CMOS攝像機

CMOS感測器是一種通常比CCD感測器低10倍感光度的感測器。

基本介紹

• 中文名：CMOS攝像機
• 攝像機晶片：CMOS30W像素
• 壓縮格式：M-JPEG
• 紅外距離：≤15米
• 最大水平轉角：355°
• 最小水平轉角：20°

簡介

因為人眼能看到1Lux照度（滿月的夜晚）以下的目標，CMOS感測器通常能看到比人眼略好在0.1~3Lux，是CCD感測器感光度的3到10倍。

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CMOS感測器的感光度一般在6到15Lux的範圍內，CMOS感測器有固定比CCD感測器高10倍的噪音，固定的圖案噪音始終停留在螢幕上好像那就是一個圖案，因為CMOS感測器在10Lux以下基本沒用，因此大量套用的所有攝像機都是用了CCD感測器，CMOS感測器一般用於非常低端的家庭安全方面。

有2個例外，CMOS感測器可以做得非常大並有和CCD感測器同樣的感光度，CMOS感測器非常快速，比CCD感測器要快10到100倍，因此非常適用於特殊套用如high ens DSC camera (Cannon D-30）或者高幀攝像機。

CMOS感測器可以將所有邏輯和控制環都放在同一個矽晶片塊上，可以使攝像機變得簡單並易於攜帶，因此CMOS攝像機可以做得非常小。

CMOS攝像機儘管耗能同樣或者高於CCD攝像機，但是CMOS感測器使用很少的圓環如CDS,TG和DSP環，所以同樣尺寸的總能量消耗比CCD攝像機減少了1/2到1/4。

一般CCD攝像機的消耗12伏特/150到300毫安，因此比CMOS的5到12伏特和35到70毫安高出了2到4倍。

有趣的是，儘管CCD表示“電荷耦合器件”而CMOS表示“互補金屬氧化物半導體”，但是不論CCD或者CMOS對於圖像感應都沒有用，真正感應的感測器稱做“圖像半導體”，CCD和CMOS感測器（暫且如此稱呼）實際使用的都是同一種感測器“圖像半導體”，圖像半導體是一個P N結合半導體，能夠轉換光線的光子爆炸結合處成為成比例數量的電子。電子的數量被計算信號的電壓，光線進入圖像半導體得越多，電子產生的也越多，從感測器輸出的電壓也越高。

CCD稱為“電荷耦合器件” ，CCD實際上只是一個把從圖像半導體中出來的電子有組織地儲存起來的方法。

CMOS稱為“互補金屬氧化物半導體”，CMOS實際上只是將電晶體放在矽塊上的技術，沒有更多的含義。感測器被稱為CMOS感測器只是為了區別於CCD感測器，與感測器處理影像的真正方法無關。

CMOS感測器不需要複雜的處理過程，直接將圖像半導體產生的電子轉變成電壓信號，因此就非常快。這個優點使得CMOS感測器對於高幀攝像機非常有用，高幀速度能達到400到2000幀/秒。這個優點對於眺望高速移動的物體非常有用，然而由於沒有高速的數字訊號處理器，所以市場上只有很少的高速攝像機並一般價格都非常高。

性能參數

1、攝像機晶片：CMOS30W像素

2、壓縮格式：M-JPEG

3、紅外距離：≤15米

4、工作電源：DC12V,最大工作電流500mA

5、最大水平轉角：355°，最小水平轉角：20°。

6、垂直轉角：0°—90°。

7、轉速：水平約12°/S，垂直約12°/S。

8、最大載荷：0.5KG。

9、基本功能：上、下、左、右、自動旋轉。

10、使用環境：室內。

11、使用環境溫度：-10℃-50℃。

12、帶彩色/夜視

工作原理

CMOS 光電感測器經光電轉換後直接產生電流(或電壓） 信號，信號讀取十分簡單； CCD 圖像感測器僅能輸出模擬電信號，輸出的電信號還需經後續地址解碼模數轉化圖像信號處理器處理，需提供3 組不同的電源和同步時鐘控制電路，集成度非常低。

由於CMOS 圖像感測器的套用，新一代圖像系統的開發研製已經得到了迅速發展，並且隨著經濟規模的形成，其生產成本也得到了降低. 高集成單晶片CMOS 圖像感測器使有關圖像的套用更容易實現. 增加和改善了許多功能，如自動增益控制、自動曝光控制、伽瑪校正、背景補償和自動黑點校正. 所有的彩色矩陣處理功能都被集成在晶片上. CMOS 集成度高，將會在功耗、大小、系統及成本上有競爭優勢. 帶CMOS 圖像感測器的手機價格低，使用方便，同PC 機結合可進行編輯，配合高性能的印表機以及計算機上網的普及，市場需求量會快速增長。

成像器件組成

CMOS成像器件工作原理如圖1所示，它的主要組成部分是像敏單元陣列和MOS場效應管積體電路，而且這兩部分是集成在同一矽片上的。像敏單元陣列實際上是光電二極體陣列它也有線陣和面陣之分。

圖1所示的像敏單元陣列按H和V方向排列成方陣，方陣中的每一個像敏單元都有它在H、V各方向上的地址，並可分別由兩個方向的地址解碼器進行選擇；每一列像敏單元都對應於一個列放大器，列放大器的輸出信號分別接到由H方向地址解碼控制器進行選擇的模擬多路開關，並輸出至輸出放大器；輸出放大器的輸出信號送往A/D轉換器進行模數轉換，經預處理電路處理後通過接口電路輸出。圖中的時序信號發生器為整個CMOS圖像感測器提供各種工作脈衝，這些脈衝均可受控於接口電路發來的同步控制信號。

CMOS成像器件原理圖

在CMOS圖像感測器的同一晶片中，還可以設定其他數字處理電路。例如，可進行自動曝光處理、非均勻性補償、白平衡處理、γ校正、黑電平控制處理。甚至可將具有運算和可程式功能的DSP器件製作在一起，形成具有多種功能的器件。

為了改善CMOS圖像感測器的性能，在許多實際的器件結構中，光敏單元常與放大器製作成一體，以提高靈敏度和信噪比。

感測器工作流程

CMOS圖像感測器的功能很多，組成也很複雜。其器件工作原理如圖1 所示，它由像敏單元、行列開關、地址解碼器和A/D轉換器等許多部分組成較為複雜的結構。這就需要使諸多的組成部分按一定的程式工作，以便協調各組成部分的工作。為了實施工作流程，還要設定時序脈衝，利用它的時序關係去控制各部分的運行次序，用它的電平或前後沿信號去適應各組成部分的電氣性能。CMOS圖像感測器的典型工作流程如圖2 所示。

成像原理

成像模組

在了解CMOS圖像處理器成像原理之前，我們先來看看CCD與CMOS之間的一個對比，以更好了解CMOS圖像處理器。相比於CCD，CMOS的優點由於：

1） 設計單一感光器感光器連線放大器

2） 靈敏度同樣面積下高感光開口小，靈敏度低

3） 成本線路品質影響程度高，成本高CMOS整合集成，成本低

4） 解析度連線複雜度低，解析度高低，新技術高

5）噪點比單一放大，噪點低百萬放大，噪點高

6） 功耗比需外加電壓，功耗高直接放大，功耗低

由於構造上的基本差異，我們可以表列出兩者在性能上的表現之不同。CCD的特色在於充分保持信號在傳輸時不失真（專屬通道設計），透過每一個像素集合至單一放大器上再做統一處理，可以保持資料的完整性；CMOS的製程較簡單，沒有專屬通道的設計，因此必須先行放大再整合各個像素的資料。下圖為CMOS成像模組示意圖。

線性插值

為什麼需要線性插值呢？我們先來看看CMOS圖像處理器的排列：

由於製作工藝的問題，CMOS感應R 或G或B一種顏色，這就是貝葉爾格式的數據（如圖6所示）。它必須經過插值運算才能得到每個像素的RGB值。

由上圖可以看出，每個像素點都有8個相鄰的像素點，而且這8個像素點的顏色分量與此像素點不同。插值算法就是依據相鄰的像素點的顏色值的空間相關性原理進行的。其處理方法如下：

a. 只有R顏色分量的像素點，其G顏色分量由周圍4個G的平均值計算得出。B顏色分量由周圍4個B的平均值計算得出。

b. 只有B顏色分量的像素點，其R顏色分量由周圍4個R的平均值計算得出，G顏色分量由周圍4個G平均值計算得出。

c. 只有G顏色分量的像素點，其R顏色分量由上下2個R的平均值計算得出，B顏色分量由左右2個B平均值計算得出。

白平衡

任何物體在不同的光線下具有不同的色溫。所謂色溫，簡而言之，就是定量地以開爾文溫度表示色彩。色溫越高，物體的藍色分量就越多；色溫越低，物體的紅色分量就越多。由於人眼具有自調節性，所以即使物體色溫不同，也能正確識別出顏色。但是CMOS圖像感測器沒有自調節性，所以當在戶外日光下拍攝物體時，物體的顏色就會因為色溫高而偏藍。而在室內的螢光燈下拍攝物體時，物體的顏色就會因為色溫低而偏紅。要得到正確的顏色，必須進行白平衡。白平衡的基本原理是調整顏色的色溫，使其保持在一個特定的範圍內。

圖像壓縮

圖片壓縮

為了有效地進行圖像信息的傳輸或儲存，減少描述圖像的數據量是一件非常重要的工作。在Windows系統中，我們常見的bmp圖片檔案（bitmap file）是點陣圖圖片。點陣圖圖片的檔案大小一般都是最大的，不便於存儲和傳輸，所以後來才出現了一些"壓縮"格式圖片，如：gif、tiff、jpeg、png等圖片檔案。

圖片"壓縮"分為"有損壓縮"（如jpeg圖片）和"無損壓縮"：（如tiff圖片）

什麼是點陣圖? 點陣圖也稱像素圖像或點陣圖像，是由多個點組成的，這些點被稱為像素。點陣圖可以模仿照片的真實效果，具有表現力強、細膩、層次多和細節多等優點。圖片的壓縮算法很多，格式也有很多種，例如jpge，gif等，但為了大家能夠簡單了解和實驗方便，這裡重點介紹BMCP壓縮格式算法。

BMCP 採用無損壓縮方法對圖片進行壓縮的，其處理流程大概如下：對一幅點陣圖的所有象素點進行掃描，取出所有像素點的顏色構造顏色表，並且記錄這些像素點的顏色在顏色表中的索引位置，然後再對這些索引位置記錄進行壓縮後再存儲數據，也就是存儲的時候像素點位置只存儲索引而不存儲顏色。我們都知道一張圖按行列掃描時某個點的顏色在它後面連續同時出現的機率是很大的，所以我們的壓縮就在這裡了。簡單的壓縮原理用偽代碼表示如下：

color = 圖片的第一點像素點顏色；

while（圖片的像素點沒有掃描完）

newColor = 獲取當前像素點的顏色；

if(newColor == color)

{

color的出現次數+1;

}else{

存儲color;

color = newColor;

}

}

這樣壓縮後，我們就可以將一些連續出現的顏色點壓縮為一個顏色點了。例如有下面的字元數據：

abceefaccccch

經我們壓縮後就可以變為如下數據了：

a1b1c1e2f1a1c5h1

（註：字元後面的數字表示其連續出現的次數）

l BMCP 的顏色索引值的存儲

我們大家都知道在bmcp里是存儲顏色索引值的，而大家也知道在C#里的int/uint是占用4個位元組空間的，所以我們存儲象素顏色索引時肯定儘量避免存儲為int/uint值！

在bmcp里顏色索引值的存儲大小是根據顏色表的數量來決定的。當顏色表的顏色數量小於255個時索引占用的空間就只占用1個位元組；而顏色表的數量小於ushort值範圍時索引占用的空間就是2個位元組；而如果顏色表數量小於ushort. MaxValue*255時就索引就占用3個位元組（前2個位元組存儲的是“值/255”的整數部分，而後1個位元組則存儲的是“值%255”）；否則就只能使用4個位元組存儲索引。

在上面的壓縮計算中，我們還要存儲一個“顏色連續出現的次數”值，這個值的大小在bmcp里是占用1個位元組的，也就是說計算某顏色重複出現的次數時值最多只能記錄到255次，如果還繼續出現同一個顏色，則重新記錄顏色！為什麼要這樣做呢？這是為了減少占用空間所做的，在很多圖片中，不連續出現相同顏色的位置所占的比率也是很大的，而連續出現同一種顏色超出255次的地方則是少之又少。

l BMCP 的檔案格式

BMP是一種與硬體設備無關的圖像檔案格式，使用非常廣。它採用位映射存儲格式，除了圖像深度可選以外，不採用其他任何壓縮，因此，BMP檔案所占用的空間較大。BMP檔案的圖像深度可選lbit、4bit、8bit及24bit。BMP檔案存儲數據時，圖像的掃描方式是按從左到右、從下到上的順序。典型的BMP圖像檔案由三部分組成：點陣圖檔案頭結構（BITMAPFILEHEADER），它包含BMP圖像檔案的類型、顯示內容等信息；點陣圖信息頭結構（BITMAPINFOHEADER），它包含有BMP圖像的寬、高、壓縮方法，以及定義顏色等信息；點陣圖調色板。

點陣圖結構

l 點陣圖檔案頭結構

BITMAPFILEHEADER中，bfTabe是標識數據，內容為固定值“BM”，用於標識檔案格式為BMP檔案。

bfSize的數據地址為2，數據類型為unsigned long，表示點陣圖檔案的大小。

bfReserved1和bfReserved2的數據地址分別為6和8，數據類型為unsigned int，是BMP檔案的保留字，其值為0，暫無意義。

bfOffBits的數據地址為10，數據類型為unsigned long，以位元組為單位，指示圖像數據在檔案內的起始地址，即圖像距檔案頭的偏移量。

l 點陣圖信息頭結構

BITMAPINFOHEADER中，biSize的數據地址為14，數據類型為unsigned long，以位元組為單位，指定數據結構BITMAPINFOHEADER所占用的存儲容量，固定值為40。

biWidth和biHeigth的數據地址分別為18和22，數據類型為unsigned long，均以像素為單位，給出該BMP檔案所描述點陣圖的寬度和高度。若biHeigth取值為正數，則表明點陣圖為bottom_up類型的DIB點陣圖，點陣圖的原點為左下角。若biHeigth取值為負數，則表明點陣圖為top_down類型的DIB點陣圖，點陣圖的原點為左上角。一般情況下，取值為正數。

biPlanes數據地址為26，數據類型為unsigned int，表示目標設備平面數，必須置為1.

biBitCount的數據地址為28，數據類型為unsigned int，確定每個像素所需要的位數，即量化級數。

biCompression的數據地址為30，數據類型為unsigned long，表示bottom_up類型點陣圖的壓縮類型。值得注意的是，BMP檔案格式對索引色圖像及真彩色圖像不做任何數據壓縮。biSizeImage的數據地址為34，數據類型為unsigned long，以位元組為單位，表示圖像數據占用的空間大小。

biXperlsPerMeter和biYperlsPerMeter的數據地址為38和42，數據類型為unsignedlong，以每米像素數為單位，給出點陣圖目標設備水平垂直的解析度。

biClrUsed的數據地址是46，數據類型為unsigned long，給出點陣圖實際使用的顏色表中的顏色變址數。

biClrImperant的數據地址為50，數據類型為unsigned long，給出點陣圖顯示過程中重要顏色的變址數。若取值為0，表示所有使用的顏色都是重要顏色。

l 點陣圖調色板

RGBQUAD結構體由4個位元組型數據組成，因此一個RGBQUAD結構體只占用4位元組空間，從左到右每個位元組依次表示（藍色，綠色，紅色，保留字）。

我們很清晰的了解到BMCP是如何做到壓縮點陣圖檔案的。

1） 只存儲每個象素點顏色索引值

2） 將連續出現相同顏色的多個象素點壓縮為一個“象素點”