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安防视频监控系统CMOS摄像机的组成及原理


由于CMOS器件有非常高的输入阻抗、非常低的静态功耗、电源电压范围宽、驱动与抗干扰能力强等优点,又便于集成,所以目前大力研发CMOS作为图像传感器,这种用CMOS-APS图像传感器为核心的CMOS摄像机,实际是将摄像机的所有功能电路集成在一个芯片上的单芯片摄像机。下面以美国Omni Vision公司的OV7910(彩色)和OV7410/0V7411(黑/白)单芯片1/3in的CMOS视频摄像器件为例,介绍单芯片视频摄像机的封装引脚排列、结构原理、光谱特性与视频时序等。

一、单芯片1/3in CMOS摄像机的引脚排列

美国Omni Vision公司的OV7910(彩色)和OV7410/0V7411(黑/白)是单芯片CMOS视频摄像器件,它在这单个芯片上高度集成了彩色/黑白模拟摄像机的全部功能,因此是1/3in单芯片视频。每个单芯片都可以输出PAL/NTSC全电视信号和S视频,彩色OV7910还可以输出RGB和YUV分量视频信号。每个单芯片也都可以直接连接电视机、视频监视器和其他75 Ω终端输入的视频设备。彩色OV7910与黑白OV7410或OV7411视频摄像机是低功耗设计,它们仅需要单5V直流供电,所以非常适于小体积、低电压、低功耗、低成本的彩色/黑白摄像机的应用。

OV7910/OV7410/OV7411的封装(有陶瓷LCC48与塑料LCC48)引脚如图1所示,其引脚功能说明可参见产品说明书。

图1 单芯片1/3in的CMOS摄像机引脚

这三种CMOS摄像器件所作CMOS摄像机的主要参数如下。

•成像像素:PAL为628x582,NTSC为5103x492。

•感光面尺寸:PAL为5.78x4.19mnF,NTSC为4.69*3.54mm2

•最低照度(3000K):OV7910<31x/F1.2,OV7410<0.5lx/F1.2,OV741<0.2lx/F1.2。

•自动电子快门:1/60~/15000。

•固定图案噪声:<0.03%峰-峰值。

•信噪比(S/N):>48dB。

•动态范围:>72dB。

•暗电流:<0.2nA/cm2。

•电源电压:DC5V,±5%。

•额定功耗:200mW。

二、单芯片1/3in的CMOS摄像机结构原理

单芯片1/3in的CMOS摄像机结构原理如图2所示。

图2 单芯片1/3in的CMOS摄像机的结构原理

其中,图像传感器为彩色OV7910或黑白OV7410/OV7411,它们支持多种视频格式,包括全电视信号(CVBS)、S-视频信号(YO/CO)、RGB分量信号、YUV分量信号和黑白信号。而全电视信号和S-视频信号由芯片内电视编码器产生,RGB/YUV/黑白输出,由进入编码器之前的彩色矩阵产生。图像传感器通过彩色矩阵,按照RG/BG Bayer图案送出原始像素数据,产生RGB和YUV分量的电视信号。同时,YUV信号经处理产生全电视信号和S-视频信号。需提出注意的是,其中有关彩色格式设置只对OV7910有效。

摄像机中的图像传感器、增益控制、模拟信号处理器控制等都由时钟/定时发生器及其控制逻辑驱动控制。CMOS图像传感器的输岀信号经放大器放大,而进入模拟信号处理器处理后输出。这种CMOS摄像机还有自动增益控制AGC、AGC增益范围、自动曝光控制AEC、伽玛校正和背光控制等。此外,其他可编程功能还包括亮度微调、鲜明度调整、色饱和度调整、镜像图像控制和低功耗待机模式。上述这些功能都可以通过CMOS图像传感器的外部引脚或SCCB接口来设置。这个SCCB总线接口,是一个高速串行接口,它通过控制寄存器单元进行编程控制。SCCB支持多字节读/写操作,在多字节读/写周期中,在第一个数据字节完成后,子地址自动递增,使得连续位置的存取,可以在一个总线周期内完成。

三、单芯片CMOS摄像机的光谱响应与视频时序

OV7910/OV7410/OV7411单芯片CMOS摄像机的光谱响应曲线如图3所示。

图3 光谱响应曲线

单芯片1/3in的CMOS摄像机的视频时序如图4所示,图4(a)为水平时序,图4(b)为垂直时序。

图4 单芯片1/3in的CMOS摄像机视频时序

OV7910/OV7410/OV7411三种单芯片视频摄像机是低功耗设计,仅需要单DC5V供电,因此体积小、电压低、功耗低、成本低,已广泛应用于安防监控中。

美国Omni Vision技术有限公司还有像素1280x1024的OV9620(彩色)与OV9120(黑白)等图像传感器,它们是输出数字图像信号的供电电压为3.3V的CMOS摄像器件,现已用于数码相机等影像设备中。

美国Foven公司还研制出了具有世界上最高分辨率(1680万像素)的CMOS-APS图像传感器,这种图像传感器在分辨率和图像质量方面取得了重大突破。其分辨率是当今低档消费数码相机中普遍使用的CMOS图像传感器的50倍。