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摄像头常见参数您知多少?

作者:    发布时间:2020-09-06   浏览:

目前市场上面的摄像头种类非常多,不同的摄像头参数也各不相同,下面锐视欣科技带大家一起了解一下分辨率、色彩空间、帧率、云台等角度一起来了解一下摄像头常用参数,解决在购买摄像头时碰到的各种疑惑。

影响摄像头性能的参数主要有以下几种:
1. 分辨率:一般是说摄像头能支持到的最大图像大小,如640x480(普清), 800x600, 1280x720(高清), 1920x1080(全高清或超清)等。分辨率当然是越高越好,但也要考虑系统实际情况,如果系统就用不到1920x1080这样的分辨率,那就没必要采购这么高的摄像头。
一般可能应用到的视频分辨率有:
160x120,                  4:3
320x240,                  4:3
480x360,                  4:3  
640x480(普清),          4:3  30万
800x600(标清),          4:3  50万
960x720,                 4:3  70万           
1280x720(高清),        16:9  100万
1920x1080(全高清或超清) 16:9 200万
摄像头可以经配置输出几档不同分辨率的图像,例如我桌面上的一个USB数字摄像头YUYV输出格式下所支持的分辨率有:
160x120, 320x240, 544x288, 640x480, 800x600, 960x720, 1280x720, 1280x960.
如果软件配置成480x360,摄像头不支持这个分辨率就会从它支持的分辨率中选择一个最相似的来替代,如我的摄像头就选择了544x288这个格式。软件需要输入480x360,而硬件只能输出544x288,在这种情况下,需要进行缩放把544x288缩放成480x360。这增加了计算复杂度,不利于系统优化。因此在选择摄像头时不仅要看摄像头的最大分辨率,还要看摄像头能够输出的不同分辨率档是否能够满足应用的不同场景需求。
标清、高清、全高清是业界的一般称呼,甚至有些时候还不一样,所以最好还是直接说分辨率值。
还有在商家在产品宣传上用像素的概念,原始的像素定义就是分辨率的乘积大小,如1920x1080=2073600就被称为200万像素。这样的叫法也没有太大问题,但是有些商家把插值计算出来的结果称为最后的像素值就有些误导的成分,例如摄像头采集的为640x480(大概30万像素)经过摄像头内部插值得到1280x720图像就称为可以达到插值100万像素,或者直接说100完像素,那就是明显的误导消费者。插值得到的100万像素和采集得到的100万像素,在图像质量上存在极大的差异。所以不要看像素,直接看分辨率。
另外分辨率一般还跟着逐行(P)或隔行(i)设置。720P, 1080i。隔行是电磁扫描时代遗留下来的技术,目前已经被淘汰,可以忽略所有带i的配置。

2. 色彩空间:摄像头采集数据的存放格式,一般有YUYV, YV12, NV12, MJPEG等,具体的格式可以参考《YUV格式总结 》。一般的编码器输入为YV12(JM,x264)或者NV12(x264内部帧存储格式,将NV12输入x264更有优势),如果摄像头输出的是YUYV格式,就需要进行色彩空间转换,转换为软件能够接受的格式,这势必增加了计算量。因此最好选用的摄像头可以支持软件需要的色彩空间。MJPEG是 Motion JPEG,可以理解为JPEG图像的序列,图像内部是有损的火无损的JPEG编码,图像之间没有依赖关系。因为图像本身具有很大的色彩冗余,即使是无损的JPEG编码也有6-10倍的压缩率,可以大大降低存储数据量,由此也会影响摄像头的输出帧率。如果输出MJPEG格式,软件端还需要解码MJPEG,然后转化为YV12或者NV12增加了一些计算量,但帧率可能会上去。

3. 帧率:一般是说摄像头在某种色彩空间中最大分辨率下能够支持的最高视频捕获能力。还以我桌面的USB摄像头为例,它支持两种色彩空间YUYV和MJPEG。在这两种空间下测试帧率的结果为:
format = YUYV,     input resolution =  160 x  120, v4l2 resolution =  160 x  120, fps = 23
format = YUYV,     input resolution =  320 x  240, v4l2 resolution =  320 x  240, fps = 23
format = YUYV,     input resolution =  480 x  360, v4l2 resolution =  544 x  288, fps = 23
format = YUYV,     input resolution =  640 x  480, v4l2 resolution =  640 x  480, fps = 23
format = YUYV,     input resolution =  800 x  600, v4l2 resolution =  800 x  600, fps = 16
format = YUYV,     input resolution =  960 x  720, v4l2 resolution =  960 x  720, fps =  8
format = YUYV,     input resolution = 1280 x  720, v4l2 resolution = 1280 x  720, fps =  9
format = YUYV,     input resolution = 1920 x 1080, v4l2 resolution = 1280 x  960, fps =  4

format = MJPG,     input resolution =  160 x  120, v4l2 resolution =  160 x  120, fps = 23
format = MJPG,     input resolution =  320 x  240, v4l2 resolution =  320 x  240, fps = 23
format = MJPG,     input resolution =  480 x  360, v4l2 resolution =  544 x  288, fps = 23
format = MJPG,     input resolution =  640 x  480, v4l2 resolution =  640 x  480, fps = 23
format = MJPG,     input resolution =  800 x  600, v4l2 resolution =  800 x  600, fps = 23
format = MJPG,     input resolution =  960 x  720, v4l2 resolution =  960 x  720, fps = 23
format = MJPG,     input resolution = 1280 x  720, v4l2 resolution = 1280 x  720, fps = 23
format = MJPG,     input resolution = 1920 x 1080, v4l2 resolution = 1280 x  960, fps = 23
1280x960分辨率时,MJPEG可以达到23fps, 而YUYV只能到4fps。
帧率也不是越高越好,还是要看系统需求。对于一般的运动场景15fps的帧率人眼已经可以认为是连续运动视频,这时如果摄像头支持高于15fps的帧率,就可以满足系统的需要。

一般摄像头参数视频输出模式:1080P@30, 1080P@25, 1080P@24, 1080i@60, 1080i@50, 720P@60,720P@50,其中24,25,30,50,60就是帧率。
需要注意的是,我国交流电供电的标准频率为50Hz,在日光灯环境下的摄像头,帧率最好设置为25或者50,和日光灯闪烁频率一致,这样才能避免采集数据出现一帧亮一帧暗的灯光闪频现象。

一些主观的人类视觉因素
4. 色彩还原度:摄像头对各种颜色的还原能力。一般会将摄像头的输出接到一台大一尺寸的显示器上,观察摄像头。
a.观察白色物体,拿一张白纸(在太阳光下显示为白色)对这摄像头,看显示器里面的颜色是否为白色。如果不为白色,可以尝试调节摄像头设置里面的白平衡(White Balance,简称WB);再有可能是显示器的问题,将白色调好,才能更加客观的比较其他颜色的效果。
b.观察在特定应用场景下的摄像头整体色调,例如视频会议系统是在一定明亮灯光下的场景,室外监控系统是在太阳光下的场景,桌面USB摄像头是在日光灯下的场景。观察对应场景下摄像头所表现出来的整体色调是否真实,有没有苍白(色彩饱和度不足)、偏冷或偏暖的情况出现。
c.观察各种颜色的物体经摄像头采集又显示出来的色彩是否与原物体颜色相同,尤其是红绿蓝这三基色的表现。
d.观察不同颜色的变化边缘是否锐利,感光材料的缺陷,会使得颜色发生漂移,尤其在颜色变化边缘。

5. 纹理还原度:摄像头对细小物体的纹理能够真实还原。例如地毯,毛衣等具有不规则微小细节的纹理。还有对文字的还原度,拿一本书看显示器上的文字是否还能保持一定的清晰度。

6. 去噪:一般摄像头都有这个功能,Noise Reduce简称 NR。一般摄像头设置里面有5级NR,缺省为3级。NR越大滤波效果越明显,图像更光滑,噪声越少,但纹理细节也损失的越多。同时NR越大,摄像头的计算量就越多,摄像头的相应速度会变慢。摄像头噪声的来源有很多种,但大部分都是时空孤立的,通过NR可以消除。噪声和纹理的区别在于,纹理是现实世界真实存在的物体表面细节,如毛衣上的纤维;噪声是不存在的,是由于摄像头电气特性、感光材料等原因叠加上去的。仔细观察图像的某些静止区域,看这个区域的图像是否会出现不规则的闪烁,这些闪烁就是噪声的表现(将NR设置为0,闪烁将更明显)。NR的采用会在一定程度上去除噪声,抑制闪烁,但过高的NR设置会损伤纹理还原度。因此需要在去噪和纹理还原度上平衡。比较不同摄像头时,可以把他们的NR都设置为中位值,然后在噪声抑制和纹理还原两方面衡量。

7. 动态速度:一般就是看快速运动物体有没有拖影,站在摄像头前面,快速的挥动手臂,看显示器手臂运动有没有拖影。注意的是在较高NR时图像的动态速度会降低,表现在图像上就是运动有拖影。另一方面看摄像头反应速度,面对摄像头快速举起手臂,看显示器内的图像是否能够同步,而不至于存在一定滞后时间差,现在的摄像头动态速度一般都能满足。

一些客观的摄像头物理参数
8. 感光部件:感光单元是数字摄像的最核心部门,一般有两种CCD和CMOS。
CCD的优点是灵敏度高,噪音小,信噪比大。但是生产工艺复杂、成本高、功耗高。一般是用于摄影摄像方面的高端技术元件,应用技术成熟,成像效果较好,价格相对而言较贵。
CMOS的优点是集成度高、功耗低(不到CCD的1/3)、成本低。但是噪音比较大、灵敏度较低。采用一些自动增益、自动白平衡、饱和度、对比度增强等影像控制技术,可以接近CCD摄像头的效果。CMOS一般用于较低品质的产品中,如桌面USB摄像头等。
所以,在选择摄像头时候,如果对成像画面,特别是夜拍效果比较重视的情况下应该选择CCD摄像头;如果需要考虑USB口的供电能力,整机稳定性,或成本的时候,可以优先考虑CMOS摄像头。

9. 镜头
成像公式 1/D + 1/d = 1/f。  => D = d/(d/f - 1)
式中,D为物距;d为像距;f为透镜焦距。D与f成正比。
镜头焦距越大,有效视距越远(长焦),但可视角度越小;
镜头焦距越小,有效视距越近,但可视角度越大(广角)。

用户需要根据自己的实际应用场景来选择摄像头。例如用的3.6MM的镜头,这个属于广角镜头,看的范围要广一些,适合小的空间(电梯等)。长焦的镜头(例如129MM)适合看很远的距离,但是比较窄的视角。因此既想看得远,又想看得宽阔和清晰,这是无法同时实现的。只能够根据具体应用来决定采用什么样的摄像头。

一般摄像头的焦距在一定范围内是可变的。变焦镜头由固定透镜组和可变透镜组两部分组成。通过移动可变透镜组,改变成像光路,可以在一定的范围内改变镜头的焦距,从而也改变了拍摄的视角。长焦端的最大焦距与广角端的最小焦距之比就是我们常说的摄像头多少倍率光学变焦。例如索尼SRG-300H全高清远程遥控 PTZ 摄像机,焦距为f=4.3 mm(广角)至 129 mm(长焦),它的光学变焦倍数就是129/4.3 = 30倍。
数字变焦是利用数字插值的方法把局部区域放大显示,这种方式的变焦结果画质得不到明显的提升。

除了手动调整焦距,一般摄像头具有自动对焦功能。自动对焦是根据图像清晰度评价算法,来确定焦距调节的方式(焦距变长还是变短),使得图像清晰度最优。图像清晰度评价算法没有标准的算法,各家摄像头厂商都不一样。选择摄像头的时候需要考量一下自动对焦的效果(与人眼感受同步,不会误对焦)与速度。

镜头材质:一般有两种,树脂片或者玻璃片。树脂片(Plastic,便宜、透光率低、使用寿命短);玻璃镜片(Glass,透光率高,技术成熟,稳定,价格高、使用寿命长)。通常摄像头用的镜头构造有:1P、2P、1G1P、1G2P、2G2P、4G等。镜片越多,成本越高,玻璃片越多,成本越高。市场上的大多摄像头产品为了降低成本,一般会采用树脂镜头(即1P,2P)或半树脂半玻璃镜头(即:1G1P、1G2P等)。

10. 云台控制
云台内部有两个电机,分别负责云台的上下和左右各方向的转动。云台的转动带动摄像头的转动,这样可以看到不同位置处的图像。评估云台主要从云台转动速度、转动角度、载重量等方面考虑。如果是室外云台还需要考虑防水、防雷、防尘、防凝结、防腐、防爆等因素。
云台预置位指的是预先设定好一些监控重点区域(例如过道、柜台、主席台等),记录下此时云台对应的水平、垂直角度,镜头焦距等参数,当用户需要快速查看某个重点区域的时候,可以通过控制设备使云台和摄像头迅速的恢复到预定位置。

一些图像处理算法的支持
11. 翻转:摄像头吊装或者平放,都能使图像对于人眼是正立的。
12. 自动增益:为了能在不同的光照条件下都能输出标准的视频信号,必须使感光单元放大器的增益能够调节。这种增益调节通常都是通过检测视频信号的平均电平而自动完成的,实现此功能的电路被称为自动增益控制(AGC)电路。具有AGC功能的摄像机,在低照度时的灵敏度会有所提高,但由于信号和噪声被同时放大的缘故,此时的噪点也会比较明显。
13. 白平衡:自动白平衡功能,可以克服环境光谱的影响,使得增加色彩还原度。
14. 伽马校正:伽马校正是为了弥补电视显示系统中亮度与输入电压并不是线性变化的这一现实缺陷。校正可以在显示系统中做,也可以在摄像头端做伽马补偿,使得输出的图像在电视端不需要再做校正。
15. 宽动态范围:是在非常强烈的光照对比下(例如背光环境)让摄像头能看清影像的一种技术,一般高清摄像头都支持了宽动态。

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