2.1 摄像头的硬件组成和工作原理

摄像头的硬件结构如图2-2所示，主要包含光学组件、CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体）图像传感器、DSP（Digital Signal Processing，数字信号处理）单元等。

1）光学组件也叫镜头组件，是由光学镜片、滤光片、保护膜等组成的，是摄像头最基础的硬件部分。

2）CMOS图像传感器简称CIS，也叫感光元件，是模拟电路和数字电路的集成，是摄像头最基础、最重要的模块。其硬件结构如图2-3所示。CIS模块主要包含像素阵列（成千上万的微小像素点规则排列，每个像素点包含一个光电二极管，用于捕获光子并将其转换成电信号）、行/列选择器（控制哪些像素点被读出，允许随机访问图像中的特定区域，也支持全局快门功能）、模拟转换器（将模拟电信号转换为数字信号，便于后续的数字处理）、时序和控制逻辑（负责协调整个图像传感器的工作，包括曝光时间的控制、数据输出的格式和速率等）。

图2-4展示了摄像头的成像原理。滤光片的作用是分离反射光中的RGB颜色分量。这些颜色分量通过CMOS感光元件形成Bayer阵列滤镜。所谓的Bayer阵列，是CIS拍摄彩图的主要技术之一，是由8个绿色、4个蓝色、4个红色像素组成的4×4阵列。它在将灰度图转换为彩色图时会以2×2矩阵进行9次运算，最终生成一幅彩图，如图2-5所示。

3）DSP单元是一种专用的、针对数字信号处理算法运算的微处理器芯片。DSP单元的工作原理是接收来自音频或图像传感器的信号，不断地将信号从模拟形式转换为0或1的数字信号，再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字信号转换回模拟数据或者实际数据格式。DSP单元具有可编程能力，可每秒实时运算数以千万条复杂指令，远超其他通用微处理器。

摄像头在获取数字信号后，通过串行器进行编码，再通过LVDS或者其他高效链路，传输到对应的计算平台上，然后通过对应解串器进行解码，送入计算单元进行图像分析，并最终输出感知结果。图2-6展示了从光信号转换到生成感知结果过程中所涉及的硬件元件以及软件模块。