模拟摄像机基础知识技术.ppt

刘 冰 亮 神州数码（中国）有限公司,模拟摄像机基础知识,议程,摄像机的基本知识 镜头的基础知识及如何选用 摄像机的应用知识,议程,摄像机的基本知识 镜头的基础知识及如何选用 摄像机的应用知识,摄像机的基本知识,1、CCD摄像机的分类 2、CCD传感器的技术发展趋势 3、CCD摄像机常见性能和主要性能指标 4、一体化摄像机 5、球型摄像机 6、低照度摄像机 7、网络摄像机,1、CCD摄像机的分类,按照成像色彩划分,彩色摄像机 CCD摄像机 黑白摄像机,按照分辨率划分,CCD摄像机 25万像素左右，对应彩色330线/黑白400线的低档型 25万至38万像素之间，对应彩色420线/黑白500线的中档型 38万像素以上，对应彩色大于或等于460线黑白570线以上 的高档型,按照灵敏度划分,CCD摄像机 普通型 月光型 星光型 红外照明型,按照靶面尺寸划分,CCD摄像机 ：1英寸、1/2英寸、1/3英寸、1/4英寸等 CCD尺寸 水平（mm） 垂直（mm） 对角线（mm） 1英寸 12.7 9.6 16 2/3英寸 8.8 6.6 11 1/2英寸 6.4 4.8 8 1/3英寸 4.8 3.6 6 1/4英寸 3.6 2.4 4,1/2寸 和 1/3寸 图像传感器,寸,产生 阴影的 部分,CCD尺寸和焦距,1/3寸,2、CCD传感器的技术发展趋势,Total Area Liner,70,92,93,91,90,89,88,87,86,85,94,95,96,97,98,99,00,01,0,02,生 产 数 量,03,Enhance Liner CCD,Super HAD CCD,Exwave HAD CCD,Started to develop CCD,HAD Sensor,DIL,04,2004年 SuperExwave CCD,电荷耦合器件（Charge Coupled Device）,Sony CCD 历史沿革,什么是CCD？,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。 CCD是摄像机的核心器件，因此其性能高低将直接影响摄像机的品质，并且CCD的发展是摄像机更新换代的基础。,CCD的分类,1、通用型或消费型CCD传感器 2、特殊CCD传感器 红外CCD芯片 大靶面CCD传感器 宽光谱范围CCD传感器,3、CCD摄像机常见性能和主要性能指标, 清晰度（分辨率） 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（应比摄像机的分辨率高）上能够看到的最多线数。当超过这一线数时，屏幕上就只能看到灰蒙蒙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分辨率通常在380460线之间，广播级摄像机的分辨率则可达到700线左右。,拍摄一张全尺寸照片,水平分辨率指有多少垂直的竖线,彩色模式 黑白模式,SONY是彩色的,标准测试条件,目前，高分辨率通过高性能DSP用改进的数字滤波器实现, 最低照度,Sony 最低照度的标准描述,“最低照度”需要和“状态”相关联： 0.4Lx（F1.2，AGC ON, 30IRE） 0.8Lx（F1.2，AGC ON, 50IRE） IRE 值是表示在不同幅度的电平输出，基准为 700mv,什么是IRE,IRE 美国电视学会关于电视信号电平的标准,0V,0.7V,0 IRE,0.35V,100 IRE,50 IRE,电视信号的电平幅度,对应的IRE数值,常规场合的照度值, 信噪比,信噪比信号电压/噪声电压，通常用符号S/N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。CCD摄像机信噪比的典型值一般为45dB55dB。测量信噪比参数时，应使用视频杂波测量仪直接连接于摄像机的视频输出端子上。, 自动增益控制（AGC）,AGCAutomatic 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。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。,三类自动增益,AGC (ON/OFF) -SSC-E 系列 OFF 0 dB ON 24 dB AGC Turbo -SSC- DC590,DC570系列 24 dB AGC (Normal) -SSC-其他些列 18 dB,AGC,S/N, 背景光补偿（BLC）,BLCBackLight Compesation的缩写。,BLC，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。,DynaView 技术,高快门速度,普通快门速度,合成图像,+,DynaView 技术可以使摄像机获得更好的 背光补偿效果 (BLC),电子快门（ES）,电子快门的英文全称为Electronic Shutter，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图像传感器的感光时间。,白平衡（WB）,白平衡（White Balance），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。,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。,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、增加或减少兰色各一个等级。,连续白平衡,连续白平衡也称为自动跟踪白平衡（Automatic Tracking White balance，ATW），是随着景物色彩温度的改变而连续地调整，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，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,自动控制白平衡（Automatic White balance Control，AWC），需要先将摄像机对准诸如白墙、白纸等白色参考目标，然后将通过菜单或开关设置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。,ATW 和 ATW Pro （自动跟踪白平衡), Pro,2500 ,2000 10,000,K,K,K,K,K,K,摄像机可将白平衡固定在3200K（白炽灯水平）和5500K（日光水平）等档次命令。,亮度和色温,荧光材料,荧光灯,荧光灯及其尖锐的发散线,B,G,O,尖锐的发散线,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）是利用摄像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。,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像机的外同步输入端来实现同步。同步信号可以是彩色复合视频或黑色突法信号（VBS）、黑白复合视频或复合同步信号（VS），也可以是如矩阵等外部设备的复用垂直驱动信号（VD2）和复合视频输出信号。,议程,摄像机的基本知识 镜头的基础知识及如何选用 摄像机的应用知识,1、镜头的参数,镜头的光学特性主要包括成像尺寸、焦距（f）、相对孔径（D/f）和视场角（2W）等几个参数，以下分别介绍：,成像尺寸,CCD尺寸 水平（mm） 垂直（mm） 对角线（mm） 1英寸 12.7 9.6 16 2/3英寸 8.8 6.6 11 1/2英寸 6.4 4.8 8 1/3英寸 4.8 3.6 6 1/4英寸 3.6 2.4 4,镜头一般可分为25.4mm（1 in）、16.9mm（2/3 in）、12.7mm（1/2 in）、8.47mm（1/3 in）和6.35mm（1/4 in）等几种规格。,选镜头时，应使镜头的成像尺寸与摄像机的靶面尺寸大小相吻合，当镜头的成像尺寸比摄像机靶面的尺寸大时，不会影响成像，但实际成像的视场角要比该镜头的标称视场角小；当镜头的成像尺寸比摄像机靶面的尺寸小时，就会影响成像。（表现为成像画面四周被镜筒遮挡）,12.7mm,8.47mm,简单说，1/2”的镜头可以装在1/3”CCD的摄像机上，反过来就不可以。,焦距,长焦距镜头摄取景物尺寸大，短焦距镜头摄取景物尺寸小，已知被摄物体的大小及物体到镜头的焦距，叫f=h D/H或f=v D/V D为镜头中心到被摄物体的距离。 H和V分别为被摄物体的水平尺寸和垂直尺寸。,实际应用中，常有用户提出摄像机能看清多么远的物体或多么宽的场景等问题，这要由所选用镜头的焦距来决定，还与所用摄像机的分辨率及监视器的分辨率有关 。,例：已知被摄物体距镜头中心距离3m，高度为1.8m，所用摄像机CCD靶面为1/2 in。（靶面垂直尺寸为4.8mm） 查得f=v D/V=4.8300018008.02mm，应配8mm的镜头。,焦距，叫f=h D/H或f=v D/V,相对孔径,由于像面照度与相对孔径的平方成正比（与光阑的平方成反比）所以光阑每变化一档，像面亮度就变化一倍。 光阑F值越小则相对孔径越大，到达摄像机靶面的光通量就越大。常见镜头所标的F值均指该镜头的最小光阑数。,为了控制通过镜头的光通量大小，在镜头后部均设置了光阑，俗称光圈。,相对孔径A为有效孔径D与焦距f之比（A=D/f） 镜头的相对孔径决定被摄像的照度，即像的照度E与镜头的相对孔径A的平方或正比。 一般习惯用相对孔径的倒数来表示镜头光阑的大小。 即： F=f/D,视场角,镜头有一个确定的视野，镜头对这个视野的高度和宽度的张角称为视场角。,视场角与焦距f及摄像机靶面尺寸，水平尺寸h及垂直尺寸v的大小有关。ah=2arctg（h/2f） av=2actg（v/2f）,镜头的焦距f越短，其视场角越大，或摄像机靶面尺寸h或v越大， 其视场角也越大。,f=3.5 视场角94.6,f=8 视场角42.6,f=25 视场角14.2,接口,镜头的安装方式有C型安装和CS型安装两种。,两种接口示图，上半部为CS型镜头，下半部为C型镜头，电视监控系统用镜头C型安装镜头（1m32牙螺反座）国际公认标准。 安装部位口径为25.4mm(1 in)从镜头安装基准面到焦点距离是17.526mm。 镜头C型安装到CS接口的摄像机需增配一个5mm厚的接圈。,电动三可变镜头（光圈 Iris、聚焦 Focus、变焦 Zoom）,电动两可变镜头（自动光圈）,DC驱动,视频驱动,自动光圈镜头,手动光圈镜头,DC驱动,视频驱动,定焦镜头,固定光圈镜头,手动光圈镜头,自动光圈镜头,手动变焦镜头,电动变焦镜头,DC驱动,视频驱动,2、镜头的分类,DC驱动与视频驱动的区别：,视频驱动是指摄像机将视频信号电平输出到自动光圈镜头的内部。再由其内部的驱动电路输出控制电压使镜头的光圈调整电动机驱动电路。 直流（DC）驱动是指摄像机内部增加了镜头光圈电动机的驱动电路。可以直接输出直流控制电压到镜头内的光圈电动机并使其转动。,固定光圈定焦镜头,固定光圈定焦镜头只有一个可手动调整的对焦调整环（环上标有若干距离参考值），左右旋转该环可成在CCD靶面上的像最为清晰，此时监视器屏幕上得到图像也最为清晰。 无光圈调整环，只能改变环境照度来调整光通量。,手动光圈定焦镜头,手动光圈定焦镜头比固定光圈定焦镜头增加了光圈调整环，调整范围一般可以从F1.2或F1.4到全关闭。能方便适应被摄现场的光照度，这种镜头一般应用于光照度比较均匀的场合。,自动光圈定焦镜头,自动光圈定焦镜头相当于在手动光圈定焦镜头的光圈调整环上增加一个由齿轮啮合传动的微型电动机，并从其驱动电路上引出了4芯的屏蔽线，接到摄像机的自动光圈接口座上。,手动变焦镜头,手动变焦镜头的焦距是可变的，它有一个焦距调整环，可以在一定 范围内调整镜头的焦距，其变比一般为2-3倍，焦距一般在3.6-8mm。 在实际工程应用中，通过手动调节镜头的变焦环，可以方便地选择被监视现场的视场角。 手动变焦镜头中也有带自动光圈的镜头，也有直流驱动和视频驱动两类。,自动光圈电动变焦镜头,自动光圈电动变焦镜头比自动光圈定焦镜头增加了两个微型电动机，其中一个电动机与镜头的变焦环啮合，当其受控而转动时可改变镜头的焦距(Zoom)；另一个电动机与镜头的对焦环啮合，当其受控而转动时可完成镜头的对焦(Focus)。,电动三可变镜头,电动三可变镜头与电动两可变镜头结构相差不多，只是将对光圈调整电动机的控制由自动控制方式改为由控制器来手动控制，因此它也包含了三个微型电动机引出一组6芯控制线与镜头控制器相连。 常见的有6倍、10倍和12倍等几种规格。 变焦镜头的“倍率”是变焦镜头的最长焦距与最短焦距之比，是一个相对值。,3、“看多远”问题,“看多远”较为科学得说法是： 在屏幕上成的码大小可对应于实际观测距离处多高或多宽的景物。,CCD靶面尺寸，物距，被摄物大小 镜头焦距f 选镜头： （1）首先确定镜头的类型;手动光圈还是自动光圈 （2）决定被观测物体的优先考虑因素，即是以垂直高度V作为选择依据，还是以水平宽度H作为选择依据 （3）选择镜头的尺寸（注意与选用CCD或CMOS摄像机的靶面尺寸相符） （4）观测距离和被监视物体的尺寸可由此确定焦距F,议程,摄像机的基本知识 镜头的基础知识及如何选用 摄像机的应用知识,1、安装镜头,摄像机必须配接镜头才可使用，一般应根据现场的实际情况来选配合适的镜头。如定焦镜头或变焦镜头、手动光圈镜头或自动光圈镜头、标准镜头或广角镜头或长焦镜头等。 还应注意镜头与摄像机的接口，是C型接口还是CS型接口。,2、连接电源线与信号线,摄像机的供电电源一般为直流12V，有些则为交流24V或交流220V。故在实际应用中特别注意电源电压，而直流供电摄像机还应注意电源极性，以免烧毁摄像机。有些摄像机可以自动识别直流12V或交流24V，因此该摄像机的电源供给可以不考虑电源的大小或直流极性。 视频信号通常是通过摄像机后面板上的BNC插座引出，用具有BNC插头的75同轴电缆，一端接入摄像机的视频输出，另一端接到监视器上。,3、调整镜头光圈与对焦,关闭摄像机