CCD基本常识和摄像机方案

CCD 基本知识和摄像机方案我国安防行业是随着社会主义市场经济的发展而逐步成长起来的，改革开放 以来，在国民经济迅速发展，人民生活水平日益提高的推动下，安防行业呈现了 一个蓬勃发展的势头。总结回顾我国安全技术防范行业（简称安防行业）的发展 历程，将其分为三个阶段：1979-1983 年为起步阶段；1984-1996 年为发展阶段；1997 年后为提高阶段，即探索安全技术防范的发展规律和方向的阶段。近两年来，安防行业又有了进一步的发展。积极探讨安防行业的发展问题， 对于维护社会治安稳定，促进经济的繁荣，保障人民生活的幸福，具有非常重要 而深远的意义。目前安防行业的应用已由重要单位、要害部门的防范发展到商业、 学校、社区、家庭等社会面的全面防范。从事安防工作的人员（包括技术人员，营销人员和与安防有关的人员）不但 要了解我国安防行业的发展历程，安防行业的应用范围，还要了解安防行业的发 展现状，能够对未来和可持续发展有个预测。就目前的安防行业来看，燃眉之急 还是技术水平普及，在研发人员技术水平提高的同时，不能忽略了对其他人员的 技术知识的普及，只有彼此都提高，互相促进，这样才能较好地推动整个安防行 业的发展。本文主要是对一般技术、营销人员，关于摄像机内部结构和功能的知 识普及。一、摄像机方案首先我们来了解摄像机方案，摄像机方案简单说就是指DSP和CCD的搭配（根据DSP的型号和高解或低解的CCD搭配）。1、摄像机的结构Iris器”，也就是一个“方案”。下面解析各个部分的功能：CCD： CCD（ChargeCOupYedDeViCeS）电荷耦合器件。CCD就相当与人的眼睛, 它的主要工作就是把光影像转成电子信号。CCD上有感光点，每一点就像一颗太 阳能电池，被光照到后会产生电能，依照光的照度不同，会产生不同的电能。V-Driver： CCD 里头每一点被光照到产生电能 ,那如何取出来?就是靠这颗V-DRIVER，它会产生不同的脉波，把CCD每点的讯号“打”出来。我们通常说是 CCD 的驱动。CDS/AGC： CCD出来的讯号，在这颗晶片内做处理后，送进DSP （数字信号处 理器）。DSP： DSP是Digital Signal Processor的缩写，也就是数字信号处理器， 主要针对算法运算而产生的一种MCU，不只是在摄像机设计中用到DSP，现在好 多行业都用到DSP，特别是在算法方面，DSP的应用是相当广的，是比较流行的 MCU。从DS/AGC出来的模拟信号传送到DSP进行处理，顺便说一下，DSP是数字 信号处理器，怎么能处理模拟信号呢？因为DSP内部有一个A/D Converter （模 数转换器）把模拟转换成数字后再进行运算，在摄像机中主要是进行颜色，亮度， 白平衡等运算。运算后又把信号转换成模拟信号输出，也就是视频输出了。T.G：控制整个处理过程快慢用的，一般都包含在DSP里的，就不多说了。 以上部分再加上镜头，就是整个摄像机了。2、主流方案了解了摄像机结构后，现在来讲摄像机的方案，方案主要是针对DSP来说的, 把DSP和CCD搭配起来就是我们所说的方案了，目前摄像机市场上应用比较多, 占主流地位的是SONY和SHARP生产的DSP。SONY主要有以下几种方案：(1)SS-1；CXD2163BRSONY公司推出这颗DSP之前已推出了 CXD2163,当 初把CXD2163这个方案叫做SS-1，用CXD2163做出来 的机子一直有问题，所以不久就推出CXD2163BR，用来 代替CXD2163，方案人们也一直叫做SS-1。SS-1 可接高解 CCD (ICX408AK/超低照度 ICX258AK(NTSC)和 ICX409AK/超低照度 ICX259AK (PAL),还可以接低解 CCD (ICX404AK(NTSC)和ICX405AK (PAL)(注意：以上CCD尺寸是1/3，还有好多型号的CCD 没有列出，可参考有关方面的书籍)这颗DSP能够做到电源同步(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)。所以现在好多厂家都在用来做高解的机子。(2) SS-11； CXD3141 或 CXD3142这颗DSP是1999年推出的，这款DSP只能接低解 的CCD，3142比3141多了镜像功能，如果SS-11也做 到电源同步，就会产生很大的噪讯。所以目前还没做 成电源同步，SONY目前420线的机子几乎就是这个方 案。3)SS-HQ1；CXD3172AR就是发热问题还没解决。这颗DSP是S0NY2004年推出的，就是520线机子 用的 DSP，3172 目前的技术还不是特别成熟，存在许 多问题，其中发热太大，发热量比其他DSP大好多， 致使一些工程师并不喜欢用。 SS-HQ1 能接高低解的 CCD，而且电源也能做到同步，总体上还是比SS-1好,4)SS-11X；CXD4103R这颗 DSP 是 2005 年推出的，是 SONY 目前最新的 DSP 它解决了 SS-HQ1 的发热问题，但是电源同步时噪讯大 可接高低解的 CCD。5）SHARP 38603ASHARP 公司目前有 D4（38603A），D5 也马上出来了（38627）接 SHARP 低解 CCD ，被业内人士作为低档机使用，最近又出了 D5 （ 38627 ）。听说效果可以跟SONY蓖美，除了 SONY，SHARP外，还有松下，韩国的NEXTCHIP， 台湾的A-NOVA ADPXXXX等。其中韩国NEXTCHIP公司推出的DSP，主要接SHARP 低解或SONY低解CCD。二.CCD信号处理和辨别方法。介绍CCD信号处理和怎么去辨别CCD之前，我们简单介绍CCD, CCD（Charge Coupled Devices）电荷耦合器件。CCD是20世纪70年代初发展起来的新型半导 体集成光电器件。由于CCD器件具有诸多优点：灵敏度高、光谱响应宽、动态范 围大、空间自扫描，抗震动、抗磁场、体积小、无残影等， 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 想的摄像元件，是代替摄像管传感器的新型器件。近30年来，CCD从当时的20 万像素发展到目前的500800万像素，CCD器件及其应用技术的研究取得了惊 人的进展，特别是近几年来，在消费领域，图像传感和非接触测量领域中的应用发 展速度更快。目前， CCD 应用技术已成为集光学、电子学、精密机械及微计算机为一体的 综合性技术，在现代光子学、光电检测技术和现代测量技术中成果累累。随着 CCD技术的迅猛发展，针对CCD信号的采集及采集之后的信号如何与计算机进行 信息通信就成为CCD应用的一个重要问题，而能够针对CCD每一个像素进行高速 采集并实时地传输给计算机处理，将会大大的提高采集到的CCD信号的精度并解 决实时处理的问题，这在CCD信号采集和处理领域都将有非常广阔的前景。目前我们就用DSP作为MCU对CCD的信号进行采集和处理。DSP内置高速的 AD转换器，用于采集CCD的信号，DSP有先进先出的存储器（FIFO）作为数据高 速缓冲区，用于存储AD转换后的数据，把采集的数据进行运算（这里主要是颜色， 亮度，白平衡），运算后把信号转换成模拟再输出，其中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，经周期性放电，产生 表示一幅幅画面的电信号，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。另外CCD部分需要个驱动，为CCD工作提供“能量”，视频信号要经过 放大再输出，经过DSP的软件和硬件相结合对整个系统控制。在 CCD 的广阔发展前景下，市场上就难免出现“假货”，把 SHARP 的说成是SONY的，或把松下的说成是SONY的,这样不但价格上受骗，效果上也就成了 SHARP 的或松下的了，这里介绍个简单好用的方法去辨别SONY和SHARP的CCD，价格 上当然是SONY贵好多，毕竟SONY的CCD是目前摄像效果最好的，我们看CCD的 外表就可以辨别出是那家生产的，如图：F匚注意看两个 CCD 的表面，上下两排金属的接点，其中一个中间少了两个门牙 （左边），另外一个没缺（右边），缺门牙是 SONY 的特征（其中少两个门牙的是 1/3 SONY，少一个门牙的是1/4 SONY），没缺门牙的是SHARP的CCD。另外，松下的也没有缺门牙，只是金属线条比SHARP粗，在SONY和SHARP 摄像机的大潮下，认准了 CCD的外型就不会把两种机子混淆。三红外线和 CCD上面已简单介绍了 CCD的一些知识，现在来说说CCD和红外线。CCD为什么 能看到红外线？回答就是 CCD 本来就可以看到红外线，它本来就对红外光有感 应，可以拿个黑白摄像机，关掉电灯，拿红外灯一照，影像就会出来，那么彩色 的 CCD 能否看到红外线呢？答案是肯定的，彩色也可以看到红外线，就是感应到 了红外，会对DSP处理信号时有干扰，导致图像显示不正常（偏色），因此要想 办法让彩色的CCD不接受红外线，所以就在CCD上加了滤光片。滤光片的穿透一般是380nm645nm，刚好是可见光的范围，波长在这个范围 外的光就不能穿透，只有可见光能进来。大于650nm就进入红外光范围了，小于 380nm就是紫外光的范围了，这样滤光片就使CCD感觉到红外光大大减少，这样 彩色 CCD 就感应不到红外光， DSP 不会被干扰，图像显示就不会“偏色”。黑白的为什么就没加滤光片呢？图像显示不会干扰吗？原因很简单，黑白本 来就没有颜色，没必要加滤光片，DSP也不会遭到干扰。日夜型红外彩色摄像机就是这个原理，白天有光线时就用彩色的，晚上没有 光线时就把CCD上头的滤光片“拿掉”，再加上红外灯。现在有普通型和感红外 的滤光片，用普通型的滤光片盖住CCD的情况下在晚上是看不到图像的，感红外 的滤光片可以感应一定范围的红外光，在晚上就可以看到图像，当然在晚上效果 不比黑白机的效果好，毕竟滤光片滤去了部分红外光。目前日夜型的摄像机用感 红外的滤光片，使白天是彩色的，晚上也能看到图像。另外，由于使用了可以感应一定范围红外光的滤光片，白天的图像就一定会 有些偏色。温度对CCD的影响摄像机工作时，都会产生温度，当温度过高时，就会影响到CCD，画面开始 就发白了，看起来白蒙蒙这是因为CCD过热,暗电流增加，白底上浮的原因。温度 再高，CCD就会烧坏。应该做好温度控制工作，在有LED灯板时，最好用恒流设 计，控制好LED的电流，既能延长LED的寿命，又能控制好温度。由于LED是正温度系数，也就是温度越高电流越大，电流越大温度就越高。当 然功率大的 LED 能打的距离就远，但电流也会变大，相应的温度会升高，所以在 设计完整的机子时要充分考虑相互之间的关系。五.CCD的尺寸CCD 的尺寸也即摄像机靶面。目前采用的芯片大多数为 1/3”和 1/4”。在 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英寸尺寸为宽12.7mm*高9.6mm，对角线16mm。2/3英寸尺寸为宽8.8mm*高6.6mm，对角线11mm。1/2英寸尺寸为宽6.4mm*高4.8mm，对角线8mm。1/3英寸尺寸为宽4.8mm*高3.6mm，对角线6mm。1/4英寸尺寸为宽3.2mm*高2.4mm，对角线4mm。六、 水平分辨率分辨率是用电视线（简称TV Lines）来表示的。彩色摄像机的典型分辨率 是在 320 到 520 电视线之间，主要有330 线、380 线、420 线、480 线、520 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。七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。欧洲和我国都 采用PAL制，日本等国采用NTSC制式。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 EIR）。八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。信噪比是信号电压与噪声电压的比值，通常用符号S/N来表示。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，不出现噪声一般都是根据需求来调AGC,使 得到满意的结果， AGC 也是有限度的，不是想怎么调就怎么调。九同步方式对单台摄像机而言，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。十摄像机在工程中的应用负责采集视频图像的摄像机一直是监控中最重要的组成部分,摄像机目前应 用比较广泛,比如交通运输,娱乐场所,网吧,政府部门等。在工程应用中选择怎么 样的摄像机是很重要的,既有好的效果,又节省资金。目前摄像机种类繁多，根据 不同划分叫法又不一样，比如按色彩划分有彩色CCD摄像机，黑白CCD摄像机； 按功能有日夜两用型 CCD 摄像机；按照度划分有普通照度摄像机，超低照度摄像 机；按外观划分有半球摄像机，枪机摄像机，一体化摄像机；监控范围的角度有 有固定点摄像机，匀速球型摄像机和高速球型摄像机等。具体选择用那种摄像机，那就要根据实际情况和个人喜欢去选择用哪种类型 的摄像机，并没有限定。比如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。现在我们按监控范围的角度划分去选择摄像机作为例子。它们各有优势，固 定点摄像机是指摄像机安装方式固定，不能转动，不能控制，优势就是它可以长 期监视一个地点，适合用于比如高速公路途中监控，收费站出入口，楼道，公交 车上及各种入口等固定的场所。匀速球型摄像机是指在球型防护罩里面内置云台 和解码器，摄像机可以匀速低速的转动,可以水平 360 上下 90转动，优势就是 监控的范围较大，适合用于高速公路路口、广场、收费站全场，商场等需大范围 监视的场所。高速球型摄像机也是在球型防护罩里面内置高性能云台和解码器， 摄像机可以高速转动，可以达到 0.1-360/秒高速转动，可以迅速的移动和 定位到需要监视的场所，这种摄像机现在被大量用于高速公路、城市路口监控、 收费站广场等场所。在选择摄像机要注意以下几个重要的技术指标：1、清晰度清晰度是一个摄像机的最重要指标，在监控系统中对图像的清晰度有很高的 要求，如在交通监控中,对车辆要能看清车牌号码，对行人要能看清脸部特征， 如果这些都看不清楚，那么监控将失去意义。线数的多少决定着清晰度,线数越 高看到的图像也就越清晰, 与 CCD 芯片及尺寸也是有一定关系的。高速球型摄像 机一定要达到 480 线清晰度才能满足要求。在普通的商场,酒店,学校等一般用 420 线的清晰度就能达到要求。2、最低照度摄像机的最低照度是指当被拍摄物体的光亮度降低到一定程度时，摄像机输 出的视频信号仍能清晰可见。如果是在户外,需要24 小时监控,在夜晚光线很暗， 通常要求摄像机的最低照度要达到0.01LUX。比如在交通监控中。目前解决摄像 机低照度问题，主要是采用超感度CCD (即EXview HAD CCD)，这种超感度CCD要 比普通CCD接收到更多的光线，从而使物体在很暗的光线下仍能清晰成像。3、宽动态功能在光线变化很大，前景和背景及其光线反差也很大的情况下(如交通监控)， 为了能拍摄到高质量的画面，就需要摄像机具备宽动态功能。在前景物体暗，背 景亮的情况下，拍下的物体图像就非常黑而看不清楚，目前市场上的摄像机解决 方法是采用背光补偿（BLC）,但是因为背光补偿是采用中央光线补偿的技术来处 理图像，所以采用背光补偿技术处理的图像前景物体因光线补偿可以看清楚，但 是背景因光线补偿太亮而看不清楚。如果需要同时看清前景物体和背景，这时候 就要用到具有宽动态功能的摄像机。宽动态技术是图像经过两次曝光，通过内部处理电路，合成一幅前景物体和 背景都清晰明亮的图像。一般宽动态摄像机的动态范围能达到 80 倍。目前高速 球型摄像机已具有此功能。4、安装调试及维护的方便性选用结构设计的简便性，方便的安装调试及维护的摄像机，对工程安装公司 和用户来说也是比较重要的，在安装调试阶段，可以节约大量的时间和精力，方 便工程公司的安装；对用户来说，简单及时产品维护，无疑是监控系统正常运作 的保障。以上指标中，清晰度和最低照度是首要考虑的，宽动态功能目前并不是所有 摄像机都有，只是少部分有。我们在监控系统工程中还有一个距离问题，监控距离与镜头的焦距有关，镜 头越大焦距越大，看的距离就越远，但是看到的范围就会小。比如只要求看 10 米，那用 3.6mm 的镜头就可以满足， 3.6mm 属于广角镜头，看的范围要广一些。 如果要求看100米，那3.6m的镜头明显的不能满足要求，应该用25mm的镜头。 看的范围就要小些。当然选择多大焦距的镜头还得看要监控的距离来定了。焦距 大一些，相应看到的图像范围就要比焦距小的看到的范围小一些了。