摄像头采集方案概述

有人问：CMOS摄像头与USB摄像头有什么区别吗？

有人答：CMOS指的是感光材料，USB指的是连接方式。

其实这个问题应该是“USB接口的摄像头”和 “监控用的摄像头+视频采集卡”有什么区别？

又有人答：监控摄像头的安装，一般需要使用几米至几十米不等的传输距离，但按照USB的标准规定，USB设备的最长的传输距离是5米，所以USB都不能长距离使用，这就是我们使用USB摄像头做监控遇到的第一个问题，摄像头的传输距离。其实USB的传输距离也可以解决，USB可以通过HUB来延长传输距离，每增加一个HUB，就可以延长5米，一共可以增加5个HUB，也就是延长5次，每次5米，所以最长可以延长25米。为什么USB对距离的要求这么严格呢？这是因为USB的信号频率很高，线在传输信号的过程中对信号的衰减很大，当信号衰减到无法维持信号的正常传输的时候，WINDOWS就会提示“找到无法识别的USB设备”，所以一般距离都不能超过5米！。另外USB2.0比USB 1.1对距离更敏感，传输距离很难超过2米。

在此总结一下USB摄像头的缺点:
USB监控摄像头的不足之处有以下几点：
1、USB摄像头视频通过软件来压缩的，因此会占用较大CPU，因此请为电脑配置较高等级的CPU处理器，而传统监控设备则会配置专门的硬件来完成视频的压缩，不会占用CPU。
2、虽然可以通过延长线来增加传输距离，但是一般的USB延长线只有40米左右，太长了会导致USB摄像头供电不足或不稳定。
3、反映灵敏度不如专业监控，一般的USB摄像头只有30帧/秒，不过现在市场上也有60帧/秒的高速USB摄像头。
4、单台电脑只持镜头数不多，这个受限在电脑主板的USB总带宽，故有的电脑能同时打开2个摄像头，而有的电脑却能打开5个摄像头。传统监控设备的可以同时开16路、32路，甚至更多。

接下来我们认识一下什么是视频采集卡？
视频采集卡(Video Capture card)也叫视频卡，用以将模拟摄像机、录像机、LD视盘机、电视机输出的视频信号等输出的视频数据或者视频和音频的混合数据输入电脑，并转换成电脑可辨别的数字数据，存储在电脑中，成为可编辑处理的视频数据文件。

再介绍摄像机之前我们直接说一下两个接口（稍微提一下）

PCIExpress接口
PCI Express（以下简称PCI-E）采用了目前业内流行的点对点串行连接，比起PCI以及更早期的计算机总线的共享并行架构，每个设备都有自己的专用连接，不需要向整个总线请求带宽，而且可以把数据传输率提高到一个很高的频率，达到PCI所不能提供的高带宽。相对于传统PCI总线在单一时间周期内只能实现单向传输，PCI-E的双单工连接能提供更高的传输速率和质量，它们之间的差异跟半双工和全双工类似。
PCI-E的接口根据总线位宽不同而有所差异，包括X1、X4、X8以及X16，而X2模式将用于内部接口而非插槽模式。
PCI Express总线是为将来的计算机和通讯平台定义的一种高性能，通用I\O互连总线。

PMOD接口

PMod接口是由Digilent开发的，用于低速LPC外设与主控制板之间。PMod接口包括12个引脚，采用双排（2×6）排列，包括8个I/O信号引脚和2个电源引脚和2个地信号引脚

CCD摄像机工作方式：
被摄物体的图像经过镜头聚焦至CCD芯片上，CCD根据光的强弱积累相应比例的电荷，各个像素积累的电荷在视频时序的控制下，逐点外移，经滤波、放大处理后，形成视频信号输出。视频信号连接到监视器或电视机的视频输入端便可以看到与原始图像相同的视频图像。它是一种半导体成像器件，为简化CCD摄像机的供电，一般从外部只输入一种电源（12V），而机内其他各种电压值的电源都由电源变换获得。

CCD是什么？
CCD，英文全称：Charge-coupled Device，中文全称：电荷耦合元件。可以称为CCD图像传感器。
CCD是一种半导体器件，能够把光学影像转化为电信号。 CCD上植入的微小光敏物质称作像素（Pixel）。一块CCD上包含的像素数越多，其提供的画面分辨率也就越高。CCD上有许多排列整齐的光电二极管，能感应光线，并将光信号转变成电信号，经外部采样放大及模数转换电路转换成数字图像信号。

CMOS是什么？
CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）即互补性金属氧化物半导体。CMOS图像传感器通常由像敏单元阵列、行驱动器、列驱动器、时序控制逻辑、AD转换器、数据总线输出接口、控制接口等几部分组成,这几部分通常都被集成在同一块硅片上。其工作过程一般可分为复位、光电转换、积分、读出几部分。

CCD与CMOS的区别

成像方面：在相同像素下CCD的成像通透性、明锐度都很好，色彩还原、曝光可以保证基本准确。而CMOS的产品往往通透性一般，对实物的色彩还原能力偏弱，曝光也都不太好，由于自身物理特性的原因，CMOS的成像质量和CCD还是有一定距离的。但由于低廉的价格以及高度的整合性，因此在摄像头领域还是得到了广泛的应用。
CMOS的信号是以点为单位的电荷信号，而CCD是以行为单位的电流信号，前者更为敏感，速度也更快，更为省电。现在高级的CMOS并不比一般CCD差，但是CMOS工艺还不是十分成熟，普通的CMOS一般分辨率低而成像较差。

CCD每曝光一次，在快门关闭后进行像素转移处理，将每一行中每一个像素（pixel）的电荷信号依序传入“缓冲器”中，由底端的线路引导输出至CCD旁的放大器进行放大，再串联ADC输出；相对地，CMOS的设计中每个像素旁就直接连着ADC（放大兼类比数字信号转换器），讯号直接放大并转换成数字信号。

由于CMOS每个感光二极体旁都搭配一个ADC放大器，如果以百万像素计，那么就需要百万个以上的ADC放大器，虽然是统一制造下的产品，但是每个放大器或多或少都有些微的差异存在，很难达到放大同步的效果，对比单一个放大器的CCD，CMOS最终计算出的噪点就比较多。

尽管CCD在影像品质等各方面均优于CMOS，但不可否认的CMOS具有低成本、低耗电以及高整合度的特性。

了解了上述两种图像传感器，接下来我们了解一下摄像头的接口协议：
首先说一个复杂一些的SCCB总线协议，也就是串行摄像机控制总线协议
OmniVision 传 感 器 的 初 始 化 是 通过 SCCB 总 线 协 议 的 方 式 实 现 的 , 利 用 FPGA 实 现 图 像采 集 的 关 键 是 在 FPGA 中 实 现 SCCB 总 线 协 议基 于 FPGA 通 过 SCCB 总 线 对 OV7670 初 始 化 就 是对摄像头的寄存器进行配置 , 使其按 照设 定的输 出要 求进 行 数 据 输 出。

SCCB 是OmniVision 公司定制的串行摄像头控制总线(Serial Camera Control Bus)  ,它用于对摄像头的寄存器进行读写,以达到对摄像头输出图像的控制。两线制SCCB 与I2C 总线类似,是一种双向二线制同步串行总线。SCCB 的数据传输由主器件控制,主器件能够发出数据传输启动信号、时钟信号以及传送结束时的停止信号。通常主器件都是微处理器,它寻址访问的设备称为从器件。为了进行通讯,每个接到SCCB 的设备都有一个唯一的地址( ID) ,使用软件来识别总线上的从器件,省去了从器件的片选。因此,只需要两根线(串行时钟线SIO C 和串行数据线SIO D) ,挂接到总线上的器件就能相互进行信息传递。

数据传输起始条件的实现

三线SCCB总线工作方式下的数据传输的起始由使能信号SCCB—E决定,当SCCB—E的信号发生一个由高到低的变化(high—to-low)时,表明一次SCCB总线数据传输的开始。在SCCB—E表明数据传输开始之前,主机必须将数据线S10_D置为1,这样可以避免总线数据传输开始之前的总线不确定状态的出现。

数据传输结束(停止)条件

SCCB_E由低到高(10w-to-high)的变化表示一次数据传输的结束。

然后说一下简单的USB总线协议

USB总线属于一种轮询式总线，主机控制端口初始化所有的数据传输。每一总线动作最多传送三个数据包，包括令牌(Token)、数据(Data)、联络(HandShake)。
按照传输前制定好的原则，在每次传送开始时，主机送一个描述传输动作的种类、方向、USB设备地址和终端号的USB数据包，这个数据包通常被称为令牌包(TokenPacket)。USB设备从解码后的
数据包的适当位置取出属于自己的数据。数据传输方向不是从主机到设备就是从设备到主机。

USB体系定义了四种类型的传输，它们是：

 
              控制传输：主要用于在设备连接时对设备进行枚举以及其他因设备不同的特定操作。
 
              中断传输：用于对延迟要求严格，小量数据的可靠传输，如键盘，游戏手柄等。
 
              批量传输: 用于对延迟要求宽松，大量数据的可靠传输，如U盘等。
 
              同步传输：用于对可靠性要求不高的实时数据传输，如摄像头，USB音响等。

多说一点，计算机的总线可以划分为数据总线、地址总线和控制总线，分别用来传输数据、数据地址和控制信号。总线是一种内部结构，它是cpu、内存、输入、输出设备传递信息的公用通道，主机的各个部件通过总线相连接，外部设备通过相应的接口电路再与总线相连接，从而形成了计算机硬件系统。

这次就先到这里，今后有机会有时间再深入地了解一下摄像机的工作原理以及驱动的编写，主要是芯片引脚的定义和接口总线协议。