CMOS相机-工作原理和使用方法

CMOS相机-工作原理和使用方法

CMOS（互补金属氧化物半导体）相机是一种利用图像传感器，将可见光记录为电子信号的图像捕获设备。这些类型的相机不使用光化学胶片来捕捉图像或视频。相反，电子信号被记录到内部存储器或远程连接的设备中。直到最近，CMOS技术还相当不成熟，CMOS图像传感器越来越受欢迎。

CMOS相机操作

 

图像传感器上的拜耳滤波器。图片来源：维基媒体，Photoaxe

相机的记录功能启动后，其镜头将光线通过相机光圈、滤光器聚焦到电子图像传感器上。图像传感器以网格模式排列，每个单独的正方形称为像素。图像传感器无法确定记录的光的颜色，只能确定强度。颜色通常通过使用滤色器来识别，滤色器只允许可见光谱中的一种颜色的光进入每个像素。滤色器通常排列在拜耳滤色器图案中，用于对2x2像素正方形的颜色进行平均。

由于滤波器会产生一些不准确度，任何变色都被称为插值。单独的颜色识别方法使用单独的图像传感器，每个传感器专用于捕获彩色图像的一部分，例如一种颜色，并且将结果组合以生成全色图像。它们通常采用诸如分束器之类的颜色分离装置，而不是在传感器上具有集成滤波器。

在CMOS相机中，多个晶体管将直接来自像素的光子放大为电子电荷。这允许对每个像素寻址CMOS图像传感器功能。图像来源：传感器单独清洁，或作为一组并行读取。CMOS图像传感器有两种模式——电流模式和电压模式。电流模式CMOS传感器利用读出晶体管的栅极电压，通过晶体管的输出电流的线性关系来确定滤波光的强度。电压模式CMOS传感器在像素中有一个晶体管，用作源极跟随器。

来自晶体管的电压是每个像素处记录的光强度的估计线性函数。该过程每秒（帧速率）重复多次，并且电压被数字化并存储在存储器中。当回放图像时，相机会记录大量连续的静态图像，从而产生运动中物体的外观。

 

图片来源：传感器清洁CMOS图像传感器功能，传感器单独清洁，或作为一组并行读取。

CMOS的优势

尽管CMOS图像传感器本身的发展很复杂，但CMOS成像系统总体上更简单。CMOS传感器在某种程度上比CCD更灵敏，并且具有更高的成像速度。CMOS传感器上的像素读出允许感兴趣的窗口读出，这对于图像压缩、运动检测和目标跟踪很有用。CMOS图像传感器也需要显著更低的功率。CMOS图像传感器可以产生质量相当的图像，几乎没有光晕效应。

CMOS相机生产

在记录图像时，应根据所需的图像质量、回放方法和在某些记录条件下可能增强视频捕获的功能，考虑几种相机特性。

视频质量镜头

无论相机的图像捕捉方法如何，镜头仍然是高质量视频捕捉的最关键部件。镜头是为了改善录制视频时出现的光学像差，有各种各样的相机镜头可用于各种录制场景。透镜有几种标准用途和安装样式。

 

C型安装镜头的法兰背面距离为17.5毫米，是C型安装相机所必需的。相比之下，CS安装镜头的凸缘背面距离为12.5毫米。由于其背面焦距较短，CS安装透镜不能与C安装相机一起使用。C型安装的特点是直径为1英寸，每英寸安装线程有32个线程。

CS支架相机可以同时使用C支架和CS支架镜头；然而，C型安装镜头需要5毫米适配器或对CS型安装相机进行调整。由于其较短的后焦距，CS安装镜头只能与CS安装相机一起使用。CS支架的特点是直径为1英寸，每英寸安装线程为32线程。

 

S-mount是一种较小的安装配置，用于PC相机和板载相机等设备。S形支座使用M12 x 0.5线程。

 CS/C/S安装透镜。图片来源：Bosch Security，Wikimedia

F卡口镜头采用尼康标准化卡口式卡口。

分辨率

一旦电压到达模数转换器，就会分配一个二进制代码进行解释。根据转换器的比特深度，每个像素被授予与信号幅度相对应的值。具有10位分辨率的ADC为每个像素分配一个介于0和1024（210）之间的值，表示灰度级上的光强度。

 

F型安装透镜尺寸。图片来源：维基媒体

分辨率是查看实时图像的质量。对于数码相机，分辨率取决于像素数（水平和垂直）。在标准尺寸下，更多的像素会锐化照片上的细节，但当放大时，像素会变得明显，产生一种称为像素化的效果。这与胶片上的颗粒相似。数码相机的分辨率通常以百万像素（MPx）为单位，每兆表示一百万平方像素。高清晰度被认为是1280 x 720像素或更高的分辨率。

帧速率

这是以每秒帧数为单位测量的图像捕获次数。人眼每秒能够区分10到12个独立的图像；任何更多的东西和快速变化的图像，都会产生运动的错觉。单个相机的帧速率在很大程度上取决于回放方法和区域，或者相机的具体应用，这两者都在下面深入介绍。

快门速度

这是光到达图像传感器或胶片的持续时间的原因。它直接控制曝光率和光圈。较慢的快门速度会导致运动捕捉模糊。由于CMOS相机是电子激活的，大多数相机都取消了手动快门。相反，数码相机可以提供电子快门，因为没有移动部件，所以速度更快。

感光度

相机在弱光条件下拍摄图像的效果以LUX为单位进行测量。这是一个代表相机感光度的数字，LUX在光线较少的情况下看得更好。彩色和单色相机测量LUX的方式不同。

相机播放

视频录制通常由每个地区采用的标准指定的规范进行规范。这些标准确保了视频记录和回放在合格介质中的兼容性，如模拟和数字传输（即PAL、ATSC、DTMB）以及硬件视频存储设备（VHS和DVD）。通常，生产相机是为了拍摄符合这些标准的图像。有关每个标准的总结和实施，请参阅GlobalSpec的摄像机选择指南。