培训-监控摄像机基础知识

监控摄像机基础知识,Outlines,监控摄像机的分类 模拟摄像机的基本构成 摄像机各组成部分的作用 摄像机常用术语 摄像机的常用指标 FAQ,按传感器类型分,监控摄像机的分类,CCD摄像机,CMOS摄像机,普通型摄像机,日夜型摄像机,按功能分,按清晰度分,标清摄像机,高清摄像机,红外摄像机,按传输方式分,模拟摄像机,网络摄像机,按外形结构分,模拟监控摄像机的基本构成,1、镜头：镜头就是摄像机的眼睛。画面的清晰程度和影像层次是否丰富等表现能力，受光学镜头的内在质量所制约,摄像机各组成部分的作用,CS型安装座摄像机上使用C型镜头的话，需要加一个 高度为5mm的转换接圈,D型按照接口方式不同，又分为螺纹型（M12） 和直插型（14）两种,监控摄像机镜头的工业标准 C-Mount，CS-Mount和D-Mount C型和CS型镜头的口径及螺纹都是一样的，区别在于： C型从镜头安装基准面到焦点的距离是17.526mm； CS型从镜头安装基准面到焦点的距离是12.5mm,14镜头（直插镜头，无螺纹镜头,M12镜头（有螺纹镜头,镜头的种类 按照光圈调节方式分类： 手动光圈镜头 自动光圈镜头：直流驱动自动光圈镜头（DC Auto Iris lens） 视频驱动自动光圈镜头（Video Auto Iris lens） 按照视角大小不同分类： 广角镜头：视角90度以上，观察范围较大，近处图像有变形。 标准镜头：视角30度左右，使用范围较广。 长焦镜头：视角20度以内，焦距可达几十毫米或上百毫米。 变焦镜头：镜头焦距连续可变，焦距可以从广角变到长焦，焦 距越长则成像越大。 针孔镜头：用于隐蔽观察，经常被安装在如天花板 或墙壁等地方,焦距透镜的光心到光聚集之焦点的距离。它基本上就是从镜头的中心点到传感器平面上所形成的清晰影像之间的距离。 镜头的焦距决定了该镜头拍摄的物体在传感器上所形成影像的大小。 假设以相同的距离面对同一物体进行拍摄，那么镜头的焦距越长，则物体所形成的影像就越大。 当摄像机镜头的成像尺寸被确定之后，对一个固定焦距的镜头来说则相对具有一个固定的视野，常用视场来表示视野的大小。它的规律是，焦距越短，视角和视场就越大。所以短焦距镜头又被称为广角镜头,镜头的参数指标,光圈系数（F值）:为了控制通过镜头的光通量的大小，在镜头的后部均设置了光圈。镜头焦距和镜头有效孔径的比值称为光圈系数，也称为F值，光圈系数决定被摄像的照度(亮度)，F 值越小，光圈越大，到达SENSOR的通光量就越大。 计算方式：F=f/D ；其中D为镜头的有效孔径； 镜头的最大光圈系数往往标示在镜头上，如1:1.2或F1.2,视场角（FOV）: 镜头所能覆盖的范围，(物体超过这个角就不会被收在镜头里),一个摄像机镜头能涵盖多大范围的景物，通常以角度来表示，这个角度就叫镜头的视角FOV。被摄对象透过镜头在焦点平面上结成可见影像所包括的面积，是镜头的视场,景深（DOF）：当镜头聚集于被摄影物的某一点时，这一点上的物体就能在电视画面上清晰地结像。在这一点前后一定范围内的景物也能记录得较为清晰。这就是说，镜头拍摄景物的清晰范围是有一定限度的。这种在摄像管聚焦成像面前后能记录得“较为清晰”的被摄影物纵深的范围便为景深,当镜头对准被摄景物时，被摄景物前面的清晰范围叫前景深，后面的清晰范围叫后景深。前景深和后景深加在一起，也就是整个电视画面从最近清晰点到最远清晰点的深度，叫全景深。一般所说的景深就是指全景深,分辨率（Resolution）：又称鉴别率、解像力，指镜头清晰分辨被摄景物细节的能力，制约镜头分辨率的原因是光的衍射现象。分辨率的单位是“线对/毫米“ （lp/mm,镜头各参数间的相互影响关系,1. 焦距大小的影响情况 焦距越小，景深越大，畸变越大; 2. 光圈大小的影响情况光圈越大，图像亮度越高，景深越小； 3. 像场中央与边缘 一般像场中心较边缘分辨率高; 一般像场中心较边缘光场照度高,为了获得预期的摄像效果，在选配镜头时，应着重注意六个基本要素（选配镜头原则）： 1、 被摄物体的大小； 2、 被摄物体的细节尺寸； 3、 物距； 4、 焦距； 5、 CCD摄像机靶面的尺寸； 6、 镜头及摄像系统的分辨率 说明：镜头的成像尺寸要与传感器靶面相匹配；当镜头的成像尺寸比传感器靶面尺寸小时，图像的4个角会出现黑角。例如1/3“的镜头用在1/2” CCD的摄像机上，会有黑角；反之，则没有问题，但视场角会减小,2、滤光片：阻隔不需要的光波频段。 人眼可见的光波波长范围约为380nm-780nm,Sensor的光谱响应曲线,滤光片的种类 按功能分，监控常用的滤光片主要有以下三种： 普通型滤光片通过380-680nm的可见光； 日夜型滤光片配合850nm红外灯使用的滤光片，可通过380-680nm及峰值为850nm的极窄一段波长的红外光。 可移动滤光片（ICR）一般由两片滤光片组成，一片可通过可见光，阻隔其他波段的光；一片可通过任何波段的光。由摄像机或光敏电阻控制其切换。这种滤光片需要用带IR纠正的镜头来弥补其两种滤光片折射率不一致造成的失焦问题。 按材质分，滤光片主要有两种： 镀膜片 蓝玻璃，有色玻璃,组成 根据应用场合的不同，滤光片主要有以下四种组合方式： 光学玻璃上镀膜用于光敏电阻 单片式蓝玻璃 蓝玻璃+水晶片 镀膜+水晶片,3、图像传感器 图像传感器的作用是将光信号转换成电信号。 分类： CCDCharge Coupled Device，电荷耦合器件，区分NTSC制和PAL制 优点：成像质量好，信噪比高 缺点：功耗较大，成本较高，制作工艺复杂 CMOSComplementary Metal-Oxide-Semiconductor Transistor ，互补金属氧化物半导体 优点：功耗较小，相同分辨率下成本比CCD低，工艺简单 缺点：噪点较大，成像质量相对较差 目前市面上较常用的传感器品牌： Sony，Sharp，LG，Aptina，Omnivision（OV,常用CCD/CMOS标称芯片尺寸,有效像素（ Effective Pixels,有效像素数是指真正参与感光成像的像素值。最高像素的数值是图像传感器的真实像素，这个数据通常包含了感光器件的非成像部分。以SONY 1/3 Super HAD CCD PAL值为例，其总像素为：795（H）596（V），有效像素为：752（H）582（V） ；CCD的有效像素决定了图像的清晰度水平,主流Sony CCD 系列,4、后端处理部分（TG，AGC，DSP） TGTiming Generator，控制CCD的处理速度 AGCAutomatic Gain Control，对CCD出来的信号进行“修 整” DSPDigital Signal Processor，对CCD出来的图像进行各 种图像处理，如白平衡（AWB），自动曝光控制 （AE），亮度控制，Gamma调整等等。 目前市面上较常用的DSP品牌： Sony，Sharp，松下，三星，NextChip,常用术语,一、白平衡（AWB） 白平衡是摄像机的重要指标之一；白平衡的作用是使摄像机在 不同色温的照明环境下都能正确还原物体的颜色，使其不偏色,色温的基础知识,自然界的光线不总是相同的。可感知到的一个物体颜色依赖于照射到他的光源。人类的大脑可以很好地“校正”这些颜色变化，但是我们所使用的CCD/CMOS感光器却不能完成这样的任务。苏格兰数学家和物理学家lord kelvin在1848年最早发现了热与颜色的紧密结合关系并且留给世界了一个伟大的“绝对零度”（-273.16摄氏度）概念，从此创立了开氏温标,常见光源色温,摄像机的白平衡模式有多种，以下是较常用的模式： ATW模式，也称自动追踪模式，此模式可使摄像机自动检测环境色温的变化，自行进行调整。适用于光源会变化的场合；（有的摄像机会标为AWB模式） Push模式，此模式需要摄像机对准白色物体，并发送命令让摄像机记录下当前色温值。此后摄像机在Push模式下只使用此色温值进行色彩还原，直到记录的色温值被改变；此模式适用于光源恒定的环境； 手动白平衡模式，用户手动设置色温值或者手动调节画面的三基色的增益（如红、蓝，只要其中两种确定了，第三基色的增益也就确定了,例子：白平衡不正确引起的偏色,二、Gamma校正 Gamma源于CRT（显示器/电视机）的响应曲线，即其亮度与输入电压的非线性关系。一个理想的Gamma校正通过相反的非线性转换把该转换反转输出来。Gamma 校正补偿了不同输出设备存在的颜色显示差异，从而使图像在不同的监视器上呈现出相同的效果。Gamma值的修正，可以改变画面明暗，增加对比。 Output=input gamma,一般CRT显示器的亮度响应曲线,视频信号经过Gamma校正以后在显示器端被还原为线性信号,经过Gamma校正的视频信号,CRT监视器,信号还原,三、分辨率/清晰度 分辨率/清晰度是指显示器中显示并详细描绘摄像机所捕捉图像的能力，在安防市场中，经常用水平扫描线数（HTVL）来代指分辨率，而垂直扫描线数（VTVL）则很少有人关心。 目前常见的模拟监控摄像机分辨率： 420TVL（低线）、480TVL、540TVL（高线） Sony正在推广的新一代方案 Effio，分辨率可达600TVL,清晰度的测量方法：使用特定的照明条件及测试卡，用目测法观察监视上图像中心上能分辨的最大线数,四、最低照度 摄像机输出端之视频信号幅度降至额定电平的一半时物体的最小照度。此外，测试时最低照度的数值，是受诸多因素影响的，包括： 各厂家有用信号（黑电平至白电平）幅度的定义值有所不同，所用相同最低照度的摄像机，因幅度的定义值不同，效果也显着不同。对于选用者这就是要在相同条件下来比对； 同一个摄像机在不同光圈下，其最低照度不一样。光圈越大，代表口径越大，最低照度会降低（即灵敏度会提高）； 最低照度还受光源色温影响； 最低照度还和反射率（目标的反射和背景）有关； 最低照度还和AGC的大小、快门状态等有关,五、信噪比（S/N ratio） 信噪比是信号电压对于噪声电压的比值，通常用符号S/N来表示。由于在一般情况下，信号电压远高于噪声电压，比值非常大，信噪比的单位用dB来表示。一般摄像机给出的信噪比值均是在AGC（自动增益控制）关闭时的值，因为当AGC接通时，会对小信号进行提升，使得噪声电平也相应提高。 信噪比的典型值为4555db，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。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,六、AGC（Automatic Gain Control） 所有摄像机都有一个用于将来自CCD的信号进行放大的视频放大器，其放大量即增益；视频放大器可使摄像机在低光照环境下灵敏，然而在光照充足的环境中，放大器将过载，使视频信号畸变。为此，需要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，从而使摄像机能在较大的光照范围内工作。具有AGC功能的摄像机，在低照度时的灵敏度会有所提高，但此时的噪点也会比较明显。这是由于信号和噪声被同时放大的缘故。 说明：提高AGC的值并不能提升信噪比；在低光照环境下提高AGC值可使画面亮度提高，但是噪点也会相应增多,七、电子快门（Electronic shutter，ES） 根据人眼的视觉暂留特性，为了确保看到的图像是连续的，PAL制电视信号的标准是25帧/秒隔行扫描，就是说，每一秒种经过我们眼前的图像实际是由25个画面构成的连续画面，因为是隔行扫描，每2个场才能构成一个帧，所以每1秒钟，PAL制的图像是50场，1场的时间就是快门的间隔，每一秒钟，快门必须要工作50次，才能确保输出的图像是50场/秒的PAL制图像，所以PAL制的最低快门速度是1/50秒。 实际应用中，因为环境中光线可能会很强，这个时候可能会需要控制进光量，就需要控制快门速度，速度越快时，光线能够进