信號，CRT能高保真顯示機器視覺。但只能侷限於對攝像頭參數測試和攝像頭機械位置調整，對高級點的數字信號就無能為力了。

2．LCD調試法。直接接在單片機SPI口上進行數據傳輸，能實時刷新顯示圖片，此模塊可以直接搭載在系統上，實時顯示系統相關信息。但由於模塊分辨率限制，只能顯示黑白二值，造成數字圖片失真。

3．串口調試法。能充分利用PC機強大的數據處理和圖片顯示功能，能實現數字圖片高精度像素點顯示，並導出灰度數值表，為VC，MATLAB仿真提供現場數據。但PC和MCU間數據傳輸速度太慢，缺乏實時性。