监视器、摄像机的调试原理

电视原理、制式及 CCD 简介13.1.1 电视原理当人们实现了文字、声音信息的远距离传送（电报、电话、无线电通信广播）之后，自然就有一种强烈的愿望把远方活动景象传送到眼前而实时地看到视力范围之外的世界。这就是人类“千里眼” 的梦想， “TELEVISION（电视） ”的由来。毕竟使人类通过视觉器官获取的信息量，远远超过其他感觉器官获得的信息量，所谓“百闻不如一见”就是这个道理。人眼观看的景象，是在视力范围的空间中存在并与外界环境相联系的一切活动的和静止的人、物形象的反映。外界存在是客观的，但给各人的映像又有其个人主观的心理和生理因素的影响。在视力范围之外的景象,是由电视作为传送的媒介,如图 13-1，其任务就是尽可能逼真的再现外界的客观景象，使其符合一般人的视觉生理特性，让观察者没有异样的感觉，如同直接对自然景象的观察。为实现这一目标，电视技术的发展和完善必然涉及生理学、心理学、光学、电子信息材料等学科和各种机械、电子、半导体等工艺技术。这里仅就几个最基本的问题作简单的介绍。图 13-1 介于人与外界之间的电视系统1图像的扫描传送电视系统原理简述框图如图 13-2 所示。在电视之前，照相机、电影摄影机已对镜头有了深入的研究。电信通信理论和技术的发展解决了传送通路的问题。阴极射线示波管奠定了显示器件的基础。要实现电视的功能，在有完善的光电传感器件和电光转换显示器件的基础上，技术原理首要解决的是图像的实时传送并原样恢复的问题。图 13-2 电视系统简述框图声音是一种只随时间单一变化的量，当它变换为电信号（电压或电流）后在电信通道内传送时，符合电信通道传送的电流或电压只能是时间的单值函数的要求。声/电传感器和电/声变换器只解决非电量和电量的转换问题。但是图像的传送却要复杂得多。自然景物和人构成的图像，它是在三维空间中存在和活动的，而且各个景物和人的各部位给人眼有着不同的明暗和色彩感觉，这种随时可能变化的丰富多彩的画面，怎样变成随时间变化的单值函数来传送而后又实时地恢复为满意的图像呢？人们首先将问题由空间简化为平面。实际上在此之前即有的电影、照片、彩印的图像都是平面的，现在的彩色电视图像也是平面的，供人们观看都有满意的效果。在电视技术发展过程中，彩色电视是在黑白电视基础上发展起来的，因此，对于传送电视图像的基本原理的了解可进一步简化为如何实现黑白电视图像的传送问题。一幅图像可以分解为若干个成矩形阵列排列的有一定几何尺寸的微小单元（图 13-3） 。现今的固体面阵传感器件正是这样的形式，其每个微小单元称之为“像素”。处于 HV 平面上的每个像素有着不同的水平 h 和 v 位置，在光线照射下，在某一时刻 t 每个像素反射或透射出不同的亮度 L 值，可以由式 13-1 描述。图 13-3 像素矩阵排列L = F1(h,v,t) (13-1)要实现电视的传送，即将平面上随时间变化的各个像素的亮度值（变换为电流或电压）有规律的逐个发送出去，而这种有规律的传送，就是将 h 和 v 变为时间的函数，即h = Fh(t) v = Fv(t)将 h、v 代入式 13-1，亮度值便成为一个时间的单值函数。LF 2(t) (13-2)它正适于电信通道传送。通过电信通道（有线的或无线的）到接收端后，只要找到准确的起始时刻，按照与发送时相同的规律，即可在显示器件上对应的像素位置重现相应的亮度，从而正确地恢复图像。这种逐个发送和接收的过程称为扫描和同步，其特定的规律则称为扫描方式。显然，只要收、发两端遵循同样的扫描方式，就可以实现电视图像的正确再现。因为在电视技术的发展初期，没有统一的国际标准，形成了多种电视体制，其中重大的差别就与扫描方式有关，关于电视制式问题下面还将进一步介绍。一幅幅电视图像的扫描，构成了动态的连续的电视画面，如同电影胶片透射的画面形成屏幕上的电影。它们利用了人眼的“视觉暂留”特性，即一定亮度的画面连续变换频率高到一定数值就不会有闪烁感觉，这个值称为“临界频率”。此外，对高速运动物体，还存在运动速度的影响，在无闪烁感觉时整幅画面如更替变化太慢，仍然可能出现位置上不连续的动画感。这些就是电视扫描中场频、帧频选择的决定性因素。2彩色电视的基础三基色理论电视技术是与人眼视觉功能密切相关的科学，对于彩色视觉的研究，是实现彩色电视的基础。大家知道，天上的彩虹，是太阳光穿过大气层，不同波长的光受到不同程度折射的结果。一束白色的光通过玻璃三棱镜，可以大体分成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫几种颜色。这些现象证明，看似白色的阳光，它却是由不同波长的色光复合组成的，和其他电磁波一样，它们具有同样的电磁波辐射特性，只是人眼可见光的波长，大约只占 380nm（纳米）780nm（纳米）这样一个很小的区段，由长到短，依序排列为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。比红色光的波长长一些的光称近红外光，再长一些的光称远红外光，比紫色光的波长短一些的光称紫外光，这些光都不为人眼所觉察，都属不可见光。更长、更短波长的电磁辐射波，便不属经典光学研究的范畴之内了。自然界存在的景象呈现丰富多彩的颜色，是在特定的光照下，人眼接受了照明光光谱中被物体反射或透射的那一部分波长的光的能量而产生的彩色感觉。人眼彩色视觉的生理机制是人眼具有三种不同的锥状光敏细胞，它们分别只对红色、绿色和紫色光谱的光能量刺激产生视觉反映。这是约两百年前提出的一种假设，成功地解释了绝大多数有关彩色的视觉现象，而四十年前一项获得诺贝尔奖的科学实验证实了这三种细胞的存在。小有修正的是紫色光敏细胞为蓝色光敏细胞所代替，蓝、紫在光谱分布上相邻，而每一种颜色都与一定宽度的光谱范围对应，该实验证明的结果与原来的假设没有实质上的差别。对蓝色光敏感的锥状细胞称 细胞，对绿、红色光敏感的锥状细胞分别称为 细胞、 细胞。、 细胞的存在，为此前大量实验研究得出的彩色视觉的三基色理论提供了心理物理学基础。这就是说，对于一种色可以分解为红、绿、蓝三种成分。反之红、绿、蓝（或其中某两种）色相加又可得出一种特定的色。彩色摄像的原理，正是在对每个像素的色光分解为红、绿、蓝三色的基础上进行光学和电子技术处理的。人们对彩色和彩色视觉所作的大量实验研究，总结出了色光的混合定律。根据格拉斯曼(Grassman)色光相加混色定律得知，颜色感觉相同的色光，不论其光谱结构是否相同，在相加混色中效果是相同的。也就是说，不同波长的可见光呈现的颜色不同，但实验证明，同一种颜色，却可以由不同波长的光混合组成。二者可以相互代换。把两种色调节成在视觉上相同或相等，获得与某种颜色相同色感的代替色称为色的匹配。方法是采用红、绿、蓝作为基色相加混合，匹配得出该种样品的色彩。红、绿、蓝三基色相加混合可以匹配出很多不同的色彩，但这三基色却是相互独立的，任意两个基色组合不可能得出另一个基色。红（R） 、绿（G） 、蓝（B）三基色混色所得的色调彩色的类别，可以用三个色圈及它们的叠合部分所标出的颜色表示。见图 13-4。图 13-4 三基色的相加混色红、黄、绿、青、蓝都是光谱分布上的主色光。介乎红、黄之间的橙色，可调整红、绿相加混色时的配比匹配得出。品红（或称紫红）色是一个非谱色光，它是红、蓝相加合成的色感，由它也可衍生出另一谱色主色紫色的色感。相加混色的方法，利用人的视觉特性可以有几种。三色光同时相加混色称为同时混色法。各个相加色光快速轮换刺激人眼称为轮换混色法，当轮换速率足够高时，与同时混色法有同样的效果。另一种常在彩色电视显像管以及纺织刺绣织品中应用的方法就是镶嵌混色法。这种方法是把相加色分为小面积单元，各色小单元互相交错相邻放置形成一个镶嵌面光源。在一定距离远观看时将不能分辨出各小单元的个别色而看成相加混色后的一个单元。它同样符合相加混色定律。另外，绘画、印刷、照相、彩色影片利用了相减混色的方法（见图 13-5） ，这些行业把黄、青、品三种颜料称为三基色。单板彩色 CCD 摄像机中,为取得色度信息,所加的光学滤色片,也利用了这种黄、青、品的三基色方法。这种三基色的相减混色方法，得到的混色结果如图 13-5 所示。图 13-5 三基色的相减混色上述两种三基色的混色法得出的结果，可以用图 13-6 的理想谱密度波形来说明。为了便于记忆，我们可以把相加混色三基色的结果（见图 13-4） ，看成是逻辑相加：R+G=Y，G+B =C，B+R=M，R+G+B=W，相减混色三基色的结果（见图 13-5） ，看成是逻辑相乘：YM =R，YC= G，CM=B，而 YMC=BL。图 13-6 理想谱密度分布13.1.2 电视的制式 在安全技术防范中应用的电视系统制式为国家标准GB12647-90 通用型应用电视制式所规定。与我国广播电视系统基本相同。这样的规定，在国内许多设备、仪器能兼容，降低了系统成本。制式，是指一定的技术规格或标准，不仅表现为某些指标数量上的差异，更主要的是在体制上的不同，譬如度量衡制中的“公制”与“英制” ，广播电台语音的“调频”与“调幅”发送方式等。在电视系统中，不同制式的主要差别在扫描方式。前面曾经提到扫描方式是发送图像与接收恢复图像的一种约定，如果扫描方式不同，根本就不可能接收到图像。国际无线电咨询委员会（缩写简称 CCIR）把世界各国和地区使用的广播电视制式划分为 13类基本制式，其主要特性见表 13-1。表 13-1 电视的基本制式制表名称特性M B，G ，H I D， K，K 1 L C E A N每帧扫描线数 525 625 625 625 625 625 819 405 625场频（ Hz） 60 50 50 50 50 50 50 50 50帧频 30 25 25 25 25 25 25 25 25行帧 15750 1565 15625 15625 15625 15625 20475 10125 15625额定射频带宽 6 7.8.8 8 8(8.5) 8 7 14 5 6额定视频带宽 4.2 5 5.5 6 6 5 10 3 4.2伴音与图像频差 +4.5 +5.5 +6 +6.5 +6.5 +5.5 11.15 -3.5 +4.5视频调制极性 - - - - + + + + -伴音调制的方式 FM FM FM FM FM FM FM FM FM制式的其他名称美国EIA标准制式西欧标准制式英国（新）标准制式东欧标准制式法国UHF标准制式比利时标准制式法国VHF标准制式英国（旧）标准制式美国625 行标准制式美国电子工业协会（EIA）是美国电子行业的组织，在发展电视工业过程中制定的一些标准，后来也纳入了 CCIR 的分类基本制式中。在摄像机产品中往往标注为 EIA 的制式，实际即为场频 60Hz,每帧 525 行的那种电视体制，以与 CCIR 的场频 50Hz，每帧 625 行的电视制式相区别。 “额定视频带宽”与每帧扫描线数相关，是对视频电路的要求。在广播电视系统中，因为涉及到射频载波和语音的传送，故而还有“额定射频带宽” 、 “伴音与图像载频差” 、 “视频调制极性” 、 “伴音调制方式”等项的差别。在应用电视系统中一般为视频基带传送，没有这些项目。在通用型应用电视制式的规定中，我们还会见到“隔行扫描”的规定。一帧（幅）画面共 625 线（行） ，分为两场扫描，一场实际上包含了二分之一的帧线数。如果按垂直方向将扫描线排列，如图 13-7 隔行扫描示意图则实线为奇数场扫描行，虚线为偶数场扫描行，这就是“隔行扫描” 。为一般电视系统所采用。图 13-7 隔行扫描示意图如果不间隔行而一行接一行扫描，就是“逐行扫描” 。在一些特殊的应用电视系统中，有可能用这种方式。由GB1264790 通用型应用电视制式的规定与上表对照，我国是采用隔行扫描的 CCIRD 制。以上的制式没有涉及彩色信息传送的问题，在黑白电视之后发展起来的彩色电视，必定要考虑到与前者的兼容性。在后来发展的三种主要彩色广播电视制式中，都采用了表 13-1 中所列的某一种规定的基本制式，即该制式的黑白电视接收机，虽无彩色，仍然可以收看所播放的彩色电视节目。世界三种主要的彩色电视制式是在技术经济实力雄厚的国家各自发展中形成的，如同黑白电视制式各国（地区）多种多样，最终划分为 13 类基本制式一样。三种彩色制式不同之处，是色度信息的处理。也就是彩色副载波频率值、色度信号的组成（色差信号调制副载波的方法）不同。根据这个不同而划分的三种彩色制式是：正交平衡调幅制式。由美国国家电视系统委员会制定，简称 NTSC 制；正交平衡调幅、逐行倒相制式。取其英文词头缩写简称为 PAL 制；行轮换调频制式。这是以法国为主研制的一种彩色电视系统，由法文缩写，简称为SECAM 制。GB1264790 通用型应用电视制式规定彩色电视采用 PAL 制。因此在我国的应用电视系统中，摄像机、监视器（或收监两用电视机） 、录像机等涉及电视信号特性的设备、测量仪器等，都要按 CCIR-D/PAL 制式的机型选用，黑白电视设备则只标明 CCIR-D 制，而有关彩色电视的设备还需附加注明为 PAL 制。GB1264790 通用型应用电视制式还规定了有关电视信号的幅度、脉冲时间波形等细节，这也是我们对产品测试的依据。摄像机的技术特性，必须符合这些规定。13.1.3 固体光电传感器 CCD 简介1光电传感器的发展与演进光学图像变为可以传送的电信号，光电传感器件是关键。在 1934 年研制成功的光电像管使室内外的电视广播成为可能。此后，围绕着提高灵敏度（降低摄像机要求的照度） 、提高分辨率、减小体积和重量、降低复杂程度、改善图像品质，许多人为此付出了辛勤的劳动和智慧。1947 年出现了超正析像管，与光电像管一样使用了同一类具有“外光电效应”的光电材料。涂有这种材料的靶面受光照射时激发的光电子飞逸出靶面，从而产生与光强成比例的电位起伏。这类材料的最大不足是光电效率低，也就是灵敏度低。1954 年视像管问世，开始了使用具有“内光电效应”的靶面材料的新时代。这类材料由光激发的电子并不逸出而留在材料内部参与导电，称为光电导材料。视像管靶面用硫化锑作光电导材料，以后发展的有氧化铅管（1965 年用于彩色电视广播） 、硒靶管（1976 年大量生产） 、硒砷碲管等，它们都是用的光电导材料，可统称为光电导摄像管。以上两大类靶面材料的摄像管，由靶面上各点光电效应产生的电位或电导率变化来获得图像信息。这些信息要由靶面上传送到电路中，必须有加热的阴极产生电子再经过聚焦形成电子束，通过电磁偏转的扫描系统才能成为有序的电信号送到电子电路中去。这个产生并聚焦形成电子束的“电子枪”包容在玻璃外壳的真空管内。相对于半导体材料的固体摄像器件，我们称之为电真空摄像管。1948 年发明了半导体，此后随着技术的发展，出现了各种半导体器件及规模由小到大的集成电路（IC） 。在电子技术领域，首先是电子管逐渐被晶体管取代，其后集成的数字电路、模拟电路功能块在电路中被大量采用，直到现在可以供给定制的专用大规模集成电路。在这一进程中，能将光图像变成电信号的固体摄像元件在 1963 年发明，而目前广泛使用的光电传感器 CCD（电荷耦合器件的英文缩写） ，最早的研究报告于 1970 年由美国贝尔研究所发表。此后，世界上先进的电子产品厂商纷纷致力开发。三十年来，固体光电传感器的品质得到极大的提高，相应的专用 IC 不断完善。特别是近十五年，采用 CCD 制成的摄像机，几乎占据了从民用到广播电视专业用的全部领域。安全技术防范用的电视监控系统，用的摄像机也大都是 CCD 黑白摄像机或 CCD 彩色摄像机。与真空摄像管比较，作为固体摄像器件的 CCD，它的成像与扫描读取机制，与真空摄像管完全不同，具有显著的优点： 长寿命不易受灼伤半导体材料理论上寿命是无限的，而真空摄像管产生电子的灯丝阴极、靶面上的光电材料则有一定的使用寿命，强光的直射极易灼伤靶面； 稳定性好，不需另加电磁偏转扫描系统； 体积小、重量轻、功耗低； 抗震动、耐冲击； 不受外界电磁场影响； 无图像失真不用电子枪扫描，CCD 靶面上各分离的像素单元不受所处位置的影响。在真空摄像管中，电子枪产生的电子束射在靶面上的面积相当于一个像素的大小，在电磁偏转扫描中，偏转角度不同分解力也会有差别，偏转系统的非线性还会引起图像失真。固 体 摄 像 器 件 实 用 于 摄 像 机 产 品 中 的 主 要 有 ： MOS（ 金 属 氧 化 物 半 导 体 ） 、 CCD（ 电 荷 耦 合器 件 ） 、 CPD（ 电 荷 引 动 器 件 ） 三 种 ， 目 前 多 见 的 是 CCD 摄 像 机 。 近 来 ， MOS 摄 像 机 因 其 电路 结 构 更 为 简 单 而 价 格 低 廉 ， 许 多 厂 商 又 在 着 力 开 发 。 从 目 前 彩 色 MOS 摄 像 机 达 到 的 灵 敏度 来 看 ， 与 彩 色 CCD 摄 像 机 比 较 还 有 所 不 及 ， 但 从 发 展 前 景 看 ， 仍 是 值 得 关 注 的 方 向 。2电荷耦合器件 CCD 原理与应用CCD 何以能作为摄像器件？因为它具备： 光电转换功能； 电荷存储功能； 电荷转移功能。用半导体硅材料制成的 MOS 光敏器及后来的 HAD（空穴积累光敏二极管）传感器，由光子激发产生的电荷与入射光强度成正比，即能将“光”转换为“电” ；在其上淀积一个金属电极，如果在电极上加一正电压就形成一个“电位阱” ，这个所谓的“阱” ，能吸引束缚住该区域的自由电子，像一个“包” ，这就有了电荷存储功能；所加电压增高，能使“阱”相应变深，相邻“阱”的电子就会被吸引过来，如同水往低处流，从前一个包流入后一个包。如果去掉前一个电极上的电压，而把后者电压降低到原来值，电荷就被收集在这个电极下面，这就完成了电荷从一个极到另一个极的移动，实现了电荷转移。如果对所有的电极连续重复上述步骤，就能利用一连串的脉冲把电荷作为独立的小包沿着衬底的整个长度进行转移，如同串行移位寄存器，但它不是数字电路的移位寄存器，而是一个模拟的移位寄存器。这一串脉冲叫做“转移时钟”脉冲，相当于“移位”脉冲，它在构成上比数字电路移位脉冲要复杂得多。根据实现 CCD 电荷转移的需要，有垂直移位寄存器和水平输出寄存器，因此为了读出 CCD 的图像信息，就有垂直转移时钟驱动脉冲和水平转移（输出）时钟驱动脉冲的分别，它们的构成（相数、电平和电压、时间波形）是完全不同的。详细的情况见后面 CCD 摄像机实例中的介绍。CCD 三十年来的发展，品质日益完善。随着新材料、新技术、新工艺的不断进步，芯片尺寸由大到小，像素由少到多，而灵敏度却更高，图像质量更好。目前，在电视监控系统中用的 CCD 摄像机，芯片尺寸 1/3、1/4 是主流，像素数基本为二十九万像素和四十四万像素两档。光敏器结构有 MOS（金属氧化物二极管）传感器和新型的 HAD（空穴积累光敏二极管）传感器。在电荷转移方式上，有 FT（帧转移） 、IT（行间转移） 、FIT（帧行间转移）三种。这三种转移方式的 CCD 器件各自都有它们的应用范围。图 13-8，图 13-9，图 13-10 表示了三种 CCD 的转移结构原理图。图 13-8 帧转移（FT）CCD图 13-9 行间转移（IT ）CCD使用新型 HAD（空穴积累光敏二极管） ，以 IT（行间转移）方式转移的 CCD，减少了暗电流形成的固定图形杂波，容易增加像素数而提高水平分辨率，有更高的灵敏度和更好的色度，而且和 FIT 一样可实现电子快门功能。片小而价格低，又容易获得良好的摄像特性，现在大量生产的几乎都是这种新型的 HAD IT CCD。图 13-10 帧-行间转移（FIT） CCD13.2 黑白 CCD 摄像机B/W（黑白）CCD 摄像机的图像没有色度信息，在监控系统中使用有一定的局限。但是，总像素数相同档次的摄像机，黑白的比彩色的具有更高的灵敏度和分辨力，某些 B/W CCD更可应用于微光的环境和红外光谱段，显出独有的特点。一般说来，B/W CCD 摄像机的价格也低于彩色 CCD 摄像机。因此在电视监控系统中仍有其存在的空间。由于只有亮度信息的传送，无论在光学结构还是电路结构上，B/W CCD 摄像机都是比较简单的，以下是湖南华南光电科技股份有限公司生产的 HN332 B/W CCD 摄像机的原理方框图（图 13-11） 。该机采用日本索尼公司 29 万像素的 1/3”HAD IT CCD 及三块配套IC，水平分辨率达到约 380TVL，信噪比大于 50dB，带有自动光圈镜头控制和/或自动电子快门功能，是一种性能/价格比很好的低档机。在图 13-11（a）中，处于镜头聚焦面上的 CCD 将光像转变为各个像素上不同的电荷量。图 13-