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针孔摄像头技术原理

  针孔摄像头,即超微型摄像机。它的拍摄孔径确实只有针孔一般的大小,而摄像头的大小则大概有一元硬币那么大。可以应用在保护人们的生命、财产和隐私上。

这种摄像头是比较传统的针孔摄像头,全套设备较多,包括针孔摄像头镜头、信号发射器、信号接收器和电池等,但也有部分品种是发射器内置到摄像头里面的。

  各种针孔摄像机的原理都是类似的。它们将透过镜头收集到的光线投在感光元件上,由感光元件把光信号转换为电信号;电信号被转换成数字信号;数字信号进行压缩后传输到监视器或录制设备上,从而显示或者录制成我们能够看到的影像。由于体积的限制,这类摄像机一般没有太过复杂的功能,不能调整焦距,也不能调节光圈大小。它们一般由镜头、图像传感器、模拟/数字转换器、图像控制器等多个部分构成,如果带音频功能的话,还要再加上声音收集、处理和传输的组件。

  CCD和CMOS都是利用感光二极管(Photodiode)来进行光电转换的。接收的光线越强、电荷越多;光线越弱,电荷越少。通过这种方式,将拍摄的景物转变成携带电荷数量不一样的多个像素点。CCD和CMOS的主要区别在于数据放大和传输顺序的不同。在曝光后,CCD将每一行的每一个像素产生的电荷按顺序传入一个缓冲区中,统一由放大器进行放大,然后一起转换成数字信号输出;而CMOS的每个像素旁都连接着一个放大转换器,把每一个像素的信号放大并且转变成数字信号,最后一并输出。

原理上的不同导致CCD和CMOS在很多方面都存在差异。CMOS的感光度比CCD低,因为CMOS上每个像素都包含了放大与转换电路,单一像素感光区域的面积比CCD要小;CMOS的成本比CCD低;CMOS由于每一个像素单独放大,很难达到所有像素放大同步的效果,所以图像效果比CCD差;CMOS耗电量比CCD低,因为CCD需要外加电压把电荷“驱赶”到传输通道中去,而CMOS不需要这么做。

  随着技术的进步,CCD与CMOS之间的差异正在逐渐缩小。CCD变得越来越省电;CMOS也开始改善画质表现。我们现在对于高端和低端的看法,也许在不久的将来就会转变。

  监控是针孔摄像机最主要的用途。由于针孔摄像机的体积小,可隐蔽性好,因此被广泛应用于交通监控、公共场所监控、安全监控等领域,保障了人们的生命和财产安全。

但是,针孔摄像机也会出现在不该出现的地方。层出不穷的偷拍让人们不得不提高警惕,小心保护自己的隐私。

镜头结构

  针孔摄像机使用的镜头有鱼眼镜头、平面镜头和锥形镜头三种;使用的感光元件有电荷耦合元件(Charge Coupled Device,CCD)和互补性氧化金属半导体(Complementary Metal-Oxide Semiconductor,CMOS)两种;如果按照数据传输方式来分类的话,可以分成无线摄像机和有线摄像机两类。

现在我们所说的针孔摄像机,所使用的镜头大小与手机上的镜头差不多。拍摄范围较大的场景时,一般采用鱼眼镜头;如果从节省成本的角度出发,那就使用平面镜头;要获得较好的拍摄效果时,采用锥形镜头的情况较多。

  鱼眼镜头是短焦距超广角镜头,它的镜头弧度很大接近于球面,视角可以接近甚至达到180度,拍摄范围比其它镜头大得多,能够覆盖更多的场景。然而拍摄范围的扩大是以拍摄对象的失真作为代价的。鱼眼镜头拍摄的物体变形很厉害,只能够保证画面中心的景物不变,其他的水平或者垂直的景物都会扭曲,看起来很不真实。

我们说的平面镜头,只是说它在外表上看起来不像鱼眼镜头那样有一个半球形的突起;但是实际上在镜头内也是镶嵌了一块透镜的。这块透镜一般是球面透镜,用于把光线经过折射后落在感光元件上。这种技术十分成熟,我们戴的远视眼镜无论是形状还是功能都与它类似。这种镜头的成本最低,但是拍摄出来的景物在边角的位置往往会有些模糊。

锥形镜头能够比较好地还原影像,因为它的透镜是经过精心打磨的非球面透镜。这种透镜能够让拍摄出的景物在边角位置不至于模糊,但是成本比球面透镜要高得多。只有在对画质有比较高的要求的场合,才会使用锥形镜头。

感光原件结构

  感光元件的作用是把光信号转换为电信号。目前使用的感光元件分成CCD和CMOS两类,CCD一般会用在高端产品上,CMOS一般用在家用产品和低端产品上。

CCD和CMOS的主要区别在于数据放大和传输顺序的不同。CMOS的感光度比CCD低,CMOS的成本比CCD低,所以基本市面上正规的针孔摄像头镜头是用CCD,而地下作坊的大多数是用CMOS。

按照数据传输方式的不同来分类

  针孔摄像机可以分成无线和有线两类。无线摄像机会向外发出数据,发射范围可以达到数十米甚至上百米,只要在这一范围内安装接收机就可以收集到视频信号。有线摄像机必须连接数据线才能工作,数据线的另一端往往会连接在录像设备上。除此之外,任何针孔摄像机都是需要电源的;针孔摄像机的镜头是光滑的玻璃;大多数针孔摄像机需要在一定的照明情况下才能获得清晰的影像。

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