视频编解码学习六之视频采集和存储

视频采集的核心原理是用光学元件（如摄像头）将光信号转换为电信号进行传输和存储。

摄像头的主要功能是将光学图像转换为电信号（模拟或数字），核心流程如下：

1. 光学成像

• 镜头组：聚焦光线到感光元件上，通过调整焦距、光圈控制进光量和景深。

• 红外滤波：多数摄像头配备IR-cut滤光片，阻挡红外光干扰色彩还原（尤其在CMOS传感器中）。

2. 光电转换

• 感光传感器：

  • CCD（电荷耦合器件）：通过光电效应生成电荷，逐行转移电荷并输出模拟电压信号。

  • CMOS（互补金属氧化物半导体）：每个像素点直接集成放大电路，功耗低、速度快，主流选择。

• 像素结构：采用Bayer滤镜（RGB排列）或Foveon X3（三层感光）捕捉色彩信息。

3. 信号处理

• 模拟信号处理（部分老式摄像头）：

  • 预放大、伽马校正（补偿人眼非线性感知）。

  • 生成复合视频信号（如CVBS）或分离信号（Y/C）。

• 数字信号处理（现代摄像头）：

  • ADC转换：将模拟信号转为数字信号（如10-bit或12-bit量化）。

  • ISP（图像信号处理器）：执行去马赛克（Demosaic）、降噪、白平衡、HDR合成等。

4. 输出/传输

• 模拟输出：如PAL/NTSC制式的复合视频（通过BNC或RCA接口）。

• 数字输出：通过USB（UVC协议）、MIPI CSI（嵌入式设备）、HDMI或网络（IP摄像头）传输。

5. 特殊功能

• 自动对焦（AF）：通过反差检测、相位检测或激光测距。

• 低光增强：高感光度（ISO）模式、多帧合成或红外夜视。

存储原理参考录像机

录像机的核心功能是记录（和回放）视频信号，分为模拟录像机和数字录像机两类：

1. 模拟录像机（如VHS、Betamax）

• 信号输入：接收摄像头或电视的模拟信号（复合视频、S-Video）。

• 信号调制：

  • 亮度信号（Y）：调频（FM）到高频载波。

  • 色度信号（C）：降频后叠加（如VHS将色度信号下移至629 kHz）。

• 磁记录：

  • 旋转磁头：磁带高速旋转，磁头斜向记录磁迹（提高存储密度）。

  • 偏磁技术：叠加高频交流偏磁信号，减少非线性失真。

2. 数字录像机（如DVR、NVR）

• 数字信号输入：直接接收数字视频流（如IP摄像头的RTSP流）。

• 编码压缩：

  • 使用H.264/H.265等编码器压缩数据。

  • 帧间预测（I/P/B帧）减少冗余。

• 存储介质：

  • 硬盘（HDD/SSD）、SD卡或网络存储（NAS）。

• 回放处理：解码、去块滤波、分辨率适配。

3. 混合录像机（Hybrid DVR）

• 支持模拟和数字信号输入，内部通过ADC和编码器统一处理。