CCD摄像机基础知识

CCD 摄像机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，因此是理想的摄象元件。是代替摄像管传感器的新型器件。摄物体的图 像经过镜头聚焦至CCD芯片上，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 连接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。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。第一章摄像机发展史第一节 CCD 发展简史CCD产品问世已有30多年，从当时的20万像素发展到目前的500-800万像素，无论 其市场规模还是其应用面，都得到了巨大的发展，可以说是在平稳中逐步提高，特别是近几 年来，在消费领域中的应用发展速度更快。由于CCD的技术生产工艺复杂，目前业界只有索尼、飞利浦、柯达、松下、富士和夏 普6家厂商可以批量生产，而其中最主要的供商应是索尼，飞利浦和柯达，其中，在各厂商 市占率方面，索尼以50%的市占率，成为市场领导厂商。索尼从70年代研发CCD以来， 即将其广泛运用在摄录放影机及广播电视等专业用摄影机等器材上，目前索尼的研发水平仍 是领先于其它公司之上目前的CCD组件，每一个像素的面积和开发初期比较起来，己缩小到1/10以下。今后 在应用产品趋向小型化，高像素的要求下，单位面积将会更加的缩小。在小型化的同时，利 用各种新开发的技术，使其感光度不会因为单位面积缩小而受到影响，也同时要求其性能维 持或向上提升。以下是索尼公司按年代划分而发展的 CCD 传感器简介：1、HAD感测器HAD (HOLE-ACCUMULATION DIODE)传感器是在N型基板，P型，N+2极体的表面 上，加上正孔蓄积层，这是 SONY 独特的构造。由于设计了这层正孔蓄积层，可以使感测器 表面常有的暗电流问题获得解决。另外，在N型基板上设计电子可通过的垂直型隧道，使 得开口率提高，换句换说，也提高了感度。在 80 年代初期，索尼将其领先使用在可变速电 子快门产品中，在拍摄移动快速的物体也可获得清晰的图象。2、ON-CHIP MICRO LENS80年代后期，因为CCD中每一像素的缩小，将使得受光面积减少，感度也将变低。为 改善这个问题，索尼在每一感光二极管前装上微小镜片，使用微小镜片后，感光面积不再因 为感测器的开口面积而决定，而是以微小镜片的表面积来决定。所以在规格上提高了开口率， 也使感亮度因此大幅提升。3、SUPER HAD CCD进入9 0年代后期以来，CCD的单位面积也越来越小，1989年开发的微小镜片技术， 已经无法再提升感亮度，如果将 CCD 组件内部放大器的放大倍率提升，将会使杂讯也被提 高，画质会受到明显的影响。索尼在CCD技术的研发上又更进一步，将以前使用微小镜片 的技术改良，提升光利用率，开发将镜片的形状最优化技术，即索尼 SUPER HAD CCD 技 术。基本上是以提升光利用效率来提升感亮度的设计，这也为目前的 CCD 基本技术奠定了 基础。4、NEW STRUCTURE CCD在摄影机的光学镜头的光圈F值不断的提升下，进入到摄影机内的斜光就越来越多，使 得入射到CCD组件的光无法百分之百的被聚焦到感测器上，而CCD感测器的感度将会降低。 1 9 9 8年索尼公司为改善这个问题，将彩色滤光片和遮光膜之间再加上一层内部的镜片。 加上这层镜片后可以改善内部的光路，使斜光也可以被聚焦到感光器。而且同时将硅基板和 电极间的绝缘层薄膜化,让会造成垂直CCD画面杂讯的讯号不会进入，使SMEAR特性改善。5、EXVIEW HAD CCD比可视光波长更长的红外线光，也可以在半导体硅芯片内做光电变换。可是至当前为止， CCD无法将这些光电变换后的电荷，以有效的方法收集到感测器内。为此，索尼在1998年 新开发的“EXVIEW HAD CCD”技术就可以将以前未能有效利用的近红外线光，有效转换成为 映像资料而用。使得可视光范围扩充到红外线，让感亮度能大幅提高。利用“EXVIEW HAD CCD组件时，在黑暗的环境下也可得到高亮度的照片。而且之前在硅晶板深层中做的光电 变换时，会漏出到垂直CCD部分的SMEAR成分，也可被收集到传感器内，所以影响画质的 杂讯也会大幅降低。第二节CCD芯片的选择CCD芯片就像人的视网膜，是摄像头的核心。目前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。因为芯片生产时产生不同等级，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，C CD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。第二章摄像机的主要技术参数一、CCD尺寸即摄象机靶面。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。在相同的光学镜头下，成像尺寸越大，视场角越大。1英寸一一 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。二、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象机。三、水平分辨率分辨率是用电视线（简称线TV LINES）来表示的。彩色摄象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1M Hz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。四、最小照度照度又称灵敏度。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。照度是反映光照强度的一种单位，单位是每平方米的流明数，1LUX大约等于1烛光在 1米距离的照度1LUX=1Lm/M*M（Lm是光通量的单位）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。摄像的 灵敏度与镜头F值有关，0.97Lux/F0.75相当于2.5Lux/F1.2相当于3.4Lux/F1.0普通型： 正常工作所需照度13LUX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参考环境与照度：夏日阳光下100000Lux室内日光灯100Lux阴天室外10000Lux黄昏室内10Lux电视台演播室1000Lux20cm处烛光10-15Lux距60W台灯60cm桌面300Lux夜间路灯0.1Lux照度值不仅与镜头的光圈大小（F值）有关，与测试时的周边环境也有着较大的关系， 以光圈大小（F值）而言，光圈愈大则其所代表的F值愈小，所需的照度愈低。五、扫描制式根据各国供电所采用的频率不同，有PAL制和NTSC制之分。50HZ: PAL 制,隔行扫描（PAL）制式（黑白为CCIR），标准为625行，50场。60HZ: NTSC 制式，525 行，60 场（黑白为 EIA）。六、摄象机电源交流有220V、110V、24V,直流为12V或9V。七、信噪比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；而取较暗场景时，监视器显示的画面就比较昏暗，观察者很容易看到画面中雪花 状的干扰噪点。干扰噪点的强弱与摄像机的信噪比指标有直接关系，即信噪比越高，干扰噪 点对画面的影响就越小。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,贝惬像有少量噪声，但图像质量良好；若为 60db，则图像质量优良，不出现噪声。八、视频输出1Vp-p、75Q,采用 BNC 接头。九、镜头安装方式有C和CS方式，两者的螺纹均为1英寸32牙，直径为1英寸，差别是镜头距CCD靶 面的距离不同。C式安装座从基准面到焦点的距离为17.562毫米，比CS式距离CCD靶面多一个专用 接圈的长度，CS式距焦点距离为12.5毫米。在安装镜头前，先看一看摄像头和镜头是不是 同一种接口方式，如果不是，就需要根据具体情况增减接圈。有的摄像头不用接圈，而采用 后像调节环（如松下产品），调节时，用螺丝刀拧松调节环上的螺丝，转动调节环，此时C CD靶面会相对安装基座向后（前）运动，也起到接圈的作用。另外（如SONY，JVC）采用 的方式类似后像调节环，它的固定螺丝一般在摄像机的侧面。拧松后，调节顶端的一个齿轮, 也可以使图象清晰而不用加减接圈。十、同步方式对单台摄象机而言，主要的同步方式有下列三种：内同步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。外同步一一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。电源同步 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。十一、自动增益控制所有摄象机都有一个将来自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，将微弱的信号放大到能正常使用，从而使摄像机能在亮度较低的环境下使用。然而 在亮光照的环境中放大器将过载，使视频信号畸变。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， 从而使摄象机能够在较大的光照范围内工作，即在低照度时自动增加摄象机的灵敏度，从而 提高图像信号的强度来获得清晰的图像。而照度较高时能自动降低增益放大倍数，保证图 像不发生畸变。自动增益打开时，售叼电压和噪声电压被同时放大，信噪比将会减小。此时的噪点也会 比较明显。十二、背光补偿通常，摄象机的自动增益控制是通过对整个视场的平均亮度来调节增益的，但如果视场 中包含一个很亮的背景区域，而观察的主体目标处于亮场的包围中，画面会显示一片昏暗， 无层次。放大器检测到的信号平均电平很高，增益的倍数也随之减少，无法改进画面主体目 标的明暗度。当背景光补偿为开启时，摄象机仅对整个视场的部份区域进行检测，来得到 整个视场的平均信号电平，从而确定AGC电路的工作值。由于子区域的平均电平很低，所 以增益也会较高。整个画面都会更加明亮。十三、电子快门这是一个类比于照像机的机械快门功能提出的一个术语，相当于控制C CD图像传感受器的感光时间，感光时间越长，电荷积累时间也就越长，输出信号电流的强 度也就越大。在照度较高的地方，感光时间要求短些，否则画面会偏白。在照度较低的地方, 感光时间要求长些，这样画面会积累较多的电荷，从而使图像变得清晰。CCD摄像机的电子快门还可以有效的防止高速移动物体的拖影现象。十四、白平衡图像的各种色彩是由红、绿、蓝三种颜色组成的，当电路中的红、绿、 蓝三种色彩各自的的信号电压相等时，可以在监视器上输出纯白色的被摄景物，此时称之为 白平衡。此时，摄像机能够显示最真实的被摄物体。白平衡如果未调节好，显示的画面将出 现偏色（红、蓝、绿）的情况。白平衡设置有两种方式，自动白平衡和手动白平衡A、自动白平衡连续方式一一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28006000K。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。按钮方式一一先将摄象机对准诸如白墙、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象机的存 储器中，直至再次执行被改变为止，其范围为230010000K，在此期间，即使摄象机断电 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。 十五、低速快门（SLOW/SHUTTER）此类的摄影机获得低照度下图像的方法是通过电荷单 帧累积方式增加 CCD 在单帧图 像的爆光量，从而提高摄像机对单帧图像的灵敏度。这种方 式也可以获得较低的照度指针，但是需要降低图像的连贯程度，所以选择这种摄像机时要注 意尽可能不要同云台一起使用，否则会造成丢失画面的现象。在获得低照度下图像上还有一 些其它的办法，但都不能从根本上解决照度问题。 此类摄像机又称为（画面）累积型摄像 机，是利用计算机内存的技术，连续将几个因光线不足而较显模糊的画面累积起来，成为一 个影像清晰的画面，运用SLOW SHUTTER技术降低摄像机照度至0.008LUX/F1.2 （x128）， 并且画面能够累积的帧数 （128 帧）是属于甚至包括进口品牌再内的领先水平。此类型低照 度摄像机适用于禁止红、紫外线破坏的博物馆，夜间生物活动观察，夜间军事海岸线监视等， 属性较静态场所的监视。摄像机的分类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 13LUX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330500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， 23lux 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、75Q，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。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 0360 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28006000K。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230010000K,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。摄像机镜头第一章镜头的主要功能摄像机镜头是视频监视系统的最关键设备，它的质量（指标）优劣直接影响摄像机的整 机指标，因此，摄像机镜头的选择是否恰当既关系到系统质量，又关系到工程造价。镜头相当于人眼的晶状体，如果没有晶状体，人眼看不到任何物体；如果没有镜头，那 么摄像头所输出的图像就是白茫茫的一片，没有清晰的图像输出，这与我们家用摄像机和照 相机的原理是一致的。当人眼的肌肉无法将晶状体拉伸至正常位置时，也就是人们常说的近视眼，眼前的景物 就变得模糊不清；摄像头与镜头的配合也有类似现象，当图像变得不清楚时，可以调整摄像 头的后焦点，改变CCD芯片与镜头基准面的距离（相当于调整人眼晶状体的位置），可以 将模糊的图像变得清晰。由此可见，镜头在闭路监控系统中的作用是非常重要的。工程设计人员和施工人员都要经常 与镜头打交道：设计人员要根据物距、成像大小计算镜头焦距，施工人员经常进行现场调试， 其中一部分就是把镜头调整到最佳状态。第一节 镜头的分类镜头的分类方法很多，从外形、安装方式、使用场所、实际功能、使用效果等都可以进 行分类。一、基础分类表二、各类镜头详解1安装方式所有的摄象机镜头均是螺纹口的，CCD摄象机的镜头安装有两种工业标准，即C安装 座和CS安装座。两者螺纹部分相同，但两者从镜头到感光表面的距离不同。C安装座：从镜头安装基准面到焦点的距离是17.526mm。CS安装座：特种C安装，此时应将摄象机前部的垫圈取下再安装镜头。其镜头安装基 准面到焦点的距离是 12.5mm。如果要将一个C安装座镜头安装到一个CS安装座摄象机上时，则需要使用镜头转换 器。2镜头规格摄象机镜头规格应视摄象机的CCD尺寸而定，两者应相对应。即摄象机的CCD靶 面大小为1/2英寸时，镜头应选1/2英寸。摄象机的CCD靶面大小为1/3英寸时， 镜头应选1/3英寸。摄象机的CCD靶面大小为1/4英寸时，镜头应选1/4英寸。 如果镜头尺寸与摄象机CCD靶面尺寸不一致时，观察角度将不符合设计要求，或者发生画 面在焦点以外等问题。3镜头光圈镜头有手动光圈(manual iris)和自动光圈(auto iris)之分，配合摄象机使用。手动光圈镜头适合于亮度不变的应用场合，自动光圈镜头因亮度变更时其光圈亦作自动 调整，故适用亮度变化的场合。自动光圈镜头有两类：一类是将一个视频信号及电源从摄象机输送到透镜来控制镜头上 的光圈，称为视频输入型；另一类则利用摄象机上的直流电压来直接控制光圈，称为DC输 入型。自动光圈镜头上的ALC(自动镜头控制)调整用于设定测光系统，可以以整个画面的 平均亮度，也可以以画面中最亮部分(峰值)来设定基准信号强度，供给自动光圈调整使用。ALC已在出厂时经过设定，可不作调整，但是对于拍摄景物中包含有一个亮度极高的目 标时，明亮目标物之影像可能会造成白电平削波现象，而使得全部屏幕变成白色，此时可 以调节ALC来变换画面。自动光圈镜头装有光圈环，转动光圈环时，通过镜头的光通量会发生变化，光通量即光 圈，一般用F表示，其取值为镜头焦距与镜头通光口径之比，即：F=f （焦距）/D（镜 头实际有效口径），F值越小，则光圈越大。采用自动光圈镜头，在诸如太阳光直射等非常亮的情况下，用自动光圈镜头可有较宽的动态范围。 要求在 整个视野有良好的聚焦时，用自动光圈镜头有比固定光圈镜头更大的景深。 要求在亮光上 因光信号导致的模糊最小时，应使用自动光圈镜头。4镜头的视场大小标准镜头：视角3 0度左右，在1/2英寸CCD摄象机中，标准镜头焦距定为12m m,在1/3英寸CCD摄象机中，标准镜头焦距定为8 mm。广角镜头：视角9 0度以上，焦距可小于几毫米，可提供较宽广的视景。远摄镜头： 视角20度以内，焦距可达几米甚至几十米，此镜头可在远距离情况下将拍摄的物体影响放 大，但使观察范围变小。变倍镜头（zoom lens）：也称为伸缩镜头，有手动变倍镜头和电动变倍镜头两类。可变焦点镜头（vari-focus lens）:它介于标准镜头与广角镜头之间，焦距连续可变， 即可将远距离物体放大，同时又可提供一个宽广视景，使监视范围增加。变焦镜头可通过设 置自动聚焦于最小焦距和最大焦距两个位置，但是从最小焦距到最大焦距之间的聚焦，则需 通过手动聚焦实现。针孔镜头：镜头直径几毫米，可隐蔽安装。5镜头焦距短焦距镜头：因入射角较宽，可提供一个较宽广的视野。中焦距镜头：标准镜头，焦距的长度视ccd的尺寸而定。长焦距镜头：因入射角较狭窄，故仅能提供狭窄视景，适用于长距离监视。 变焦距镜头：通常为电动式，可作广角、标准或远望等镜头使用。第二节 镜头常用术语及其意义1. Iris （ 光圈 ）2. Focus （ 聚焦 ）3. Zoom （ 变焦 ）4. F-stop （ 光圈孔径 ）5. Focus length （ 焦距 ）6. F :代表光圈孔徑:F1.2 , F1.4 , F1.6 , F1.8 , F2.0,數值越小代表光圈可開啟越 大進光量越強;7. F. 代表焦距范围 f : 4mm ; f : 6mm ; f : 8mm 等;8. zoom lens f : 8-48 ; f : 8-80 ; f : 7.5-120 等分粪方式中外形功能好P尺寸犬小心光圈p变焦类型卩焦距长短中球面镜头4F： 25n-itn启动光圈刁电动变焦F长焦距镜头4非球面镜头殺手动光圈卩手动变焦小标准镜头4针孔镜头P1/r固定光圈p固定焦距p广角镜头中电眼镜头42/T 17mmp第二章：镜头的主要性能指标一、焦距焦距的大小决定着视场角的大小，焦距数值小，视场角大，所观察的范围也大，但距离 远的物体分辨不很清楚；焦距数值大，视场角小，观察范围小，只要焦距选择合适，即便距 离很远的物体也可以看得清清楚楚。由于焦距和视场角是一一对应的，一个确定的焦距就意味着一个确定的视场角，所以在 选择镜头焦距时，应该充分考虑是观测细节重要，还是有一个大的观测范围重要，如果要看 细节，就选择长焦距镜头；如果看近距离大场面，就选择小焦距的广角镜头。二、光阑系 数光阑系数即光通量，用F表示，以镜头焦距f和通光孔径D的比值来衡量。每个镜头上 都标有最大F值，例如6mm/F1.4代表最大孔径为4.29毫米。光通量与F值的平方成反比关系，F值越小，光通量越大。镜头上光圈指数序列的标值 为1.4，2, 2.8，4, 5.6，8, 11，16, 22等，其规律是前一个标值时的曝光量正好是后一 个标值对应曝光量的2倍。也就是说镜头的通光孔径分别是1/1.4，1/2, 1/2.8, 1/4，1/5. 6, 1/8, 1/11, 1/16, 1/22,前一数值是后一数值的根号2倍，因此光圈指数越小，则通 光孔径越大，成像靶面上的照度也就越大。二、手动光圈镜头和自动光圈镜头镜头的光圈还有手动（MANUAL IRIS）和自动光圈（AUTO IRIS）之分。配合摄像头使 用，手动光圈适合亮度变化不大的场合，它的进光量通过镜头上的光圈环调节，一次性调整 合适为止。自动光圈镜头会随着光线的变化而自动调整，用于室外、入口等光线变化大且频 繁的场合。自动光圈镜头：自动光圈镜头目前分为两类：一类称为视频（VIDEO）驱动型， 镜头本身包含放大器电路，用以将摄像头传来的视频幅度信号转换成对光圈马达的控制。另 一类称为直流（DC）驱动型，利用摄像头上的直流电压来直接控制光圈。这种镜头只包含 电流计式光圈马达，要求摄像头内有放大器电路。对于各类自动光圈镜头，通常还有两项可调整旋钮，一是ALC调节（测光调节），有以 峰值测光和根据目标发光条件平均测光两种选择，一般取平均测光档；另一个是LEVEL调 节（灵敏度），可将输出图像变得明亮或者暗淡。四、手动变倍镜头和电动变倍镜头 变倍镜头分为手动（MANUAL ZOOM LENS）和电动（AUTO ZOOM LENS）两种，手动变倍镜头一般用于科研项目而不用在闭路监视系统中。在监控很 大的场面时，摄像头通常要配合电动镜头和云台使用。电动镜头的好处是变焦范围大，既可 以看大范围的情况，也可以聚焦某个细节，再加上云台可以上下左右的转动，可视范围就非 常大了。电动镜头有6倍、 10 倍、 15 倍、 20 倍等多种倍率，如果再知道基准焦距，就可 以确定镜头焦距的可变范围。例如一个6倍电动镜头，基准焦距为8.5毫米，那么其变焦范 围就是8.5到51毫米连续可调，视场角为31.3到5.5度。电动镜头的控制电压一般是直流 8V16V，最大电流为30毫安。所以在选控制器时，要充分考虑传输线缆长度，如果距离 太远，线路产生的电压下降会导致镜头无法控制，必须提高输入控制电压或更换视频矩阵主 机配合解码器控制。焦距的计算视场和焦距的计算 视场系指被摄取物体的大小，视场的大小是以镜头至被摄取物体距 离，镜头焦头及所要求的成像大小确定的。 1、镜头的焦距，视场大小及镜头到被摄取物体 的距离的计算如下；f=wL/W 2、f=hL/h f；镜头焦距w：图象的宽度（被摄物体在ccd 靶面上成象宽度）W：被摄物体宽度L：被摄物体至镜头的距离h：图象高度（被摄物体 在ccd靶面上成像高度）视场（摄取场景）高度H：被摄物体的高度由于摄像机画面宽度 和高度与电视接收机画面宽度和高度一样，其比例均为4:3,当L不变，H或W增大时，f 变小，当H或W不变，L增大时，f增大。球型云台探析随着电视监控行业的迅速发展，其技术也有了许多突飞猛进的改进。近年来发展起来 的球形云台摄像机（简称球机）就是其突出代表之一。球机以其外形美观、隐蔽、个性化、安 装方便等特点正在逐步取代传统云台防护罩，但针对球机自身的特点，我们也应有深入的了 解，以在工程中注意选择、合理配置、科学使用。11球机分类及构造一般来讲，球机在功能上主要分为普通球机和高速预置球机。在这里，我们主要讨论普 通球机。普通球机主要指球机内置的云台为普通云台或无内置云台，其主要构造如图 A 所 示。图 A 最新双层对流通风设计2 I影响球型云台性能的主要因素及对策就当今球机技术来讲，影响球机性能及质量的因素是多方面的，但主要来自如下各方面:1.透光球罩（简称球面）图像清晰度下降主要原因:•球面材质•球面表面光洁度•球面制造工艺解决方案: 选用光学亚加力材料，其透光率好 球面光洁度高，不能有任何缺陷，包括:不平、凹凸起、划伤、气泡等。 球面制造工艺精良，严格控制出模时间、温度等，此外，作业现场干净、整洁、无尘 也是重要的控制因素。图像重影一这是最经常出现的故障，也是用户及工程商不容易发现的故障 主要原因:（参见图 B）图B图像重影原因示意•球面曲率的大小，比如:9比 14重影机会多•球面&过大•球面各部分厚薄不均匀•选用镜头倍数与球罩尺寸不匹配原因分析:因为摄像机成像一般都是由像素构成，上述原因均可导致成像重影（参见图 B）解决方案: 大倍数镜头尽量选用大尺寸球机 尽量选用&小的球面 选用&尽量相近的球面，球面厚薄尽可能一致且均匀 根据镜头倍数，合理购置球机尺寸。透光率下降主要原因:球面颜色因为球机的一大优点是隐蔽性，因此隐蔽性越强就要求球罩颜色越深。由此深色球面的 负作用是透光率下降。解决方案: 根据现场光照度，选择球面颜色 尽量选择低照度摄像机 合理选择球面颜色，一般选用浅烟、浅蓝等，可折中解决此矛盾。反光主要原因:•球机内部有反光物。•摄像机与球面距离过远。•旋转角度与外部光源形成光多角度反射。解决方案: 球机内尽量减少反光物 安装中尽量将摄像机与球面接近 尽量避免球机与外部光源构成不合理反射位置2、球机结构一般来讲，在户外使用的摄像机故障大大多于室内使用，究其原因主要是因为户外摄像 机防护设备问题，而恰恰是防护问题大大降低摄像机和镜头使用寿命及工作的可靠性。因此 科学的结构设计同样是球机性能的重要指标。户外型-高温、防雨、加热除霜是三大重要难点高温户外高温主要是阳光直射。一般球机在室外阳光直射下，内部可达55C-60C。一般防 护罩可采用内部风冷方式降温，但风冷条件是对流，而球机没有对流渠道，因此球机最佳降 温手段是遮阳。先进球机的设计均采用双层结构设计，如图 A 所示。双层对流通风设计更 是有效降温的最佳手段。一般来说，选用双层遮阳罩的球机可降低球机内部温度3C-5C, 而单就单层顶罩来讲，其材料也十分重要，一般铝材顶罩保温效果最差，工程 ABS 次之， 而DMC、玻璃钢等材料保温效果要明显优于上述材料。防雨与密封优秀球机对防雨和密封要求很高。防雨不仅要考虑雨量，而且要考虑雨水方向。我国沿 海等地区经常有台风，其雨水方向是全方位的，因此对球机密封要求很高。一般来讲，漏雨 进水主要来自几个方面:•球机本身设计装配不良•球面与顶罩接触部分不密封或密封不好•通过球机支架进水•安装过程没有按照说明书指导在关键部分做防水处理（如支架与球机联结部、支 架与墙体联结部等）•安装中球机出线处理不好，水顺导线进入球机 注意上述要点可大大减少漏水 可能。加热与除霜由于球机中摄像机和镜头均在球机内下部，因此球机内的加热功能设计要十分合理。一 般来讲，加热器安装在球机上部，并应配有同步小型风扇，将热量吹向球机下部及球面，以 起到加热摄像机和镜头并除霜的作用。目前，最新设计是将加热器安装在球机的内侧壁，同时配同步风扇。其优点如图C所 示。科学地使加热风在球机内循环，不会形成热风阻流及产生死气流区，最大限度使其加热 均匀，起到加热、除霜、除水气的目的。图C侧壁加热及风扇热流循环设计电机及内部结构设计•电机是云台和球机关键部件。一般来讲，针对目前国内外电机技术衡量电机优 良的主要指标是其可靠性。因此，电机在一定温度、湿度条件下连续运行的小时数是硬指标。 此外，电机乱向、卡死、停机、发热、噪声、干扰等也都是云台电机的重要指标，选用优良 电机可大大提高球机寿命和可靠性。•内部结构设计的科学性、实用性。如:摄像机托板可上下调节，如前述，可最大 限度地使摄像机接近球罩；内部走线合理；安装接线方便；云台回差小；连续转动抖动小； 转速设计合理等也是重要指标。3 I球机发展趋势及展望目前国外球机发展主要发展趋势有如下凡方面:1、外形:球机外观与安装现场环境的和谐、美观2、小型化:适应目前摄像机、镜头小型化及一体化趋势，球机也向小型化发展3、隐蔽性:根本上解决隐蔽与透光率低的矛盾，将是球机发展的根本性革命4、向高速、变速预置球发展总之，目前球机发展正处在取代传统云台防护罩的时候，而部分条件下也正处在被 高速预置球机取代的地位，但无论如何，普通球机仍以其价格低、适用性强（无需通信协议 等）、安装调试方便被大多数用户所青睬。