CCD摄像机 _生活百科

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CCD摄像机【CCD摄像机】CCD是Charge Coupled Device(电荷耦合器件)的缩写，它是一种半导体成像器件，因而具有灵敏度高、抗强光、畸变小、体积小、寿命长、抗震动等优点。
基本介绍中文名：CCD摄像机
优点：灵敏度高、抗强光、畸变小等
性能指标：清晰度、最低照度、信噪比
同步方式：内同步、电源同步、外同步
基本信息工作方式被摄物体的图像经过镜头聚焦至CCD晶片上，CCD根据光的强弱积累相应比例的电荷，各个像素积累的电荷在视频时序的控制下，逐点外移，经滤波、放大处理后，形成视频信号输出。视频信号连线到监视器或电视机的视频输入端便可以看到与原始图像相同的视频图像。它是一种半导体成像器件，为简化CCD摄像机的供电，一般从外部只输入一种电源（12V），而机内其他各种电压值的电源都由电源变换获得。解析度的选择评估摄像机解析度的指标是水平解析度，其单位为线对，即成像后可以分辨的黑白线对的数目。常用的黑白摄像机的解析度一般为380-600，彩色为380-480，其数值越大成像越清晰。一般的监视场合，用400线左右的黑白摄像机就可以满足要求。而对于医疗、图像处理等特殊场合，用600线的摄像机能得到更清晰的图像。成像灵敏度通常用最低环境照度要求来表明摄像机灵敏度，黑白摄像机的灵敏度大约是0.02-0.5Lux（勒克斯），彩色摄像机多在1Lux以上。0.1Lux的摄像机用于普通的监视场合；在夜间使用或环境光线较弱时，推荐使用0.02Lux的摄像机。与近红外灯配合使用时，也必须使用低照度的摄像机。另外摄像的灵敏度还与镜头有关，0.97Lux/F0.75相当于2.5Lux/F1.2相当于3.4Lux/F1 。参考环境照度：夏日阳光下100000Lux，阴天室外10000Lux，电视台演播室1000Lux，距60W檯灯60cm桌面300Lux，室内日光灯100Lux，黄昏室内10Lux，20cm处烛光10-15Lux，夜间路灯0.1Lux 。电子快门电子快门的时间在1/50-1/100000秒之间，摄像机的电子快门一般设定为自动电子快门方式，可根据环境的亮暗自动调节快门时间，得到清晰的图像。有些摄像机允许用户自行手动调节快门时间，以适应某些特殊套用场合。外同步与外触发外同步是指不同的视频设备之间用同一同步信号来保证视频信号的同步，它可保证不同的设备输出的视频信号具有相同的帧、行的起止时间。为了实现外同步，需要给摄像机输入一个複合同步信号（C-sync）或複合视频信号。外同步并不能保证用户从指定时刻得到完整的连续的一帧图像，要实现这种功能，必须使用一些特殊的具有外触发功能的摄像机。CCD器件由硅材料製成，对近红外比较敏感，光谱回响可延伸至1.0um左右。其回响峰值为绿光（550nm），分布曲线如右图所示。夜间隐蔽监视时，可以用近红外灯照明，人眼看不清环境情况，在监视器上却可以清晰成像。由于CCD感测器表面有一层吸收紫外的透明电极，所以CCD对紫外不敏感。彩色摄像机的成像单元上有红、绿、蓝三色滤光条，所以彩色摄像机对红外、紫外均不敏感。CCD晶片的尺寸CCD的成像尺寸常用的有1/2"、1/3"等，成像尺寸越小的摄像机的体积可以做得更小些。在相同的光学镜头下，成像尺寸越大，视场角越大。晶片规格成像面大小（宽X高）对角线 1/2 6.4x4.8mm 8mm 1/3 4.8x3.6mm 6mm 摄像机镜头选购指南在电视监控系统中如何根据现场被监视环境，正确选用摄像机镜头是非常重要的，因为它直接影响到系统组成后在系统末端监视器上所看到的被监视面画的效果能否满足系统的设计要求（就画面範围或图像细节而言），所以正确的选用摄像机镜头可以使系统得到最最佳化设计并可获得良好的监视效果。镜头选用摄像机镜头就光圈而言可分为手动光圈镜头及自动光圈镜头两种，就焦距而言又可分为定焦镜头及变焦镜头两种。下面就以使用环境的不同谈如何正确选用摄像机镜头。1、手动、自动光圈镜头的选用手动、自动光圈镜头的选用取决于使用环境的照度是否恆定。对于在环境照度恆定的情况下，如电梯轿箱内、封闭走廊里、无阳光直射的房间内，均可选用手动光圈镜头，这样可在系统初装调试中根据环境的实际照度，一次性整定镜头光圈大小，获得满意亮度画面即可。对于环境照度处于经常变化的情况，如随日照时间而照度变化较大的门厅、视窗及大堂内等，均需选用自动光圈镜头（必须配以带有自动光圈镜头插座的摄像机），这样便可以实现画面亮度的自动调节，获得良好的较为恆定亮度的监视画面。对于自动光圈镜头的控制信号又可分为DC及ⅥDEO控制两种，即直流电压控制及视频信号控制。这在自动光圈镜头的类型选用上，摄像机自动光圈镜头插座的连线方式上，以及选择自动光圈镜头的驱动方式开关上，三者注意协调配合好即可。2、定焦、变焦镜头的选用定焦、变焦镜头的选用取决于被监视场景範围的大小，以及所要求被监视场景画面的清晰程度。镜头规格（镜头规格一般分为1/3″、1/2″和2/3″等）一定的情况下，镜头焦距与镜头视场角的关係为：镜头焦距越长，其镜头的视场角就越小；在镜头焦距一定的情况下，镜头规格与镜头视场角的关係为：镜头规格越大，其镜头的视场角也越大。所以由以上关係可知：在镜头物距一定的情况下，随着镜头焦距的变大，在系统末端监视器上所看到的被监视场景的画面範围就越小，但画面细节越来越清晰；而随着镜头规格的增大，在系统末端监视器上所看到的被监视场景的画面範围就增大，但其画面细节越来越模糊。在镜头规格及镜头焦距一定的前提下，CS型接口镜头的视场角将大于C型接口镜头的视场角。常用的镜头型号有4mm、8mm、12mm、16mm 。镜头视场角可分为图像水平视场角以及图像垂直视场角，且图像水平视场角大于图像垂直视场角，通常我们所讲的视场角一般是指镜头的图像水平视场角。在狭小的被监视环境中如电梯轿箱内，狭小房间均应採用短焦距广角或超广角定焦镜头，如选用镜头规格为1/2″，CS型接口，镜头焦距为3.6mm或2.6mm镜头，这些镜头视场角均不小于99°或127°，这对于摄像机在狭小空间里一般标高为2.5m左右时，其镜头的视场角範围足以覆盖整个近距离狭小被监视空间。也可根据现场实际情况选用手动变焦镜头如日产Computar T2Z2814CS－2镜头，这种镜头为1/3″CS型接口手动光圈镜头，其焦距2倍可调（手动调焦）。调焦範围为2.8～6.0mm，视场角变化範围为96°～47.2°，这种镜头非常适合在狭小的被监视环境中使用，在使用时可方便地根据实际需要，灵活实现对被监视场景的“点”或“面”的监视效果。对于一般变焦（倍）镜头而言，由于其最小焦距通常为6.0mm左右，故其变焦（倍）镜头的最大视场角为45°左右，如将此种镜头用于这种狭小的被监视环境中，其监视死角必然增大，虽然可通过对前端云台进行操作控制，以减少这种监视死角，但这样必将会增加系统的工程造价（系统需增加前端解码器、云台、防护罩等），以及系统操控的複杂性，所以在这种环境中，不宜採用变焦（倍）镜头。在开阔的被监视环境中，首先应根据被监视环境的开阔程度，用户要求在系统末端监视器上所看到的被监视场景画面的清晰程度，以及被监视场景的中心点到摄像机镜头之间的直线距离为参考依据，在直线距离一定且满足覆盖整个被监视场景画面的前提下，应儘量考虑选用长焦距镜头，这样可以在系统末端监视器上获得一幅具有较清晰细节的被监视场景画面。在这种环境中也可考虑选用变焦（倍）镜头（电动三可变镜头），这可根据系统的设计要求以及系统的性能价格比决定，在选用时也应考虑两点：⑴在调节至最短焦距时（看全景）应能满足覆盖主要被监视场景画面的要求；⑵在调节至最长焦距时（看细节）应能满足观察被监视场景画面细节的要求。通常情况下，在室内的仓库、车间、厂房等环境中一般选用6倍或者10倍镜头即可满足要求，而在室外的库区、码头、广场、车站等环境中，可根据实际要求选用10倍、16倍或20倍镜头即可（一般情况下，镜头倍数越大，价格越高，可在综合考虑系统造价允许的前提下，适当选用高倍数变焦镜头）。3、正确选用镜头焦距的理论计算摄取景物的镜头视场角是极为重要的参数，镜头视场角随镜头焦距及摄像机规格大小而变化（其变化关係如前所述），覆盖景物镜头的焦距可用下述公式计算：⑴f=u*D/U； ⑵f=h*D/Hf：镜头焦距，U：景物实际高度，H：景物实际宽度，D：镜头至景物实测距离，u：图像高度，h：图像宽度。举例说明：当选用1/2″镜头时，图像尺寸为u=4.8mm，h=6.4mm，镜头至景物距离D=3500mm，景物的实际高度为U=2500mm（景物的实际宽度可由下式算出H=1.333·U，这种关係由摄像机取景器CCD片决定）。将以上参数代入公式⑴中，可得f=4.8·3500/2500=6.72mm，故选用6mm定焦镜头即可。构成原理电路组成构成IT-CCD黑白摄像机的电路由IT-CCD摄像器件，时序脉冲发生器及驱动电路，视频的採样与保持电路，视频处理电路，同步信号发生器，电源变换电路等构成。工作原理⑴CCD摄像器件：其作用是进行光电转换，输出视频信号⑵ 时序脉冲发生器及驱动电路：其作用是产生CCD摄像器件进行光电转换、电荷存储、电荷转移和信号输出所需的各种脉冲信号，并践行放大输出⑶ 视频的採样与保持电路：其作用是消除CCD输出的视频信号（此信号在时间上是离散的，在幅度上是连续的）中，因信号电荷转移而产生的各种不应有的信号。经该电路处理，使视频信号变成数字的视频信号。⑷视频处理电路：该电路与摄像管式摄像机电路具有完全相同的特点，所涉及电路有钳位放大（clamper amplifier,CLAMPER AMP）、Y校正（Y CORRECT）、白电平切割（white clip,WHT CLIP）、消隐混合（blanking max,BLK MAX）、黑白平控制（PEDCONT）、同步混合（SYNC）、输出激励（output driver）等电路。视频信号经视频处理电路处理后，形成标準的全电视信号。⑸ 同步信号发生器：这部分电路与摄像管式摄像机中的同步信号发生器的原理基本相同，主要产生视频处理电路所需的脉冲信号，它们是複合消隐脉冲（BLK）、複合同步脉冲(SYNC）、水平驱动信号HD、隔行脉冲（O/E）。但因CCD摄像机没有扫描电路，故不需要供扫描电路用的驱动脉冲。⑹ 电源变换电路：为简化CCD摄像机的供电，一般从外部只输入一种电源（12V），而机内其他各种电压值的电源都由电源变换获得。性能指标现在摄像机的功能很多，如自动白平衡调整、自动增益调整、电子快门、逆光补偿、多种同步方式、Y/C 分离输出等等。但考察摄像机档次的最主要指标是水平清晰度、最低照度（灵敏度）和信噪比。清晰度清晰度数是衡量摄像机优劣的一个重要参数，它指的是当摄像机摄取等间隔排列的黑白相间条纹时，在监视器（应比摄像机的解析度高）上能够看到的最多线数。当超过这一线数时，萤幕上就只能看到灰濛濛的一片而不能再辨出黑白相间的线条。工业监视用摄像机的解析度通常在 380~460 线之间，广播级摄像机的解析度则可达到700 线左右。清晰度是由摄像器件像素多少决定的，显然摄像器件的像素越多，得到的图像越清晰，反之也然。清晰度越高，说明摄像机档次越高，反之越低。最低照度最低照度是最低照度是当被摄景物的光亮度低到一定程度而使摄像机输出的视频信号电平低到某一规定值时的景物光亮度值。一般彩色摄像机的最低照度为 2～3LUX，照度的测定是以在一定的镜头光圈係数为前提，因此，不能只看摄像机说明书中标明的最低照度，应按摄像机在同一光圈係数下其照度值的大小。最低照度越小，摄像机档次越高。相对于彩色摄像机而言，黑白摄像机由于没有色度处理而只对光线的强弱（亮度）信号敏感，所以黑白摄像机的照度比彩色摄像机照度要低，一般可做到 0.1LUX 在 F1.4 时，至于微光摄像机则更低。有关光圈係数的知识请参阅镜头一节。视频信号的标称值为 1Vp-p，标準值为 0.7Vp-p，最低照度时的视频信号值为 1/3 到1/2的标準植。所以摄像机在最低照度时的图像，决不会“如同白昼一样” 。另外，摄像机在最低照度时产生的图像清晰度，是用电视信号测试卡进行测式的，其黑白相间的条纹，要求黑色反射率近于 0%，白色反射率大于 89.9% 。而我们在现场观察时有时不具备这样的条件，比如：树叶和草地的反射率很低，反差很小，就不易获得清晰图像。因此实际使用当中不能以摄像机标称的最低照度作为衡量现场环境照度的标準。信噪比信噪比也是摄像机的一个重要的性能指标。当摄像机摄取较亮场景时，监视器显示的画面通常比较明快，观察者不易看出画面中的干扰噪点；而当摄像机摄取较暗的场景时，监视器显示的画面就比较昏暗，观察者此时很容易看到画面中雪花状的干扰噪点。干扰噪点的强弱（也即干扰噪点对画面的影响程度）与摄像机信噪比指标的好坏有直接关係，即摄像机的信噪比越高，干扰噪点对画面的影响就越小。所谓“信噪比”指的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，因此，实际计算摄像机信噪比的大小通常都是对均方信号电压与均方噪声电压的比值取以10为底的对数再乘以係数20，单位用dB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。CCD 摄像机信噪比的典型值一般为 45dB~55dB 。测量信噪比参数时，应使用视频杂波测量仪直接连线于摄像机的视频输出端子上自动增益控制AGC——Automatic Gain Control 的缩写。所有摄像机都有一个将来自 CCD的信号放大到可以使用水準的视频放大器，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，需利用摄象机的自动增益控制（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範围内工作，此即动态範围，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。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。背景光补偿BLC——BackLight Compesation 的缩写，也称作逆光补偿或逆光补正，它可以有效补偿摄像机在逆光环境下拍摄时画面主体黑暗的缺陷。通常，摄象机的 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。当引入背光补偿功能时，摄像机仅对整个视场的一个子区域（如从第 80 行 ~ 200 行的中心区域）进行检测，通过求此区域的平均信号电平来确定 AGC 电路的工作点。由于子区域的平均电平很低，AGC 放大器会有较高的增益，使输出视频信号的幅值提高，从而使监视器上的主体画面明朗。此时的背景画面会更加明亮，但其与主体画面的主观亮度差会大大降低，整个视场的可视性得到改善。当背景光补偿为开启时，摄象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。电子快门（ES）电子快门的英文全称为 ElectronicShutter，是对比照相机的机械快门功能提出一个术语，它相当于控制 CCD图像感测器的感光时间。由于 CCD感光的实质是信号电荷的积累，则感光时间越长，信号电荷的积累时间就越长，输出信号电流的幅值也就越大。通过调整光生信号电荷的积累时间（即调整时钟脉冲的宽度），即可实现控制 CCD感光时间的功能。白平衡（WB）白平衡（White Balance），只用于彩色摄象机，其用途是实现摄象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。自动白平衡（AWB，Automatic White Balance）有分为连续白平衡和自动控制白平衡。连续白平衡也称为自动跟蹤白平衡（Automatic Tracking White balance，ATW），是随着景物色彩温度的改变而连续地调整，範围为 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，如场景大部分是蓝天白云或夕阳等高色温物体及场景比较昏暗的场合下，连续的白平衡不能产生最佳的彩色效果。自动控制白平衡（Automatic White balance Control，AWC），需要先将摄象机对準诸如白墙、白纸等白色参考目标，然后将通过选单或开关设定从手动改变为自动方式，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定，此时白平衡设定将保持在摄象机的存储器中，直至再次执行被改变为止，其範围为 2300~10000K，在此期间，即使摄象机断电也不会丢失该设定。以按钮方式设定白平衡最为精确和可靠，适用于大部分套用场合。手动白平衡关闭自动白平衡，通过手动调节红色或蓝色调整装置，以改变红色或蓝色状况，一般可调等级多达 107 个，如增加或减少红色各一个等级、增加或减少蓝色各一个等级。除此之外，有的摄象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。同步方式摄像机的同步方式一般有内同步、电源同步和外同步。内同步（INT）是利用摄象机内部的晶体振荡电路产生同步信号来完成操作。电源同步（LL，Line Locked），也称之为线性锁定或行锁定，是利用摄象机的交流电源来完成垂直推动同步，即摄象机和电源零线同步。外同步（EXT）利用一个外同步信号发生器产生的同步信号送到摄象机的外同步输入端来实现同步。同步信号可以是彩色複合视频或黑色突法信号（VBS）、黑白複合视频或複合同步信号（VS），也可以是如矩阵等外部设备的复用垂直驱动信号（VD2）和複合视频输出信号。