谈谈针孔摄像机

谈到针孔摄像机，首先得澄清一个常见的误解：事实上，人们通常所说的针孔摄像机，用的并不是针孔镜头。针孔镜头是指利用小孔成像原理来得到影像的镜头，它造价低廉，原理简单，但是有一个致命的弱点：透过小孔的光线太少而导致曝光时间过长。在阳光下使用针孔镜头拍摄照片需要花几分钟到十几分钟，在夜晚拍摄时曝光时间则要达到几个小时。很显然，对于每秒钟要拍摄十几张到几十张的摄像机来说，是达不到要求的。针孔镜头是无法应用在摄像机上的，因而也就不存在严格意义上的“针孔”摄像机。虽然如此，在这篇文章里我们还是按照习惯的说法，将那些使用鱼眼镜头、平面镜头或锥形镜头的微型摄像机称之为针孔摄像机。

关于针孔摄像机的第二个误解是，人们往往会将“偷拍”、“暗访”这样的词与它联系起来，随之而来的是强烈的不安全感。然而，实际上，在大多数情况下，针孔摄像机被应用在保护人们的生命、财产和隐私上，而不是起到相反的作用。

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。

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。