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网络摄像机培训 基础篇 大华技术 让您的安全更有保障 1 2 产品的特性 3 内容提要 4 IPC竞争分析 5 IPC需求分析 产品的原理 结束语 一 产品的原理 1 摄像机 是一种把景物光像转变为电信号的装置 其结构大致可分为三部分 光学系统 主要指镜头光电转换系统 主要指摄像管或影像传感器件电路系统 主要指视频处理电路 一 产品的原理 2 摄像机分类按摄像机形状分 枪机 球机 针孔机按感光芯片分 CCD摄像机 CMOS摄像机按输出图像信号格式划分 模拟摄像机 数字摄像机按成像色彩划分 彩色 黑白按分辨率划分 330TVL 420TVL 480TVL 540TVL Megapixels按灵敏度划分 普通 月光 星光 红外照明按感光元件靶面大小划分 1inch 2 3inch 1 2inch 1 3inch 1 4inch 一 产品的原理 3 摄像机关键部件镜头滤光片感光元件专用图像处理单元 一 产品的原理 4 滤光片定义光学低通滤波器 OLPF 功用滤除红外线 镀膜 蓝玻璃修整光线 石英 一 产品的原理 5 感光元件CCD 电荷耦合器件 ChargeCoupledDevice 传感器中每一行中每一个象素的电荷数据都会依次传送到下一个象素中 由最底端部分输出 再经由传感器边缘的放大器进行放大输出 CMOS 互补性氧化金属半导体 ComplementaryMetalOxideSemiconductor 传感器中每个象素都会邻接一个放大器及A D转换电路 用类似内存电路的方式将数据输出 一 产品的原理 6 CCD与CMOS比较 一 产品的原理 7 CCD辨识 SONYCCD SHARPCCD 松下CCD 一 产品的原理 8 图像处理单元V DriverCDS AGCTGDSP 二 产品的原理 9 DSPSONY方案 SS 1 2163 SS 11 3141 2 SS HQ1 3172 SS 11X 4103 SHARP方案 D4 38603 D5松下 D5 673276 其它厂家 Nextchip A NOVA CCD尺寸 即摄像机靶面 通常有2 3 1 2 1 3 1 4等规格 一般来讲此值越大越好 感光面积越大成像质量越好 二 产品的特性 1 像素数 CCD是由面阵感光元素组成 每一个感光元素称为像素 像素越多 图像越清晰 有的给出了水平及垂直方向的像素数 如500H 582V 有些则给出了前两者的乘积值 如30万像素 分辨率 通常是指摄像机的水平分辨率 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再能分辨出黑白相间的线条 问题 为何不以垂直分辨率作为指标 二 产品的特性 2 垂直清晰度是由一帧图像的扫描行数决定的 由于在场消隐期间看不到扫描线 对于我国625行50场的扫描制式来说 画面的有效扫描行数约为575行 而对于美国525行60场的扫描制式来说 画面的有效扫描行数约为490行 由于水平扫描线之间是离散的 所以两条相邻的水平扫描线之间一定会丢失部分细节 或说对与扫描线相同的黑白水平线摄像时 扫描线与黑白水平线正好重合的概率不等于一 一般 约有30 凯尔系数 的细节会丢失 所以认为 垂直清晰度RV等于有效扫描行数n乘以经验值0 7 70 即RV 0 7n所以 对625行的扫描制式来说 实际有效的清晰度为575 0 7 402TVL 对525行的扫描制式来说 其垂直清晰度为490 0 7 343TVL 因此垂直清晰度对同一电视制式来说 基本上是固定的 问题 像素和分辨率的关系 二 产品的特性 3 像素是最小的图像单元 这种最小的图形的单元能在屏幕上显示通常是单个的染色点 像素是由光电传感器上的光敏元件数目所决定的 一个光敏元件就对应一个像素 因此像素越大 意味着光敏元件越多 相应的成本就越大 分辨率是一个表示平面图像精细程度的概念 通常它是以横向和纵向点的数量来衡量的 表示成水平点数 垂直点数的形式 在一个固定的平面内 单位长度内像素个数 PPI 分辨率越高 意味着可使用的点数越多 图像越细致 像素和分辨率是成正比的 像素越大 分辨率也越高 最低照度 是指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系数为前提 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系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 二 产品的特性 4 二 产品的特性 5 问题 最低照度是否可作为衡量现场环境照度的标准 二 产品的特性 6 视频信号的标称值为1Vp p 标准值为0 7Vp p 最低照度时的视频信号值为1 3到1 2的标准植 而且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 黑白相间的条纹 进行测式的 与实际使用当中的场景差别很大 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准 应根据监视目标的照度选择不同灵敏度的摄像机 监视目标的最低环境照度应高于摄像机最低照度的10倍 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系 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为底的对数再乘以系数20 单位用dB表示 S N 20Lg Vs Vn 二 产品的特性 7 问题 典型摄像机的信噪比值是多少 二 产品的特性 8 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 若为50dB 则图像质量良好 有少量噪声 若为60dB 则图像质量优良 不出现噪声 自动增益控制 AGC AutomaticGainControl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 从而使摄象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 二 产品的特性 9 问题 自动增益控制的优缺点是什么 二 产品的特性 10 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 BackLightCompesation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 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 二 产品的特性 11 问题 BLC和AGC的异同 二 产品的特性 12 AGC开启时 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 BLC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 ElectronicShutter的缩写 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 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 常见的电子快门时间为1 50 1 10000s 二 产品的特性 13 白平衡 WB WhiteBalance 是彩色摄象机的一个重要参数 它直接影响重现图像的彩色效果 当摄像机的白平衡设置不当时 重现图像就会出现偏色现象 特别是会使原本不带彩色的景物也着上了颜色 自动白平衡 AWB AutomaticWhiteBalance 在监控系统的应用中 摄像机都是长时间工作 光源色温及电路参数都会发生一定的变化 因此AWB就确保了摄像机的连续工作中随时校正白平衡 AWB分为连续白平衡ATW和自动控制白平衡AWC两种方式 二 产品的特性 14 连续白平衡 也称为自动跟踪白平衡 AutomaticTrackingWhitebalance ATW 是随着景物色彩温度的改变而连续地调整 范围为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 AWC AutomaticWhitebalanceControl 需要先将摄像机对准诸如白墙等白色参考目标 然后将WB设置改变为自动方式 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 重新WB设置为手动位置以锁定该白平衡的设置 其范围为2300 10000K 在此期间 即使摄象机断电也不会丢失该设置 二 产品的特性 15 2020 1 29 27 可编辑 二 产品的特性 16 镜头的作用是从被摄物体收集光信号到摄像机光电传感器的光敏区 镜头是由一组透镜和光阑组成的 透镜透镜分为凸透镜和凹透镜 凸透镜对光线有会聚作用 所以也叫会聚透镜 正透镜 常用的凸透镜有双凸 平凸 正弯月三类 凹透镜对光线有发散作用 所以也叫发散透镜 负透镜 2020 1 29 29 可编辑 二 产品的特性 17 光阑能进入镜头成像的光束 其大小是由透镜框和其他金属框决定的 往往这样限制光束还不够 还要在镜头中设置一些带孔的金属薄片来限制光束 称为光阑 光阑的通光孔一般呈圆形 其中心在透镜的中心轴上 镜头的金属框也是一种光阑 二 产品的特性 18 镜头类型C mount图像传感器到镜头之间的距离应为17 526mmCS mount图像传感器到镜头之间的距离应为12 5mmc mountlens 5mmadapterring后 可以转换成cs mountlens 二 产品的特性 19 镜头的分类按焦距分标准 水平视场角30度广角 水平视场角64度长焦 水平视场角15度按调焦方式分手动调焦自动调焦按光圈分手动光圈自动光圈 二 产品的特性 20 镜头参数成像靶面尺寸焦距相对孔径视场角 二 产品的特性 21 成像靶面尺寸 一般来讲此值越大越好 感光面积越大成像质量越好 适合的才是最好的 二 产品的特性 22 焦距当已知被摄物体的大小及该物体到镜头距离 则可根据下两式估算所选取配镜头的焦距 f hD H 1 f vD V 2 式中 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 v为靶面成像的高度 h为靶面成像的水平宽度 焦距决定了特定距离所能看到的水平区域大小 焦距越长 所能看到的区域越狭窄eg 当选用1 2 镜头时 图像尺寸为v 4 8mm h 6 4mm 若镜头至景物距离D 3 5m 景物的实际高度为V 2 5m将以上参数代入公式 1 中 可得f 4 8 3500 2500 6 72mm 故选用6mm定焦镜头即可 二 产品的特性 23 镜头的角度数与焦距 距离的关系 二 产品的特性 24 相对孔径为了控制通过镜头的光通量大小 在镜头的后部均设置了光阑 俗称光圈 假定光阑的有效孔径为d 由于光线折射的关系 镜头实际的有效孔径为D D与焦距f之比定义为相对孔径A 即A D f一般习惯上用相对孔径的倒数来表示镜头光圈的大小 用F表示 即 F f D完整的F值 F1 F1 4 F2 F2 8 F4 F5 6 F8 F11 F16 F22 F32 F44 F64F值越小 光阑越大 到达摄像机靶面的光通量就越大 问题 为什么从F1到F1 4 光通量减少了一半 二 产品的特性 25 二 产品的特性 26 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 视场角与镜头的焦距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 镜头的水平视场角Ah及垂直视场角Av可分别由下式来计算 即Ah 2arctg h 2f Av 2arctg v 2f 由以上两式可知 镜头的焦距f越短 其视场角越大 二 产品的特性 27 在选择镜头时 要注意以下因素 1 监控现场的大小 根据现场 选用广角 标准等镜头2 被摄物体的高度3 物距4 焦距 根据物体的距离 大小测算出镜头焦距长度5 CCD靶面尺寸 根据ccd靶面选用相符合的镜头6 照明光的照度 物理环境的光照条件 是否逆光 红外光补偿 7 传感器的灵敏度 监视目标的最低环境照度应高于摄像机最低照度的10倍8 分辩率 靶面越小 对镜头分辩率要求越高9 镜头接口 CorCS10 光圈驱动方式 VIDEOorDV 驱动电压 6vor9v 12v 三 IPC竞争分析 1 网络摄像机是IP视频监控系统的前端采集及处理设备 主要完成原始视频的采集和压缩 并通过网络传输到后端的存储和管理设备 它结合了传统摄像机和网络视频的技术 除具备一般的摄像机图像捕捉功能外 还能让用户通过网络实现远程视频监视 储存以及对采集到的图像信息做出分析和采取相关的措施 一般由镜头 图像传感器 声音传感器 A D转换器 音视频压缩控制器 网络服务器 外部报警 控制接口等部份组成 网络摄像机的优势 1 与基于PC的摄像机比较 三 IPC竞争分析 2 基于PC的摄像机 摄像头 真正的网络摄像机 三 IPC竞争分析 3 三 IPC竞争分析 4 网络摄像机的优势 2 与基于模拟摄像机系统的比较 基于模拟摄像机的系统 基于网络摄像机的系统 三 IPC竞争分析 5 三 IPC竞争分析 6 应用优势可采用逐行扫描方式 提供更清晰的图像画面 支持POE技术 有效节约成本 提高系统可靠性 支持百万象素分辨率将智能集成到前端内部集成PTZ控制和输入 输出接口集成音频安全通信基于灵活性高 经济实用的基础设施真正的数字化解决方案更低的总体成本 三 IPC竞争分析 7 IPC和NVS的对比优势 集成NVS和模拟摄像机的功能 NVS的一些缺陷无可避免 如 图像进行模数 数模转换后 图像质量受损 图像分辨率固定为PAL或NTSC 无法满足更高清晰度 更高分辨率的监控需求 视频信号动态范围较小 难以满足各种特定应用的需求 比如低噪声 宽动态 高帧率等需求 模拟信号长距离传输 信号衰减严重 易受干扰 图像质量不佳 无法实现分发 长距离传输 共享等需求 安装方便 易于维护 Easyofuse