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CCD摄像机 一 CCD摄像机的原理CCD摄像机主要由光学系统 光电转换系统 信号处理系统组成 自然图像通过光学镜头成像于摄像机的光靶面上 光电转换系统通过CCD元件利用电视扫描方法把光图像信号转换成随时间变化的视频电信号 再经放大 处理 编码而成为全电视信号 1 CCD 依靠上面的感光点 把光影像转成电子信号 每一感光点就像一颗太阳能电池 被光照到后会产生电能 并且能根据光的强度不同产生不同大小的电能 2 V Driver CCD里的每一个感光点产生的电能 通过这颗V DRIVER 产生不同的脉波 把CCD每点的信号 挤 出来 3 CDS AGC 将CCD里 挤 出来的讯号 在这颗晶片内做 修整 送进D S P以上三部分 全都是模拟信号4 D S P 重头戏来了 D S P也就是数字信号处理器 DSP先把模拟信号转成数字信号 再做一大堆的运算 颜色 亮度 白平衡 然后再把数字转模拟 Encoder 也是包在DSP里头 就是视频输出了 DSP里面比较复杂 我们所谓通常所说的摄像机方案就是以这颗DSP T G TimingGen 这是在控制整个处理过程的快慢用的 现在一般看不到了 都包在DSP内了 二 CCD摄像机的分类 按照成像色彩划分CCD摄像机按成像色彩划分为彩色摄像机和黑白摄像机两种 按照分辨率划分按照分辨率划分为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460线以上 黑白570线以上的高档型 按照摄像机灵敏度划分按照灵敏度可分为最低照度1至3lux的普通型 0 1lux左右的月光型 0 01lux以下的星光型 采用红外光源成像的红外照明型 可以为0Lux 按照CCD靶面尺寸划分摄像机摄像器件 CCD 的尺寸分为1英寸 1 2英寸 1 3英寸 1 4英寸等 其中以1 3 1 4 1 2 最为常见 CCD尺寸水平 mm 垂直 mm 对角线 mm 1英寸12 79 6162 3英寸8 86 6111 2英寸6 44 881 3英寸4 83 661 4英寸3 62 44一般来说 大的CCD芯片 其相应的象素面积也较大 接收所摄光的面积增大 必然使象素输出电荷增多 灵敏度上升 在弱光条件下具有较好的拍摄能力 容易使摄像机整体质量提高 图像细部明显细腻自然 按扫描制式划分PAL制与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 美国 日本为NTSC制式 525行 60场 黑白为EIA 按供电电源划分110VAC 60HZ NTSC制式多属此类 220VAC 50HZOr 60HZ 24VAC 50HZOr 60HZ 12VDC或9VDC 微型摄像机多属此类 三 CCD摄像机常见性能和主要性能指标 3 1成像元件这里指的就是CCD 主要区分为彩色 黑白 1 3 1 4 1 2 及品牌 尺寸 大小的差别主要在于灵敏度 也就是最低照度 1 4照度会比1 3差 原理很简单 相同数量的感光点 摆在1 4上的每一点一定比较小点 他的受光就较少 当然照度就较差 好处是便宜一些 还有体积较小 板子可以做小一些 品牌 以价位来说 从贵到便宜 分别是Sony Panasonic Sharp A1 L G 这几种 Sony通常会标 SonySuper HADCCD 这是Sony的注册商标 低照度会标 SonyEx ViewCCD 在一般产品目录上常看到 1 3 SONYSuper HADCCD Ex view也是索尼CCD注册的专有名词 照度比Super HAD更低 当然价格也贵多了 3 2像素 在PAL制 有752 H x582 V 也就是常说的44万像素 及500 H x582 V 也就是常说的25万像素 在NTSC制 有768 H x494 V 也就是所谓38万画素 及510 H x492 V 也就是所谓25万像素 44万像素 就叫高解 25万就叫低解 普解或中解 以上讲的像素是指 有效像素 3 3分辩率25万像素的摄像机 其技术极限大概是320线 注意这里的线数是指水平分辨率 在十多年前 台湾搞出了摄像机 大概就280 300线之间 但跟日本比起来就差了一截 怎么办 那就标350线好了 后来又有新公司及韩国搞出来了 大概在300左右 那就标380条好了 到了近几年 大陆也搞出来了 怎么办 那就标420好了 到现在 全部都标420了 有的甚至标450 更让人搞不懂的是 不管在台湾或是大陆 送去检测 居然也是420线 反正大家已经认可了这种 潜规则 44万像素的 技术极限大概在480线左右 一般中台韩做出来大概就是400 450之间 同上理 就标480 500 520 550 还有 最近流行所谓520线的更是个大骗局 为什么他说520线 是因为主芯片用索尼HQ1 CXD3172AR 翻遍原厂资料 找不到520这个字 只有非官方说法 是有520线 但仅限Y C输出 所以只要是HQ1方案 大家就标520 大家也认可了这种说法 反正多少线数这一块 一般是有 水分 的 3 4最低照度 最简单的定义 在暗房内 摄像机对着被测物 然后把灯光慢慢调暗 直到显示器上快要看不清楚被测物为止 这时量光线的照度 就是最低照度 直观定义 摄像机输出的视频信号幅值为最大幅值的50 即达到350mV 标准视频信号最大幅值为700mV 此时测试到的照度度值则称此摄像机的最低照度 测定此参数时还与镜头有关 应特别注明镜头的最大相对孔径用几毫米镜头 入光量多少 摄像机AGC必须关掉 几乎没有厂家会去做这种测试 所以这个参数与上面的分辨率一样 也是有 水分 的 以前 松下跟索尼的机子低解的标1 1Lux F1 2 那台湾做出来就标0 5吧 后来的只好标0 2 你标0 2 我就标0 1 他标0 05 就这样了 高解CCD照度会比低解的差 原理是同样芯片面积 一个摆了44万点 一个摆了25万点 肯定是低解的CCD得到的光点要大普通型正常工作所需照度1 3LUX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以下紅外型用红外光源成像的红外机 在沒有光线的情況下也可以成像 3 5信噪比 任何电路只要通电后都会产生噪声信号 包括元器件及线路本身所产生的 当然噪声信号越小 画面看起来会越干净 我们用视频信号跟噪声信号的比值来表示 信噪比 20log V2 V1 dB V2指视频信号V1指噪声信号注 以前松下跟索尼的机子信噪比标50dB 那台湾做出来就标多少 一看起来就是比较差 不好意思吹牛了 那就标48好 可是不好看 修饰一下 48dB 就是这样来的 不论哪家做出来的摄像机 一律就这样标了 也没有人去测试 3 6电子快门为了让影像亮度正确 我们必须正确控制摄像机的入光量 要调整入光量要从镜头的光圈及摄像机像机的快门着手我们用手动镜头时 光圈是固定的 如果这时遇到强光怎办 很简单 在CCD还没过曝前 D S P就赶紧把CCD上的信号 扫 下来 光线强时抓快些 光线弱时抓慢些 抓一次相当于我门用单反相机时 喀嗏 一声 单反像机是机械式快门 这里叫 电子快门 跟据D S P规格书 电子快门速度在PAL制时是1 50 1 100000秒 所以大家就这样标了 实际应用上 如果机子在太阳下看起来像蒙层细白裟 不是很清楚 那一般是快门速度不够引起的 如果用自动光圈镜头 那入光量就由镜头光圈来控制了 这时候 机子本身快门速度就定在1 50秒 3 7 背光补偿什么是背光补偿 这又跟快门速度有关了 举个例子 当一台摄像机装在ATM上 对着大街 在大太阳下 环境很亮 所以机子快门速度当然是很快的 才不会过度曝光 这时 如果有人来提款 脸对着镜头 由于目前摄像机采全面测光 整体还是很亮 在高速快门下 人脸的曝光量就不足了 会黑黑的 这就是上面所说的 背光 一句话 在背面有强光 导致要显示的主体曝光不足而变黑的情况所以问题就出在全面曝光上 假使我们只取一部份来测光 比如说中间 那人脸在中间 这时DSP会测到曝光不足 便会放慢快门速度 这时人脸就清楚了 但是因为快门速度慢了 导致背景 街上 会过曝而白茫茫一片 所以 背光补偿就是根据特定的测光区域 调整电子快门 或自动光圈 使得测光区域内的曝光值正常 不在测光区域内的就不管了 3 8白平衡白平衡只用于彩色摄象机 可让摄象机依据照射于物体身体的光源色温自动调节 让摄象机能配合光源而调整颜色的功能 有自动白平衡 AWB 自动跟踪白平衡 ATW 和手动白平衡 Manual 三种方式自动追踪白平衡 ATW ATW对物体的色温变化追踪和侦测 并自动调整白平衡 调整范围为2500 8000K ATW最适合于景物的色彩温度不断改变的场合 它可使色彩表现更自然2 自动白平衡 AWB AWB是一项预设功能 先侦测白色目标并执行白平衡 然后 白平衡设置好后存储起来 每当进行白平衡时 预设的白平衡设置会被采用 AWB最适用于有固定光源的地方 3 手动白平衡 Manual 改变图像的红色或兰色状况 有多达107个等级供调节 用以控制红色和蓝色信号的增益 开手动白平衡将关闭自动白平衡除此之外 有的摄像机还有将白平衡固定在3200K 白炽灯水平 和5500K 曰光水平 等档次命令 3 9AGC电子自动增益 是摄像机基本功能 有人为了让画面看来亮些 刻意调得很高 这样在低照度时 很容易就白茫茫一片 所以一般有AGC开关 让用户自己来调节 要高就高 要低就低3 10接头型式 C Mount及C SMount 又要说故事了 当初做出摄像机时 总得配个镜头 因此搞了个接口标准 直径为25 4mm 每英吋32个螺牙 边缘至CCD距离为17 526mm 就叫C接口 摄像机与镜头按照这标准才能搭配 后来 松下将由八个镜片的镜头改为五个镜片的镜头 省了成本 但是成像距离短了约五毫米 也就是镜头靠近CCD5mm 怎么办 那就改标准了 把上头 边缘至CCD距离为17 526mm 改为12 5mm 就叫C S接口 现在几乎所有机子都用C S接口 再配一个C S转C接口的5mm规格的加长环 3 11视频输出视频输出的标准是1Vp p 也就是1伏特 峰峰值 标都是这样标 但常有厂家为求看起来 亮 一点 故意增加信号强度 但在外接其它如DVR设备时由于会引起一些困扰 3 12消耗功率 一般机子在12V时 大致在90 180mA之间 红外机在红外灯开启时大致在500 1000mA 四 SONY摄像机的DSP方案SS 1CXD2163BR这颗DSP推出也有10年了 可接高解CCD ICX408AKNTSC ICX409AKPAL 及低解CCD ICX404AKNTSC ICX405AKPAL 索尼长久以来只有这颗DSP能接高解CCD 因此大家只要想到索尼高解就会想到这颗DSP SS 11CXD3141R或是CXD3142这颗DSP在1999年推出 当初把这方案做为低价机种 只能接低解CCD SS 11只能接低解CCD 但在那时品质还是比其他牌子好些 所谓420线的机子就是这样来的 拿低解机来冒充高解机也是从这方案来的现在SONY420线的方案几乎就用芯片 3 SS HQ1CXD3172AR这颗DSP在2004年推出 就是所谓的520线的方案 这个芯片的问题就是过热 DSP本身温度会高到60度左右 当然如果散热处理得当 还是不会有问题的 SS HQ1能接高解也能接低解CCD 而且电源同步也没问题 基本上比SS 1 CXD2163BR 好多了 4 SS 11XCXD4103R这颗DSP在2005年推出 是目前索尼最新的DSP 在结构上很像是SS HQ1的改良版 不热了 应该有把2163淘汰掉的架式 但这颗芯片目前的缺点是电源同步杂讯太大 SS 11X能接高解也能接低解CCD 五 常用摄像机选型在监控系统应用中 摄像机选用十分关键 它直接决定了整个监控系统的图像效果 摄像机选用主要依据两个要素进行 一 摄像机使用环境 应用场合 二 摄像机的相关主要参数 1 摄像机应用场合 摄像机型式的选用目前摄像机种类繁多 应用场合也不相同 应用场合决定摄像机型式的选用 要正确选用摄像机 我们必须了解该摄像机的安装场合 确定安装型式 目前 摄像机安装应用场合主要有 写字楼 酒店 工厂 银行 监狱 道路等 一般还分为室内与室外使用 a 枪式摄像机可安装在室内任何场合 但不太适合监控或安装范围较小的场合b 半球摄像机电梯 有吊顶光线变化不大的室内应用场合c 一体化摄像机最适合安装在室内监控动态范围较大的场合 也适合安装在室外监控范围中等的场合 如需监控室外60m半径以内的目标 d 昼夜型摄像机适用于环境亮度变化较大场合 如室内外晚上灯光较弱 白天亮度正常的场合 2 摄像机相关参数 产品特性 高清晰水平520线采用SONYCCD 有效像素410 000Pixels 水平清晰度高达520线 日夜黑白转换根据白天和晚上光线的强弱 自动调整彩色模式和黑白模式 电子光圈电子光圈控制能自动调整快门速度1 60 1 120 000 遮蔽区域设置此项功能可以设置在屏幕上需要遮蔽的区域 以保护隐私 高灵敏度内置的高灵敏度SONYCCD芯片 即使在0 3LUX 0 1LUX黑白模式 或者0 002LUX SENSUP开启 情况下也能够得到清晰图像 DNR数码减噪功能采用数码减噪 能减少噪声 提高信噪比 因此即使在黑暗条件下也能得到较清晰的图像 附加功能SENS UP 移动侦测 镜像功能 设置图像锐度 内 外同步选择等 都可以根据不同应用来选择 六 摄像机简单测试测试前的准备 1 一颗好的镜头 通常用的是8或9毫米 手动光圈两可变镜头 镜头很关键 要用好镜头 精工镜头或Computar2 一部好的监视器 最好用高解析的 500条以上 测分辨率最好用黑白高解析的 但为求方便 彩色的比较好用 并将监视器的对比度 颜色 亮度旋钮打到中间 3 一张摄像机测试图 开始测试 1 将测试图放正 摄像机对准测试图中心 调整摄像机与测试图距离直到显示器显示的图型 刚好 占满整个屏幕 也就是 测试图四角入框 如果显监视器 2 在测试图两旁各放一盏白炽灯 以45度角照在图表上 让图表表面有均匀的照射光 3 摄像机尽量装在三脚架或支架上4 将摄像机背光补偿 BLC 关掉 自动增益 AGC 关掉 白平衡设在ATW 切到AES 自动电子快门 也就是装手动镜头用的那一档 将镜头光圈开到最大 调整焦距 让影像调到最清楚为止 这时可以用测试图中间有一圈放射状 标明FocusTarget那块图当调焦用 记住 测试图还是要占满全营幕 不多也不少 四角入框 5 再把摄像机AES那档切到OFF 这时屏幕会泛白 把镜头光圈调小约1 3左右直到影像恢复正确为止 如果过头了要重来 也就是先把光圈开最大再往回调 不可先调暗再调亮 分辨率测试 仔细看着测试图中有四条向上合成一束的线 当然是看屏幕里面的 从下到上 越来越密 直到四条线快合起来 无法每条分清处 记起来 就是这一点 回过头来去看那张测视图 找出那点旁边标的线数 就是摄像机的分辨率 这种测试法误差不会超过20