笔记本电脑摄像头技术简介.pptx

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1、 Camera是種能將影像轉為訊號的一種裝置，之後可藉由其他的儲存裝置來保存這些資料，我們可以用他來記錄生活的回憶，也可藉由其他媒介來傳輸影像，讓身在遠處的人也能像在自己面前一樣的看到對方，縮短時間與空間的限制。Camera的應用相當廣泛，許多的地方都可以看到Camera的蹤影。如：Web Cam NB Cam Mobile Phone Monitor NB cam於2005年開始bundle Rate倍數增加 2010年還是以1.3M為主流 目前大部份的Camera Module都是以USB的介面來運作，USB所帶來的便利性使得相當多的產品已逐漸的將介面都導向USB。 USB與IEEE139

2、4傳輸協定同樣為串列式的傳輸方式，USB 2.0 傳輸速率高達 480 Mbps，而 IEEE1394傳輸為400 Mbps。但因為IEEE1394 有Peer to Peer的功能，所以在DV的市場上（如：DV、Hi-8等），多數還是保有IEEE1394的介面，但USB在其他產品的運用上已大幅超越 IEEE 1394。 如：印表機、數位相機、讀卡機、硬碟、光碟機、藍芽裝置、鍵盤滑鼠等，都採用USB 的傳輸介面。 1. USB2.02. Camera and components3. Software4. Image introduction5. Image fine tune6. Excur

3、sus USB全名為Universal Serial Bus，中文稱為通用序列匯流排。 此協定於1995年被提出。 1996年正式推出1.0版本，1998年修訂為1.1版。 2001年為USB 2.0正式推出。 由Compaq、IBM、Intel、Microsoft、NEC等大廠所推廣。 目前預計在2009年推出最新規格的 USB 3.0。 USB 1.0 USB 1.1 USB 2.0 USB 3.0 (Draft)傳輸模式 半雙工 全雙工 全雙工 全雙工速度 1.5M/12M 1.5M/12M 1.5M/12M/480M 1.5M/12M/480M/4.8G向下相容 N/A Yes Yes

4、 YesOTG功能 o No Yes YesPin 腳數 4 Pin 4 Pin 4 Pin *6Pin(Draft)Cable 長度 5M 5M 5M 2MUSB版本差異：*USB 3.0多增加兩條光纖傳輸線，專門處理G bit以上的頻寬。原始的4 Pin為向下相容所保留。 整合統一各種設備的連接頭 即插即用(Plug-and-Play) 具有 Hot Attach & Detach 的功能 滿足各種周邊需求 最多可連接127個周邊設備 控制型傳輸 中斷型傳輸 巨量型傳輸 等時型傳輸傳輸模式 雙向傳輸 雙向傳輸(USB 1.1之前為單向) 雙向傳輸 雙向傳輸支援速率 低速、全速、高速 低速、

5、全速、高速 全速、高速 全速、高速保證頻寬 No No No Yes*封包遺失回報 Yes Yes Yes No*應用範圍 用於配置裝置主機位址與設定 人性化介面裝置，如鍵盤、滑鼠 用於大量資料傳輸，如隨身碟 用於即時資料傳輸，如視訊、數位麥克風。影像傳輸為等時型傳輸，為了能夠讓資料在第一時間傳達，並避免延遲問題，所以必須有一定的保證頻寬，且遺失的封包也不再回報，錯誤的傳輸將不再修正。以達到即時傳輸的效果。 USB在每一個封包中都有規定四種傳輸模式的最大封包大小，規範如下表所示：等時傳輸 中斷傳輸 巨量傳輸 控制傳輸Max Data Size (byte) 3072 3072 6656 198

6、4 而個封包的週期時間約為125s，所以1 Sec 的封包數量為： 1s 125 s = 8000 Package 所以每種傳輸模式在每秒的傳輸量如下所示： 等時傳輸：8000 3072 8 196 M bit 中斷傳輸：8000 3072 8 196 M bit 巨量傳輸：8000 6656 8 426 M bit 控制傳輸：8000 1984 8 127 M bit 在Camera module中，我們使用的影像格式大致上分有兩種：YUY2 Format： 這是一種未經壓縮的格式，未經壓縮的影像沒有失真的問題，影像較為清晰，但是相對的影像傳輸的資料量就會變的相當龐大，而在USB限定的頻寬底

7、下，龐大的資料量將會造成Frame rate大幅下降，尤其是高解析度的時候更為明顯。MJPEG Format： 為了讓影像大幅的降低傳輸率並且擁有較高的Frame rate，我們可以透過壓縮的方式來達到此目的，可以大幅降低傳輸的資料量。 Frame rate是指每秒鐘畫面更新的速度，一般說明Frame rate 為 30 f/s 意思即為每秒鐘畫面更新了30次，也就是每個畫面只出現了1/30秒。 人眼中，當畫面能夠達到每秒24個Frame，便會感覺影像是順暢的。所以一般的電影也都是以每秒24個Frame來拍攝。 在使用Amcap時，從左下角我們就可以看到Frame的顯示。如右圖所示。 傳輸影像

8、必須消費極大的頻寬，即使是USB 2.0的高速頻寬依然有傳輸的極限在，根據USB規範，等時傳輸每秒最大傳輸量為 196 M bit，由於影像傳輸都是使用等時傳輸模式，理所當然的，影像傳輸每秒最多即為196 M bit。 當影像是未經過壓縮的資料（如：YUY2 Format），Frame/s 的計算方式如下： 頻寬/ 總畫素 16 bit（YUY2) = Frame /s。 640 x480 196M / ( 640 x 480 x 16bits ) = 39 frames 1280 x1024 196M / ( 1280 x 1024 x 16bits ) = 9 frames 1600 x1

9、200 196M / ( 1600 x 1200 x 16bits ) = 6 frames USB 3.0： USB 3.0目前已有計畫推出，但實際上的規格與推出日期至今還未能確定，目前非官方的訊息指出，USB 3.0將會把速度拉至 4.8 G bps（為USB 2.0 的十倍），並且將採用光纖電纜當傳輸媒介，不過線長將由原本的5公尺減為2公尺。 USB 3.0的出現，將能讓影像傳輸的頻寬大幅提昇，往後運用在Camera上，將可使影像擁有更高的解析度，更快速的Frame Rate，即使運用在家內的防盜攝影機，錄取畫質極高的影像，USB 3.0的頻寬依然綽綽有餘。WUSB： WUSB為Wire

10、less USB的縮寫，與藍芽傳輸一樣屬於相同性質的用途，目前規劃在3公尺內的傳輸距離，能夠擁有1G bps的頻寬。下一代的藍芽傳輸也將採用此技術，所以往後WUSB與藍芽可能會有互通性。 Camera Module是由以下主要元件所組成的：LensEEPROM or FlashSensorBackend ICCrystalRegulator 除了這些元件外，剩下的大多是電容、電阻或電感之類的被動元件。 組成Lens的相關元件如下：IR Filter： 用來過濾紅色以外的光線，因紅外線會影響到Sensor的感應，且人眼本來就看不到紅色以外的光線，所以利用IR filter來過濾紅外線。Cover

11、 Glass： 防護用玻璃層，用以隔離IR filter與Sensor。Image Plane： 影像呈現的區域。 Lens是用來將影像捕捉後呈現在Sensor上的重要原件，Lens的品質與影像的呈現有著相當大的關係。 圖中為被攝物透過Lens呈現在感光原件上的情形，影像將會呈現完全反相。 一般而言Lens是由玻璃(Glass)或塑膠(Plastic)的材質所製造的，也可合併使用，如兩層塑膠加一層玻璃。玻璃材質擁有比塑膠材質更佳的影像品質，但相對的玻璃成本較為昂貴。解析度在CIF(352 X 288)時，僅用一層塑膠即可，而VGA（640 X480）則需要兩層材質，到了1.3M（1280 X

12、1024)則需要用到三層*。*目前已有光電廠可開發出使用在1.3M的Lens，且僅需兩層材質。 EEPROM 全名為 Erasable Programmable ROM，是一種非揮發性的記憶體（NV RAM），用於儲存Camera module的Firmware code。使用的傳輸介面為市面上較普遍的 I2C。FLASH 與EEPROM相類似，一樣是用來儲存Firmware code 的裝置，擁有比EEPROM更多的優點。傳輸介面為SPI，但因SPI介面還不普遍，所以在Camera module上大多還是使用EEPROM，即便是FLASH比EEPROM擁有更多的優點。 此為EEPROM的外觀

13、，FLASH外觀亦同，左為TSSOP封裝，右為DIP8封裝。 EEPROM FLASH容量 較小 較大價錢 較高 較低速度 慢 快傳輸介面 I2C SPI傳輸時脈 400KHz 3.75MHz耗電量 比較省電 比較耗電 因為EEPROM使用的I2C介面有著高相容性，且業界普遍皆使用I2C來當作IC的溝通介面，所以目前許多的Camera Module還是使用EEPROM來儲存Firmware code，但近年來FLASH提供了相當多EEPROM沒有的優點，所以已經有些許Camera Module逐漸的導向使用FLASH來儲存Firmware code。 Sensor 是用以感測光線再將其轉為電子

14、訊號的裝置。而Sensor可以分為CMOS與CCD兩種不同的種類。而不論是CMOS或CCD都是用矽感光二極體來進行光與電的轉換，所以光線越強，訊號也會越強。因CMOS與CCD本身的工作原理就有相當大的差異，相對的CMOS與CCD也各有不同的優缺點。 在影像科技發展的早期，大多數高階的影像裝置（如數位相機，數位攝影機等）多是採用CCD為主要感光元件，相較之下CMOS的產品多半被認為是影像裝置的次級品，但目前已有相當多的高階影像裝置已經改採用CMOS為主要的感光元件。 CMOS CCD感光度 相同面積下較低 相同面積下較高成本 低 高耗電量 低 高解析度 目前大至上不分上下雜訊 抑制能力較低 抑制

15、能力較高反應時間 較快 較慢生產方式 一般記憶體機台即可 需特殊機台代表廠商 Omni Vision、Samsung、Aptina、Magna、Motorola、Toshiba Sony、Philips、Panasonic、Fujifilm 、Kodak、 Sanyo 、Sharp CMOS 市場：目前CMOS的市場大多是應用在低價，底成本，與低階商品。如：手機相機，電腦視訊（NB CAM），和一些低階的數位相機等等，因CMOS有著低耗電的特性，在行動通訊的市場上更是受到青睞，而後期出現的Fill factor CMOS使每個Pixel的進光亮都得到提升，且有效消除雜訊，目前已有許多高階單眼相

16、機和數位攝影機逐漸採用CMOS感測器。CCD 市場：CCD原本專門應用在高階產品，他擁有高感度，高靈敏度，低雜訊等等的優點，使得畫質上較CMOS來的好，不過也因為製作成本高，且耗電量驚人（約為CMOS的100倍），所以並不適用於行動通訊等產品，而CMOS因Fill factor CMOS技術，目前畫質已大幅進步，未來CCD將有可能逐漸被CMOS所取代。 Backend IC的功用，主要是接收Sensor所傳送的資料，當Sensor接收到光源資料後便會將資料輸出，接下來再由Backend IC接收，之後Backend IC 會將此訊號換成USB訊號傳送給電腦。 相當多的Sensor本身都擁有 I

17、SP (Image Signal Processor)，此類的Sensor本身可以自己對影像做處理，所以傳送給Backend IC 的資料皆是已經處理完畢的影像，Backend IC只需要將Sensor 的YUV 訊號轉成USB就可以了，或是進而將影像壓縮，轉換成 Motion JPEG的壓縮格式。 目前出現許多的Sensor已經開始將ISP移除了（原因將由後續詳述），沒有ISP的Sensor僅能將最原始且未處理的資料 （影像界稱之為RAW File）傳送給Backend IC，如此要支援此類的Sensor，Backend IC就必須增加ISP的功能。所以在Backend IC上增加 ISP

18、Function以是未來的趨勢。 在Camera 這項產品中，我們大致上將軟體分為以下三大部分。 Firmware Driver Application Firmware是一種介於軟體與硬體間溝通的橋樑，因軟體（如Driver或是一些Application）本身無法直接控制硬體，所以乃需要透過Firmware才能控制硬體。Firmware就相當於電腦主機的BIOS。 我們可以假想一台巨大的挖土機為硬體，他的控制平台為Firmware，而在上面控制的工人則為Driver。當工人要控制挖土機時，若不透過控制器操控的話，他是無法使用挖土機的，但空有挖土機和控制儀表版，沒有工人操作挖土機一樣沒有功用，

19、所以Hardware、Firmware、Software三者都必須配合才能夠順利運作。 Firmware Code的部分是整個Firmware架構最重要的地方，IC的工作方式大部分都決定於這一部份，我們可以在此加入許多的Function讓Camera擁有許許多多的功能，如：Zoom in、Zoom out、Pan (水平移動)、Tilt(垂直移動)等等。其他有關Camera的零零種種動作方式也都取決於這一部份，可以算是整個IC的核心重點。Zoom in Zoom outOriginal 在Windows XP作業系統上，Driver可分為UVC （USB Video Class）型態，與WDM

20、（Windows Driver Model）型態，而UVC Driver是在Windows XP SP2後才開始內建在作業系統中，在這之前使用者都必須自行安裝WDM的Driver才能使裝置正常工作。 而Windows Vista系統上，Driver依舊可分為UVC與WDM兩種型態，但Microsoft在Vista對WDM的裝置做了些限制，所有WDM的Driver都必須要符合UVC Driver的規範，所以廠商無法任意的開發，因此所有的WDM Driver都稱之為WDM like UVC，而Windows原生Driver則稱為Native UVC。 使用Windows的UVC Driver其實是

21、相當的陽春的，並沒有太多的功能，且介面也不夠人性化。上圖為Vista OS中UVC Driver的Property的選單，除了基本的功能外沒有其他特殊的功能。 當我們安裝上特製的Driver時，很明顯的，Property選單功能變的更多了。 除了一般既定的選項外，此 Driver還支援翻轉、鏡面、 數位變焦功能和取景位置調整等，相當豐富。 有了完善的Camera裝置，當然還需要有對應的Application才行，Camera在Laptop上最常使用的就是視訊軟體，像是Yahoo Massage!、MSN、Skype等等，都是可以用來遠端溝通的應用程式，另外Camera也可用來錄製影像、影片，像

22、是Movie Maker等等。最近也有許多的廠商開發出臉部辨識系統來增加使用者登入Windows的方便性。 臉部辨識系統將為使用者帶來更多的方便性，如上圖所示。 在影像領域中，常會聽到一些特殊的名詞，以下為較常聽到的特殊名詞： ISP Frame Rate Resolution Noise Flicker ISP是Image Signal Processor的縮寫，中譯為影像訊號處理。Sensor感應到影像後，所得到的是最原始的訊號，但是人們總是希望我們自己所拍攝的影像看起來要是最漂亮的，即使實際上的景物並不是如此的豔麗。例如拍花時希望顏色看起來很鮮豔、拍雪時希望看起來又亮又白、拍夜景時希望對

23、比強烈，這些需求都可以透過ISP來達到所需的目的。 在Camera中，我們可以常常看到的設定有Brightness、Contrast、Hue、Saturation、Sharp、Gamma、White Balance等等的設定都是屬於ISP可以改變的工作，進階功能來包括：Auto Exposure（自動曝光）、Defect pixel correction（壞點修復）、Noise reduction（雜訊抑制）等等。一個效果強大的ISP無疑的必定帶來令人滿意的圖像結果。 高速的Frame Rate將會使畫面變的極為流暢，不過當畫面更新率越高，相對的Sensor的曝光時間也會縮短，所以當光源不足時

24、，我們可以發現，如果將Frame rate保持在高速的情況下，影像畫面也會變的更為黑暗。上方左圖的Frame rate 為30 f/s，而右圖將Frame rate下降至8 f/s以增取更多的曝光時間，由此可明顯看出，右圖比左圖明亮許多。 Resolution，即為我們一般常說的解析度，相同面積下若解析度越高，則畫質越為細膩。常用的解析度尺寸大致如下：VGA： 解析度為640 X 480，也是Camera module運用相當廣泛的解析度，一般稱為30萬畫素。目前的DVD Video影片解析度就是VGA，使用MPEG 2來進行壓縮，畫質上已可有不錯的表現。SXGA： 解析度為1280 X 10

25、24，總畫素達到130萬畫素不等，現今Camera module已經大多從VGA轉至SXGA，SXGA擁有更佳的解析度，更大的畫面，已是Camera module中為數甚多的產品。UXGA： 解析度為1600 X 1200，總畫數逼近2百萬，少部分的廠商已經開始有2百萬Module的計畫，不過目前還不普及。 QXGA： 解析度為2048 X 1536，高達320萬畫素的高解析度，因規格較新，所以還無法看到達到此解析度的Camera module，但此規格將是下一代的高規格產品，相關規格的產品已計畫推出。特殊規格：HD 720、HD1080 HD為High Definition縮寫，為高規格、高

26、畫質、高解析的統稱（傳統電視為*SD），HD 720解析度為，1280 X 720，HD 1080解析度為 1920 X 1080，近期已有Sensor廠推出HD 720的Sensor，最大的不同在於影像比例由 4：3 轉變為 16 ： 9 ，目前大部分的Laptop都已將螢幕改為16：9 ，所以Camera module改為16：9 已是市場上的趨勢，現階段HD技術的運用還是以電視為大宗。SD是Standard Definition的縮寫。 解析度 比例 備註QQVGA 160 X 120 4：3QCIF 176 X 144 11：9CGA 320 X 200 8 : 5QVGA 320 X

27、 240 4：3 VCD運用CIF 352 X 288 11：9 10萬畫素EGA 640 X 350 64：35VGA 640 X 480 4：3 DVD運用SVGA 800 X 600 4：3XGA 1024 X 768 4：3HD 720 1280 X 720 16：9 電視運用XGA-W 1280 X 768 15：9下表格為各解析度的詳細資料： 解析度 比例 備註Quad-VGA 1280 X 960 5 ：4SXGA 1280 X 1024 5 ：4 130萬畫素SXGA+ 1400 X 1050 4：3SXGA-W 1600 X 1024 25：16UXGA 1600 X 120

28、0 4：3 200萬畫素HD1080 1920 X1080 16：9 電視運用UXGA-W 1920 X 1200 8：5QXGA 2048 X 1536 4：3 300萬畫素QSXGA 2560 X 2048 4：3QUXGA 3200 X 2400 4：3 Noise在中文翻譯過來就是雜訊的意思，CMOS sensor對光源非常敏感，當光源不足時就會產生雜訊，如下圖所示。 圖中我們可以感覺有一層薄霧，尤其在黑色的部分更為明顯，這就是雜訊。 Noise在影像相關的領域中，都是一個相當麻煩的問題，針對Image sensor 而言，造成Noise的原因有很多，主要的有以下幾點。一、光線的不足：

29、 當我們拍攝的場景若有光源不足的問題，Noise就會顯的嚴重，主要原因就是訊號不夠強，微弱的訊號會使得Noise更加劇烈。二、Sensor pixel size過小： 影像裝置都是靠Sensor來感應光線的，若Sensor的Pixel size過小，Sensor接收訊號的能力就會變差，我們可以想像一個衛星小耳朵，通常耳朵越大的，接收能力也越好，道理是一樣的。三、Noise訊號被放大： 這一點在CMOS Sensor上最為明顯，原因在於CMOS Sensor在每個Pixel上都有一個訊號放大器，而最後放大過的訊號會再次集中再放大一次，因此Noise也會跟著放大。 Flicker的現象主因出在於日

30、光燈閃爍的頻率，在台灣，發電機的頻率為每秒60Hz的交流電，當日光燈收到此頻率的電壓時，理所當然的便會有亮、滅、亮、滅的現象，此時當Sensor接收光源時，如果因頻率相符，第一次接收到較亮的訊號，第二次接收到較暗的訊號，如次類推下去，我們看到的影像，便會出現一條一條橫向的波紋。 為了避開這種現象，我們必須讓Sensor感應的頻率與日光燈閃爍的頻率錯開，一旦錯開，Sensor便不會接收到忽亮忽滅的訊號了，而我們看到的影像就會正常了，這也就是在陽光底下或是一般燈泡下不會出現的原因。 因為各國的電壓不盡相同，並不是每個國家的電壓都是60 Hz，也有一些國家的交流電是50 Hz，所以我們不能固定Sensor感應的頻率，必須要是可變更才行，此一部份我們可以在Firmware中進行調整。 Flicker的現象我們可以如下所示： 由上圖可看出，影像的畫面有一條一條的橫向波紋。 Flicker 有無改善可以藉由下圖瞭解： 左圖中是未改善前的影像，右圖為改善後的影像。 上圖為影像裝置的相關設定，因為影像較為主觀，所以使用者可以藉著這些設定來找尋符合自己的需求。 ISP 名詞解釋： 一般而言，ISP的功能大致上都與右方表格相符，唯一的差別只差在於各家ISP在各功能上的強弱區分。 Thanks for your time.The end.