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闭路监控的相关基础知识

作者:admin     来源:  本站     时间:2012/2/20 15:55:13

闭路监控的相关基础知识

  在闭路监控系统中,摄像机又称摄像头或 CCD ( Charge Coupled Device )即电荷耦合器件。严格来说,摄像机是摄像头和镜头的总称,而实际上,摄像头与镜头大部分是分开购买的,用户根据目标物体的大小和摄像头与物体的距离,通过计算得到镜头的焦距,所以每个用户需要的镜头都是依据实际情况而定的,不要以为摄像机(头)上已经有镜头。

  摄像头的主要传感部件是 CCD ,它具有灵敏度高、畸变小、寿命长、抗震动、抗磁场、体积小、无残影等特点, CCD 是电耦合器件( Charge Couple Device )的简称,它能够将光线变为电荷并可将电荷储存及转移,也可将储存之电荷取出使电压发生变化,因此是理想的摄像元件。是代替摄像管传感器的新型器件。

  CCD 的工作原理是:被摄物体反射光线,传播到镜头,经镜头聚焦到 CCD 芯片上, CCD 根据光的强弱积聚相应的电荷,经周期性放电,产生表示一幅幅画面的电信号,经过滤波、放大处理,通过摄像头的输出端子输出一个标准的复合视频信号。这个标准的视频信号同家用的录像机、 VCD 机、家用摄像机的视频输出是一样的,所以也可以录像或接到电视机上观看。

  CCD 摄像机的选择和分类 CCD 芯片就像人的视网膜,是摄像头的核心。目前我国尚无能力制造,市场上大部分摄像头采用的是日本 SONY 、 SHARP 、松下、 LG 等公司生产的芯片,现在韩国也有能力生产,但质量就要稍逊一筹。 因为芯片生产时采用不同等级,各厂家获得途径不同等原因,造成 CCD 采集效果也大不相同。在购买时,可以采取如下方法检测:接通电源,连接视频电缆到监视器,关闭镜头光圈,看图像全黑时是否有亮点,屏幕上雪花大不大,这些是检测 CCD 芯片最简单直接的方法,而且不需要其它专用仪器。然后可以打开光圈,看一个静物,如果是彩色摄像头,最好摄取一个色彩鲜艳的物体,查看监视器上的图像是否偏色,扭曲,色彩或灰度是否平滑。好的 CCD 可以很好的还原景物的色彩,使物体看起来清晰自然;而残次品的图像就会有偏色现象,即使面对一张白纸,图像也会显示蓝色或红色。个别 CCD 由于生产车间的灰尘, CCD 靶面上会有杂质,在一般情况下,杂质不会影响图像,但在弱光或显微摄像时,细小的灰尘也会造成不良的后果,如果用于此类工作,一定要仔细挑选。

  1、依成像色彩划分 彩色摄像机:适用于景物细部辨别,如辨别衣着或景物的颜色。 黑白摄像机:适用于光线不充足地区及夜间无法安装照明设备的地区,在仅监视景物的位置或移动时,可选用黑白摄像机。

  2、依分辨率灵敏度等划分 影像像素在 38 万以下的为一般型,其中尤以 25 万像素( 512*492 )、分辨率为 400 线的产品最普遍。 影像像素在 38 万以上的高分辨率型。

  3、按 CCD 靶面大小划分 CCD 芯片已经开发出多种尺寸: 目前采用的芯片大多数为 1/3" 和 1/4" 。在购买摄像头时,特别是对摄像角度有比较严格要求的时候, CCD 靶面的大小, CCD 与镜头的配合情况将直接影响视场角的大小和图像的清晰度。 1 英寸 -- 靶面尺寸为宽 12.7mm* 高 9.6mm ,对角线 16mm 。 2/3 英寸 -- 靶面尺寸为宽 8.8mm* 高 6.6mm ,对角线 11mm 。 1/2 英寸 -- 靶面尺寸为宽 6.4mm* 高 4.8mm ,对角线 8mm 。 1/3 英寸 -- 靶面尺寸为宽 4.8mm* 高 3.6mm ,对角线 6mm 。 1/4 英寸 -- 靶面尺寸为宽 3.2mm* 高 2.4mm ,对角线 4mm 。

  4、按扫描制式划分 PAL 制。 NTSC 制。 中国采用隔行扫描( PAL )制式(黑白为 CCIR ),标准为 625 行, 50 场,只有医疗或其它专业领域才用到一些非标准制式。另外,日本为 NTSC 制式, 525 行, 60 场(黑白为 EIA )。

  5、依供电电源划分 110VAC ( NTSC 制式多属此类), 220VAC , 24VAC 。 12VDC 或 9VDC (微型摄像机多属此类)。

  6、按同步方式划分 内同步:用摄像机内同步信号发生电路产生的同步信号来完成操作。 外同步:使用一个外同步信号发生器,将同步信号送入摄像机的外同步输入端。 功率同步(线性锁定, line lock ):用摄像机 AC 电源完成垂直推动同步。 外 VD 同步:将摄像机信号电缆上的 VD 同步脉冲输入完成外 VD 同步。 多台摄像机外同步:对多台摄像机固定外同步,使每一台摄像机可以在同样的条件下作业,因各摄像机同步,这样即使其中一台摄像机转换到其他景物,同步摄像机的画面亦不会失真。

  7 、按照度划分, CCD 又分为:

  普通型 正常工作所需照度 1~3LUX

  月光型 正常工作所需照度 0.1LUX 左右

  星光型 正常工作所需照度 0.01LUX 以下

  红外型 采用红外灯照明,在没有光线的情况下也可以成像

  8 、按外观分:有机板型、针孔型、半球型。

  CCD 彩色摄像机的主要技术指标

  (1) CCD 尺寸,亦即摄像机靶面。原多为 1/2 英寸,现在 1/3 英寸的已普及化, 1/4 英寸和 1/5 英寸也已商品化。

  (2) CCD 像素,是 CCD 的主要性能指标,它决定了显示图像的清晰程度,分辨率越高,图像细节的表现越好。 CCD 是由面阵感光元素组成,每一个元素称为像素,像素越多,图像越清晰。现在市场上大多以 25 万和 38 万像素为划界, 38 万像素以上者为高清晰度摄像机。

  (3)水平分辨率。彩色摄像机的典型分辨率是在 320 到 500 电视线之间,主要有 330 线、 380 线、 420 线、 460 线、 500 线等不同档次。 分辨率是用电视线(简称线 TV LINES )来表示的,彩色摄像头的分辨率在 330~500 线之间。分辨率与 CCD 和镜头有关,还与摄像头电路通道的频带宽度直接相关,通常规律是 1MHz 的频带宽度相当于清晰度为 80 线。 频带越宽,图像越清晰,线数值相对越大。

  (4)最小照度,也称为灵敏度。是 CCD 对环境光线的敏感程度,或者说是 CCD 正常成像时所需要的最暗光线。照度的单位是勒克斯( LUX ),数值越小,表示需要的光线越少,摄像头也越灵敏。月光级和星光级等高增感度摄像机可工作在很暗条件, 2~3lux 属一般照度,现在也有低于 1lux 的普通摄像机问世。

  (5)扫描制式。有 PAL 制和 NTSC 制之分。

  (6)摄像机电源。交流有 220V 、 110V 、 24V ,直流为 12V 或 9V 。

  (7)信噪比。典型值为 46db ,若为 50db ,则图像有少量噪声,但图像质量良好;若为 60db ,则图像质量优良,不出现噪声。

  (8)视频输出。多为 1Vp-p 、 75 Ω,均采用 BNC 接头。

  (9)镜头安装方式。有 C 和 CS 方式,二者间不同之处在于感光距离不同。

  2、 CCD 彩色摄像机的可调整功能

  (1)同步方式的选择

  A 、对单台摄像机而言,主要的同步方式有下列三种:

  内同步 -- 利用摄像机内部的晶体振荡电路产生同步信号来完成操作。 外同步 -- 利用一个外同步信号发生器产生的同步信号送到摄像机的外同步输入端来实现同步。

  电源同步 -- 也称之为线性锁定或行锁定,是利用摄像机的交流电源来完成垂直推动同步,即摄像机和电源零线同步。

  B 、对于多摄像机系统,希望所有的视频输入信号是垂直同步的,这样在变换摄像机输出时,不会造成画面失真,但是由于多摄像机系统中的各台摄像机供电可能取自三相电源中的不同相位,甚至整个系统与交流电源不同步,此时可采取的措施有: 均采用同一个外同步信号发生器产生的同步信号送入各台摄像机的外同步输入端来调节同步。 调节各台摄像机的 " 相位调节 " 电位器,因摄像机在出厂时,其垂直同步是与交流电的上升沿正过零点同相的,故使用相位延迟电路可使每台摄像机有不同的相移,从而获得合适的垂直同步,相位调整范围 0~360 度。

  (2)自动增益控制 所有摄像机都有一个将来自 CCD 的信号放大到可以使用水准的视频放大器,其放大量即增益,等效于有较高的灵敏度,可使其在微光下灵敏,然而在亮光照的环境中放大器将过载,使视频信号畸变。为此,需利用摄像机的自动增益控制( AGC )电路去探测视频信号的电平,适时地开关 AGC ,从而使摄像机能够在较大的光照范围内工作,此即动态范围,即在低照度时自动增加摄像机的灵敏度,从而提高图像信号的强度来获得清晰的图像。

  (3)背景光补偿 通常,摄像机的 AGC 工作点是通过对整个视场的内容作平均来确定的,但如果视场中包含一个很亮的背景区域和一个很暗的前景目标,则此时确定的 AGC 工作点有可能对于前景目标是不够合适的,背景光补偿有可能改善前景目标显示状况。 当背景光补偿为开启时,摄像机仅对整个视场的一个子区域求平均来确定其 AGC 工作点,此时如果前景目标位于该子区域内时,则前景目标的可视性有望改善。

  (4)电子快门 在 CCD 摄像机内,是用光学电控影像表面的电荷积累时间来操纵快门。电子快门控制摄像机 CCD 的累积时间,当电子快门关闭时,对 NTSC 摄像机,其 CCD 累积时间为 1/60 秒;对于 PAL 摄像机,则为 1/50 秒。当摄像机的电子快门打开时,对于 NTSC 摄像机,其电子快门以 261 步覆盖从 1/60 秒到 1/10000 秒的范围;对于 PAL 型摄像机,其电子快门则以 311 步覆盖从 1/50 秒到 1/10000 秒的范围。当电子快门速度增加时,在每个视频场允许的时间内,聚焦在 CCD 上的光减少,结果将降低摄像机的灵敏度,然而,较高的快门速度对于观察运动图像会产生一个 " 停顿动作 " 效应,这将大大地增加摄像机的动态分辨率。

  (5)白平衡 白平衡只用于彩色摄像机,其用途是实现摄像机图像能精确反映景物状况,有手动白平衡和自动白平衡两种方式。

  A 、自动白平衡 连续方式 -- 此时白平衡设置将随着景物色彩温度的改变而连续地调整,范围为 2800~6000K 。这种方式对于景物的色彩温度在拍摄期间不断改变的场合是最适宜的,使色彩表现自然,但对于景物中很少甚至没有白色时,连续的白平衡不能产生最佳的彩色效果。 按钮方式 -- 先将摄像机对准诸如白墙、白纸等白色目标,然后将自动方式开关从手动拨到设置位置,保留在该位置几秒钟或者至图像呈现白色为止,在白平衡被执行后,将自动方式开关拨回手动位置以锁定该白平衡的设置,此时白平衡设置将保持在摄像机的存储器中,直至再次执行被改变为止,其范围为 2300~10000K ,在此期间,即使摄像机断电也不会丢失该设置。以按钮方式设置白平衡最为精确和可靠,适用于大部分应用场合。

  B 、手动白平衡 开手动白平衡将关闭自动白平衡,此时改变图像的红色或兰色状况有多达 107 个等级供调节,如增加或减少红色各一个等级、增加或减少兰色各一个等级。除次之外,有的摄像机还有将白平衡固定在 3200K (白炽灯水平)和 5500K (日光水平)等档次命令。

  (6)色彩调整 对于大多数应用而言,是不需要对摄像机作色彩调整的,如需调整则需细心调整以免影响其他色彩,可调色彩方式有: 红色 - 黄色色彩增加,此时将红色向洋红色移动一步。 红色 - 黄色色彩减少,此时将红色向黄色移动一步。 兰色 - 黄色色彩增加,此时将兰色向青兰色移动一步。 兰色 - 黄色色彩减少,此时将兰色向洋红色移动一步。

  3、数字化式的调整控制方法

  新型摄像机对前述各项可选参数的调整采用数字式调整控制,此时不必手动调节电位计而是采用辅助控制码,而且这些调整参数被储存在数字记忆单元中,增加了稳定性和可靠性。

  DSP 摄像机 在模拟制式的基础上引入部分数字化处理技术,称为数字信号处理( DSP , DIGITAL SIGNAL PROCESSOR )摄像机。该种摄像机具有以下优点:

  1、由于采用了数字检测和数字运算技术而具有智能化背景光补偿功能。常规摄像机要求被摄景物置于画面中央并要占据较大的面积方能有较好的背景光补偿,否则过亮的背景光可能会降低图像中心的透明度。而 DSP 摄像机是将一个画面划分成 48 个小处理区域来有效地检测目标,这样即使是很小的、很薄的或不在画面中心区域的景物均能清楚地呈现。

  2、由于 DSP 技术而能自动跟踪白平衡,即可以在任何条件检测和跟踪 " 白色 " ,并以数字运算处理功能来再现原始的色彩。传统的摄像机因系对画面上的全部色彩作平均处理,这样如果彩色物体在画面上占据很大面积,那么彩色重现将不平衡,也就是不能重现原始色彩。 DSP 摄像机是将一个画面分成 48 个小处理区域,这样就能够有效地检测白色,即使画面上只有很小的一块白色,该摄像机也能跟踪它从而再现出原始的色彩。 在拍摄网格状物体时,可将由摄像机彩色噪声引起的图像混叠减至最少 。

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