CCD摄像机知识专业解析.docx

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除CCD摄像机知识解析【安防知识网】提起CCD，想必大家都不陌生，但究其根源，也许有些人并不十分了解。本文主要为读者介绍CCD摄像机的基础知识，希望大家对CCD有进一步的了解。什么是CCDCCD是一种固体图像传感器，它是电荷耦合器件(Charge coupled device)的英文简称，是1970年美国贝尔实验室的WB博伊尔(WBBoyle)和GE史密斯(GESmith)等人研制出来的。CCD是在MOS晶体管的基础上发展起来的，其基本结构是MOS(金属氧化物半导体)电容结构(如图1所示)。它是在半导体P型硅(si) 作衬底的表面上用氧化的方法生成一层厚度约100nm150nm的Sio2，再在Sio2表面蒸镀一层金属(如铝)，在衬底和金属电极间加上一个偏置电 压(称栅电压)，就构成了一个MOS电容器。所以，CCD是由一行行紧密排列在硅衬底上的MOS电容器阵列构成的。 目前的CCD器件均采用光敏二极管代替过去的MOS电容器，它是在P 型Si衬底上扩散一个N+区域以形成P-N结二极管。将光电二极管反向偏置，就可在光电二极管中产生一个定向电荷区(称之为耗尽区)。在定向电荷区中，光 生电子空穴分离，光生电子被收集在空间电荷区中。空间电荷区对带负电的电子而言，是一个势能特别低的区域，因此通常又称之为势阱。投射光产生的光生电荷就 储存在这个势阱之中，势阱能够储存的最大电荷量又称之为势阱容量，势阱容量与所加栅压近似成正比。光敏二极管和MOS电容器相比，光敏二极管具有灵敏度高，光谱响应宽，蓝光响应好，暗电流小等特点。如果将一系列的MOS电容器或光敏二极管排 列起来，并以两相、三相或四相工作方式把相应的电极并联在一起，并在每组电极上加上一定时序的驱动脉冲，这样就具备了CCD图像传感器的基本功能。CCD摄像机的组成黑白CCD摄像机的组成及原理如图2所示。 由图2看出， CCD黑白摄像机一般由CCD图像传感器、扫描驱动及同步信号产生部分、视频图像处理及放大部分、摄像镜头、电源等5大部分组成。而CCD彩色摄像机的组成，是在上述5大部分的基础上增加彩色滤波器阵列、红外截止滤光片与彩色信号的处理电路等。至于网络摄像机的组成，除前面所说的摄像机的基本部分外，至少要增加能实现网络传输的功能，即要增加视频压缩处理与视频服务器等。CCD摄像机的正确使用与镜头等的安装调整1、安装镜头众所周知，摄像机必须配接镜头才可使用，但镜头合适与否，应根据应用现场的实际情况来选配。如有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、长焦镜头以及一些特殊镜头等。此外，还应注意镜头与摄像机的尺寸搭配，以及它们之间的接口是C型还是CS型，要不要加5mm的接 圈等。实际安装镜头时，首先要去掉摄像机及镜头的保护盖，然后将镜头轻轻旋入摄像机的镜头接口并使之到位。如是自动光圈镜头，还应将镜头的控制线连到摄像机的AI插口。2、连接电源线与信号线镜头安装好后，就可连接电源线及视频信号线。对12V供电的摄像机来说，应通过220VAC转12VDC的电源适配器，将12V输出插头插入摄 像机的电源插座。摄像机的电源插座大多是内嵌式的针型插座，将12V小电源输出小套筒插头插入即可。但有的摄像机是两个接线端子，这就需要旋动接线端子上 的螺钉，将12V小电源输出线剪开插入并拧紧螺钉就行。需指出的是，必须注意电源线的极性，以防烧坏摄像机。摄像机输出的视频信号均由其后面板上的BNC插座引出，用具有BNC插头的75的同轴电缆，一端接入摄像机的视频输出(Video Out)插座，另一端接到监视器的视频输入(Video in)插座上。最后，接通电源并打开监视器，即可看到摄像机摄取的图像。有的摄像机有内置拾音器，其后面板上有输出声音的RCA插座，用具有RCA插头的屏蔽电缆，一端接入摄像机的RCA插座，另一端接到监视器的音频输入(Audio in)插座上，就可听到所监控的现场的声音。3、镜头光圈与对焦的调整在安装好镜头、连接好电源与信号线后，往往得不到理想而清晰的图像，这就需要调整镜头的光圈与对焦。为此，首先关闭摄像机上电子快门及逆光补偿 等开关，将摄像机对准欲监视的场景，再调整镜头的光圈与对焦环，使监视器上的图像最佳。如果是在光照度变化较大的场合使用摄像机，最好配接自动光圈镜头并 使摄像机的电子快门开关置于OFF。如果选用了手动光圈则应将摄像机的电子快门开关置于ON，并在应用现场最为明亮(环境光照度最大)时，将镜头光圈尽可 能开大并仍使图像为最佳(不能使图像过于发白而过载)，这时镜头才算调整完毕。这样，当现场照度降低时，电子快门将自动调整为慢速，再配合较大的光圈，仍 可使图像达到满意的程度。值得说明的是，在调整过程中，若不注意在光线明亮时将镜头的光圈尽可能开大，而是关得比较小，则摄像机的电子快门会自动调在低速，虽然仍可在监 视器上形成较好的图像，但光线再变暗时，因镜头的光圈比较小，而电子快门已经处于最慢(1/50s)，此时的成像就可能是昏暗一片。在镜头的光圈与对焦调整好后，最后装好防护罩并上好支架即可。需要指出的是，如果是电动变焦镜头(二可变或三可变)，其镜头前部取景镜面与防护罩取景玻璃面之间，必须要充分预留下聚焦动作所需的工作间隔空 间(即距离)。否则，镜头在聚焦动作时将会推伸出一部分长度与防护罩的窗口玻璃发生碰撞并顶住，从而可能造成聚焦电机的损坏。但预留的聚焦工作距离不能过 长，过长会妨碍镜头的光通量特性而影响成像效果。最好的办法是，手动旋转镜头聚焦取景部位，分别在左右两个方向上轻轻地旋转至底到不可调为止，这时即可精 确地找出应预留的工作距离。4、镜头后焦距的调整所谓后焦距也称背焦距，它指的是安装上标准镜头(标准C/CS接口镜头)时，能使被摄景物的成像恰好在CCD图像传感器的感光面上。一般摄像机在出厂时，对后焦距都作了适当的调整，因此在配接定焦镜头的应用场合，通常都不需要调整摄像机的后焦距。但在有些应用场合，可能出现当镜头对焦环调整到极限位置时，仍不能使图像清晰。在这种情况下，首先须确认镜头的接口是否正确，如果确认无误，就需要对摄像机的后焦距进行调整。a、定焦镜头后焦距的调整第一步：将镜头正确安装到摄像机上;第二步：打开摄像机自动电子快门开关，将镜头光圈开到最大，并把对焦环旋至无限远处;第三步：对准拍摄一个20m以外的物体;第四步：将摄像机前端用于固定后焦调节环的内六角螺钉旋松，并旋转后焦调节环(对没有后焦调节环的摄像机则直接旋转镜头而带动其内置的后焦环)，直至画面最清晰为止;第五步：重新旋紧内六角螺钉。b、变焦镜头后焦距的调整在绝大多数摄像机配接电动变焦镜头的应用场合，往往都需要对摄像机的后焦距进行调整。其后焦距调整的步骤如下：第一、二、三步同定焦镜头的调整;第四步：用镜头控制器调整镜头的变焦，将景物推至最远，即望远状态;第五步：用镜头控制器调整镜头的变焦，将景物拉至最近，即广角状态;第六步：将摄像机前端用于固定后焦调节环的内六角螺钉旋松，并旋转后焦调节环(对没有后焦调节环的摄像机则直接旋转镜头而带动其内置的后焦环)直至画面最清晰为止;第七步：重新将镜头推至望远状态，看第四步拍摄的物体是否仍清晰，如不清晰再重更第四、五、六步骤，直至景物在镜头变焦过程中始终清晰为止;第八步：最后旋紧内六角螺钉。彩色CCD摄像机的调整彩色CCD摄像机主要有白、黑平衡以及相应调整和色温调整等，下面分别介绍。白平衡(White Balance)的调整由光源的色温概念中知，同一光源在不同的色温下，或不同的光源在同一色温下，人眼感觉其照射的白色物体的颜色会有差异。如同一房间内同时开启日 光灯及白炽灯照明，人眼会感觉日光灯照射的白色墙壁偏蓝，而白炽灯照射的白色墙壁偏红。由此可知，彩色摄像机在不同的环境色温下，对白色墙壁应正确地重现 白色，因此需要进行白平衡调整。所以，白平衡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色 彩的景物(如白色的墙壁等)也着上了颜色。1、什么是白平衡?由于彩色摄像机需输出有“彩色”的视频信号，而这个“彩色”是用亮度、色调、饱和度来描述的，其中亮度用来表示某彩色光的明亮程度，色调反映颜 色的种类，饱和度是指颜色的纯度或颜色的深浅程度。一般把色调和饱和度通称为色度，因此色度表示颜色的类别与深浅程度，它与亮度一起描述“彩色”。自然界中常见的各种颜色光，都可由红、绿、蓝三种颜色光按不同比例相配而成，而绝大多数颜色光也可以分解成红、绿、蓝三种色光。在理想情况下， 彩色CCD摄像机的红、绿、蓝三条等效光路得到的光能量是相等的，所以摄像机输出的红、绿、蓝信号电压也是相等的，从而使标准彩色监视器能重现彩色摄像机 所摄的纯白色的景物。因此，人们把拍摄白色物体时摄像机输出的红、绿、蓝三基色信号电压相等(即UR=UG=UB)的现象，称为白平衡。由于显像管只有得到三个幅度相同的基色电压时，才能显示出标准白色。因此，在拍摄同一白色景物的情况下，当光源的色温变化时必须设法保持摄像机输出 的三个基色信号电压幅度相等。通常，在光源色温变化时，人们用调节红、绿、蓝三路增益的方法来维持UR=UG=UB的关系。这种调节就叫做白平衡调节或白 平衡调整。一般，白平衡的调整是在一定范围内进行的，当光源色温的变化范围较大时，单靠调整基色信号的增益可能仍达不到理想的效果。在这种情况下，就要通 过使用色温校正片来改变一下入射到CCD图像传感器的光的光谱特性。广播级的彩色摄像机一般都配有高中低三档色温校正片，而在电视监控系统中所用的摄像机 一般都不配备色温校正片。值得指出的是，摄像机的白平衡性能表现为被摄景物在监视器上的色彩还原，因此监视器本身不能偏色，否则就无法判定摄像机偏色。为此，可使用视频信号测试光碟，向监视器输出一个白场信号，再观察荧屏的白色是否偏色。2、自动白平衡(Auto White Balance简称AWB)调整白平衡的调整是在摄像机中的处理放大器中进行的，因而可通过调整红、蓝路信号放大器的增益，使红、绿、蓝三路信号满足UR=UG=UB的关系， 即可完成白平衡的调整。其调整要求是：在任何光源下，在拍摄图像之前，首先要拍摄一个标准的白色目标(通常为标准白平衡测试卡)，再调节各路放大器增益使 之达到白平衡标准，然后才能正式拍摄其他图像。因此，当照射光源的色温变化时，必须重新调整白平衡。在实际的电视监控系统的应用中，摄像机通常都是长时间地工作，甚至是24h连续工作，光源色温及电路参数(尤其是在室外应用时)都会发生一定的变化，因而要多次进行手动白平衡的调整是不现实的。所以，现行彩色摄像机几乎百分之百地应用了自动白平衡调整技术。自动白平衡调整通常有两种处理方法：a、将处理放大器输出的红、绿、蓝三基色信号送入白平衡电路，分别经白平衡窗口(也称为白平衡门)脉冲取样后加以整流，以得到平均直流电平，再 将红路和蓝路的平均电平分别与绿路的平均电平进行比较。以绿路电平为基准，将所得的误差电压放大后送回处理放大器的增益控制级，从而改变红、蓝两路的增 益，使其输出信号电平与绿路信号电平相等，以实现白平衡。这种处理方法的原理如图3所示。 当白平衡调整完毕，自动白平衡电路应断开。此时的误差电压应保持不变，并控制着增益控制级以维持白平衡。误差电压的保持方式分为模拟和数字两种：误差电压的模拟保持方式是，将误差电压存储在电容器上(图1中的电容器C)。这个电容器的绝缘电阻应当尽可能地高，其4h内记忆电平的变化要小 于1%，因此与电容C并联的等效电阻至少要大于105M。这就要求C后面的运算放大器应是高输入阻抗型的，其差模输入电阻应大于106M以上。误差电压的数字保持方式是，将误差电压先转变成数字信号存储起来，然后再变成模拟电压送到增益控制级，只要计数器的电源不断开，数字信号就维持不变，误差电压也就不变。b、将色差信号R-Y和B-Y送入自动白平衡电路，经R、C网络积分后，与零电平进行比较。当拍摄白色景物并达到白平衡时，两个色差信号都应当 是零。因此，通过将色差信号与零电平进行比较，即可实现白平衡调整。如当R-Y0时，则比较器输出电压就加到红路增益控制级，使其增益减小，直到 R-Y=0;当R-Y0时，则红路增益应当增大。其中蓝路增益的控制，则由B-Y信号控制，具体控制方法与红路相同。黑平衡(Black Balance)的调整黑平衡也是彩色摄像机的一个参数，一般广播级摄像机都有黑平衡调整电路。但是，在电视监控系统的实际应用中，多为中低档CCD彩色摄像机，因此一般都不设黑平衡调整电路，其原因是因为由于黑平衡对人眼视觉的影响远不如白平衡对人眼视觉影响那样强烈之故。1、什么是黑平衡?黑平衡是摄像机在拍摄黑色景物或者盖上镜头盖时，输出的三个基色电平也应相等，这时在监视器的屏幕上才能重现出纯黑色，这种现象叫做黑平衡。若黑平衡调整不好，在监视器的屏幕上就会出现黑里透红或黑里透绿等色调。根据前面的分析可知，正确重现黑白图像是正确重现彩色的前提和基础，因此，彩色摄像机的黑、白平衡的调整对正确重现彩色是十分重要的。2、自动黑平衡(Auto Black Balance 简称ABB)调整自动黑平衡与自动白平衡的处理方法基本相似，但引起黑电平的变化不平衡的因素，要比白电平多。从电路结构上看，黑电平的调整和白电平的调整会互 相影响。因此，在彩色摄像机的处理放大器中，在增益控制级的前面，要加暗电流和背景光补偿以及杂散光校正等电路，以使黑电平既不随增益变化，也不随杂散光 变化。这样，调整白平衡时，就不致影响黑平衡。自动黑平衡的处理也有两种方式： 红、绿、蓝三路处理放大器黑电平由一个公共的基准黑电平来决定，当盖上镜头盖时，就自动地使每一路信号在混消隐以前保持黑电平与消隐电平一致。这样，最后输出的三路视频信号的黑电平也必定是一致的; 以绿路为基准，将红路黑电平与蓝路黑电平分别与绿路黑电平相比较，用所得误差电压分别控制红路与蓝路的黑电平，使它们与绿路黑电平相等。有关电路的原理与前述自动白平衡调整电路的原理类似，这里就不再赘述。其他性能参数的调整除了白、黑平衡外，彩色摄像机还有其他性能参数，其中水平与垂直相位调整可保证 图像的色彩及稳定性，而外同步输入端口则可保证大系统中的多支摄像机保持同步调整锁定状态。1、水平相位(Horizontal Phase简称HP)调整水平相位也称作行相位，它与彩色副载波(PAL制彩色副载波频率为fs = 4.43361875MHZ)具有严格的锁定关系。一旦相位失锁，就会造成在监视器屏幕上重现的图像无彩色，或是出现彩色失真，如红旗变成了绿旗，人脸的颜色也变成青绿色等。水平相位与副载波相位的锁定关系，是在摄像机的同步信号产生电路中完成的。通常，电路设计可使这一锁定关系具有很宽的锁相跟踪范围，因而一般不需调整。正因为如此，大多数中、低档CCD彩色摄像机，一般不设有此外置HP调整的功能。一般，对中、高档彩色摄像机，要求其功能及适应的环境更为多些。因此，往往在摄像机的背面板或侧面板上，增加一个HP调整旋钮。一旦出现彩色失真，可以通过调整此HP旋钮而加以消除。2、垂直相位(Vertical Phase简称VP)调整垂直相位也称作场相位，它与行相位也具有严格的锁定关系，主要用于保证正确的电视扫描规律。当监视器屏幕上的图像出现垂直流动时，调整VP旋钮即可消除画面的滚动。3、外同步输入(SYNC)一般，在大多数中、高档CCD彩色摄像机的后面板上，除了有BNC连接器的视频输出端口(标有VIDEO字样)外，还有一个标有SYNC字样的 同样形状的端口，并在其附近设有一个拔动开关，这个BNC端口就是外同步输入端口。当单独使用一个摄像机时，这个端口一般无需连接，只需将视频输出端口通 过视频电缆连接到监视器或录像机等视频设备上，即可获得稳定的图像。而当同时使用多个摄像机并共用后端视频设备(如多画面分割器)时，有时就会出现多个画 面不同步的现象，这时就需要用到SYNC端口。由前面的分析可知，为保证正确的电视扫描关系，摄像机内部必须有同步信号产生电路。这种同步信号产生电路为摄像机的各部分电路提供了所需的同步 信号，人们称此时摄像机工作在内同步方式。当多个摄像机同时用后端视频设备时，由于各摄像机的内同步彼此是独立的，后端设备便无法确定去跟踪哪一个摄像机 的同步信息，因而造成各显示画面的不同步。顺便指出，现行的多画面分割器大都采用了具有较强的同步跟踪能力的锁相电路，因而在大多数应用场合，不会出现上 述各显示画面不同步的现象。通过SYNC拔动开关将摄像机置于外同步方式，并将各摄像机的外同步输入端口连接到一个外接同步信号发生器上，则各摄像机即关断了各自的内同步 产生电路，而是从外同步输入端口中获取并分离出各部分所需的同步信息。由于此时各摄像机的同步信息是来自同一个同步信号发生器，因而保证了各摄像机画面的 同步关系。一般，外同步方式连接示意如图4所示。 顺便指出，在某些特殊应用中(如用多台摄像机进行图像测量等)，摄像机必须使用这种外同步工作的方式(未完待续)。分辨率什么是分辨力与分辨率?一般来说，光学镜头、光电成像器件(或称图像传感器)、摄像机，以及所有的成像系统对物像细节的分辨能力，可以用分辨力表示，也可用分辨率表 示。它们都是衡量光学镜头、光电成像器件、摄像机与成像系统优劣的一个重要的参数。但它们不是同一含义，两者相互关联，但有区别，绝不能混为一谈，概念不 清。由于分辨力与分辨率是光学镜头与摄像机重要的参数，为澄清有些著作或文章对这两个概念的误解，特在这里将这些基本知识作一介绍，让安防监控界的技术人 员与管理人员弄清它们的概念。众所周知，摄像机的分辨率是指当摄像机摄取等间隔排列的黑白相间条纹时，在监视器(比摄像机的分辨率要高)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。因此，分辨率这一参数的正确与否尤其重要。而分辨力的定义是，将光学系统刚好能分辨的两物体之间的最小间隔，称为光学系统的分辨力，而不是分辨率。按照几何光学理想成像的定义，由同一物点发出的光线，通过光学系统以后应全部相交于一点。然而在实际成像中，通常得到的是一个具有一定面积的光斑。中心亮斑的直径可由下式表示：式中，为光的波长，n为像空间介质折射率，Umax为像方孔径角。因为光实际上也是一种电磁波，通过光学系统中限制光束口径的孔径光阑的衍射，会生成衍射像。由于衍射像有一定的大小，我们把两个衍射像间所能分辨的最小间隔，称为理想光学系统的分辨力。根据实验证明，两个像点间能够分辨的最短距离约等于中央亮斑的半径R，如图1所示。由公式(1)得到式(2)，即为理想光学系统的衍射分辨力公式。因此，我们定义分辨力为：人眼刚好能分辨的两物体之间的最小间隔。显然，间隔即一段距离，则分辨力的单位为米制，即mm、m或nm。因此，分 辨率的单位与分辨力的单位是不一样的。从分辨率的单位为线对/mm来看，分辨率与分辨力就有互为倒数的关系，也说明分辨力是能分辨两条线之间的最小间隔。从镜头的分辨率看与分辨力的关系 摄像物镜即通常所说的摄像镜头，它的作用是将外界物体成像在CCD器件的感光面上，因此其分辨率一般以像平面上每毫米内能分辨开的线条数N表示。一般，摄像物镜近似为对无限远物体成像，有将上式代入式(2)所示的理想衍射分辨力公式中，可得到当n=1时，由于F= f/D，则R=1.22F。根据公式(3)，若以每毫米能够分辨的线条数N，来表示光学系统的分辨率，则有因此，式(4)便是摄像物镜的分辨率公式。由此也可看出，分辨率(N)与分辨力(R)的区别。显然，它们是互为倒数的关系。由(4)式可见，摄像物镜的F数越小，则光学系统的分辨率就越高。分辨率的表示法分辨率是摄像机最重要的一个参数，一般有两种表示法：1、极限分辨率极限分辨率是在一定的测试条件之下定义的。当以一定性质的鉴别率图案(有100%对比度的专门的测试卡)投射到CCD光敏面时，在输出端观察到 的最小空间频率(即用眼睛分辨的最细黑白条纹对数)就是该器件的极限分辨率。分辨率通常用每毫米黑白条纹对数(单位为线对/mm)或每帧高电视行数(单位 为TVL)表示。摄像机的清晰度大多用TVL数表示。这种极限分辨率的表示方法，虽有专门的测试卡测量而使用方便，但不客观科学。其原因是因为：每个人的视觉不一样，观测值带有主观性;测试卡的对比度与几何尺寸以及观测时的照度不一样，观测的结果也会有不同。如当被摄图像对比度低于30%时，观测的分辨率值就会明显下降;观测的分辨率值是系统的总体特性，而不能分摊到各个部件上。为此，目前国际上一般均采用调制传递函数(MTF)来表示分辨率。2、调制传递函数(MTF)所谓调制传递函数，即输出调制度Mout与输入调制度Min之比。即或者说调制传递函数是调制度与空间频率的关系。当输入正弦光波(即一个确定的空间频率的物像投射在CCD上)时，CCD的输出也将是随时间变化的一种正弦波，设波峰为A，波谷为B，则可得调制度为通常用零空间频率下的值进行归一化，得到无量纲量即调制传递函数MTF。并且，MTF随空间频率的增高而减小。由于MTF表示的是转移过程前后调制度M的比值，它与图像的形状、尺寸、对比度、照度等无关，因此是客观而科学的。而且由于MTF是正弦波空间频率振幅的响应。在给定的空间频率下，整个系统的MTF等于系统各部分MTF的乘积。即值得提出的是，有时还用对比传递函数(CTF)来评价分辨率。所谓对比传递函数就是方波空间频率振幅的响应。同MTF一样，CTF也随空间频率的增高而减小。但是CTF不能按各部分的乘积来评价，可是方波的振幅响应容易测量，所以也常采用。摄像机的分辨率 通常，固体摄像机的分辨率在镜头的分辨率与视频信号带宽(6MHz)保证的前提下，主要取决于图像传感器的像素数，本文列出了根据像素数计算摄像机的分辨率的公式，据此公式，我们知道解析度为500582像素的摄像机，其分辨率不可能为420TVL。分辨率有时也称清晰度，对CCD摄像机来说，则应有垂直方向的清晰度和水平方向的清晰度，两者的比值也可称为清晰度比。下面分别介绍一下摄像机的垂直清晰度与水平清晰度：1、垂直清晰度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(或说对于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)。一般来说，大概有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(即70%)，即RV = 0.7n (8)所以，对625行的扫描制式来说，实际有效的清晰度为5750.7=402TVL;对525行的扫描制式来说，其垂直清晰度为4900.7=343TVL。因此垂直清晰度对同一电视制式来说，基本上是固定的。2、水平清晰度由于垂直清晰度对同一电视制式来说，基本上是固定的，因此摄像机的清晰度主要是看水平清晰度。这个水平清晰度是当用与画面高度相等的黑白相间的 垂直平行线作被摄物时，在水平方向上所能够再现的线数。而黑白条图形都是一定频率的方波信号，所以根据行扫描速度和传送带宽也可确定水平清晰度的值。水平清晰度用RH表示，如果一条扫描线上能够再现m个像素，则可用下式来表示水平清晰度：式中，m为水平方向的像素数，V是画面的垂直高度，H为水平长度，V/H也叫做光栅高宽比。一般V/H=3/4=0.75，所以(9)式可写成RH =3/4m=0.75m (10)该式即为黑白摄像机的清晰度公式。但现实上因为光学因素会低于这个理论值，如为抑制因条纹图案接近间距发生的水波纹，所使用的光学低通滤波器及镜头的分辨率等。对单板彩色CCD摄像机，因彩色滤光片效果，其分辨率低于相同像素数的黑白摄像机，其清晰度的表示式为RH = 0.75m (11)式中，为因彩色滤光片排列所改变的经验值：对原色直线排列条纹滤光片，=0.530.57;对补色方块色差线顺序滤光片，=0.80.85。彩色CCD摄像机多使用后者。因此，对像素数为500(H)582(V)的低解析摄像机来说，其黑白机的水平清晰度RH = 0.75500 = 375TVL，所以对分辨率无特殊优化处理等功能的一般摄像机来说，这种像素数不可能有420TVL，至于彩色摄像机就更不可能称420TVL了，而最好 也只能是3750.83=310TVL;至于752(H)582(V)的高解摄像机，黑白机的水平清晰度为0.75752=564TVL，不可能为 600TVL，而彩色机也只有460TVL。所以，不是你说得越高越好，而是要有科学依据的。分辨率的测试 通常，分辨率的测试是用安装有成像质量好的镜头的摄像机，去拍摄图2所示的分辨率测试卡，并通过波形监视器用人眼来读取所能分辨的最大线数。其具体方法如下：按图3布置测试环境。将分辨率测试卡置于标准测试灯光盒上，距摄像机约3m远。摄像机的视频输出端接波形监视器，并使波形监视器的输出连至高分辨率黑白监视器(600线以上)上;将景物照度设定为2000lx，光源色温设定为3200K;调节镜头焦距(或选配合适的定焦镜头并前后稍稍移动摄像机)使分辨率卡的图像充满监视器的屏幕，并通过精确对焦使图像最清晰;用选行示波器观察图2所示的分辨率卡，就可得到图4所示的波形;调节镜头光圈使信号白电平达到100%(700mV)，则此时调制深度刚超过5%的电视线数即为该摄像机的极限分辨率。最低照度最低照度的含义及条件众所周知，摄像机说明书中的最低照度指标是非常重要的，因为它是衡量摄像机优劣的一个重要参数。这个指标说明了摄像机能摄取监控场景目标上照度 的最低值。并且，它也是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。确切地说，最低照度是摄像机产生 的亮度输出电平为额定标准电平700mv的一半时被摄物体的照度值。此外，在标定最低照度这一参数时，还应特别注明镜头的最大相对孔径。如使用F1.2的镜头，当被摄景物的光亮度值低到0.041x时，摄像机输 出的视频信号幅值为最大幅值的50%，即达到350mV(一般标准视频信号最大幅值为700mV即0.7V)，则称此摄像机的最低照度为0.04lx / F1.2。被摄景物的光亮度值再低，摄像机输出的视频信号的幅值就达不到350mV，因此，监视器的屏幕上是满屏很难分辨出层次的、灰暗的图像。目前，市场上对最低照度的规范尚不统一，有些产品说明书中照度指标很低的摄像机的低照度特性，可能还不如照度指标稍高一些的摄像机的低照度特性 好。究其原因，就是在测定低照度指标时，使用的测定标准与镜头的孔径不同。如果将摄像机输出的视频信号幅值降为最大幅值的30%(即210mV)为基准 时，再进行测量，则被摄景物的光亮度值还可以再低，如0.03lx;若再进一步将光学镜头换为F1.0的镜头，则由于光能量的增加，被摄景物的光亮度值还 可再进一步降低到0.02lx。由上分析可见，最低照度的数值实际上与下述四个因素有关： 镜头的光圈的大小;光源的色温的高低;视频信号的幅度的大小;目标的反射率和背景的情况。因此，只有标明了以上四个相关条件，而测试出的最低照度值才是有意义的。若抛开测定标准，而单纯地以某品牌摄像机的照度标称值，去和另一个品牌 摄像机的照度标称值去比较，是不能准确得出哪台摄像机的低照度特性更好的结论的，因为它们所用镜头的相对孔径和输出视频信号的规定值等条件可能是不一样 的。又如，若使用针孔镜头，摄像机的最低照度指标，肯定要加大。所以，目前摄像机中的最低照度指标，只能用于设计及选购器材时的参考。最低照度的检测方法通常，最低照度的检测方法有下面两种：1、对比法选用两个同型号的镜头，安装在欲检测的摄像机与国外名厂品牌的原装摄像机上，去作对比。将它们置于暗室，并分别对准相同的层次丰富的物体，再用 调光器调节光照度的大小，直至看不清物体的暗部层次，或者将镜头光圈调小一级作对比。这样，就可根据国外名厂品牌的原装摄像机的最低照度值，即可推测出欲 检测的摄像机的最低照度值。2、仪器法同上一样，也是在暗室中测试，即将欲检测的摄像机对准一个十级灰度测试卡，然后用调光器调节光照度的大小，直至摄像机输出的视频信号在示波器上的幅值降为350mv，最后再用照度计测量这个灰度测试卡表面的照度值，即为所测试条件下的最低照度值。信噪比信噪比的含义及其与照度的关系摄像机说明书中的信噪比，也是摄像机的一个主要参数。一般来说，摄像机摄取较亮场景时，在监视器上显示的画面通常比较明快，观察者往往看不到画 面中的干扰噪点;而当摄像机摄取较暗场景时，监视器上显示的画面就比较昏暗，观察者此时很容易看到画面中有雪花状的干扰噪点。这些干扰噪点的强弱，与摄像 机信噪比指标的好坏有着直接的关系。显然，摄像机的信噪比越高，干扰噪点对画面的影响就越小。所以，据此可看出摄像机信噪比指标的好坏。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。在一般情况下，由于信号电压远高于噪声电压，其比值非常大，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而得，即式(12)的单位用dB表示。值得指出的是，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，这样会使得噪声 电平也相应提高。在电视监控系统中使用的CCD或CMOS摄像机，其信噪比的典型值一般为45dB55dB，而网络摄像机的信噪比值，则要求高于这个 值。信噪比的检测方法 在实际测量信噪比参数时，一般有下列三种方法：1、简易判别法该法是将欲检测的摄像机镜头的光圈关闭或盖上镜头盖，在监视器上观察雪花状的干扰噪点的多少，以判别信噪比大小的程度。2、对比法该法用两个同型号的镜头，安装在欲检测的摄像机与国外名厂品牌的原装摄像机上作对比。将它们置于暗室，并对准黑平衡测试卡，再用调光器调节光照 度的大小，直至监视器画面上明显出现雪花状的干扰噪点。比较两摄像机的噪点的密度和大小，根据国外名厂品牌的原装摄像机的信噪比，以估计欲检测的摄像机的 信噪比值。3、仪器法该法是将欲检测的摄像机对准十级灰度测试卡，再调整光圈的大小，使摄像机输出的视频信号电平达到350mv。再将该摄像机输出的这个信号，直接连接于视频杂波测量仪上，就可在仪表盘上直接读取信噪比的值。由上看出，对一个摄像机来说，是希望分辨率与信噪比越高越好，最低照度越低越好。但这三大指标不是可以任意写的，而是必须通过测试的。(未完待续)校正系数的含义众所周知，由CCD摄像机摄取的图像，最终是要在监视器屏幕上显示出来的，因而要求屏幕上显示的图像亮度L必须与被摄景物上的各点亮度LO成比例，即L=KLO (1)式中，K为常数。但由于实际传输系统的非线性特性，往往会引起重现图像的亮度失真及色度失真。CCD图像传感器及监视器的显像管是决定电视监视系统线性指标的关键器件。一般，CCD图像传感器的光电变换关系为当1=1时，CCD传感器的光电变换关系为线性关系。对显像管来说，其电光变换关系为式中，ug为显像管控制栅极上的信号电压。当2=1时，显像管的电光变换关系也为线性关系。但是，实际上黑白显像管的2=2.2，彩色显像管的2=2.8，因此，要校正显像管引入的非线性失真，在放大器中必须要对图像信号引入相反的的非线性失真。即要求放大器的传输特性为式中，当1 =1、2 = 2.2时，这就是现行一般摄像机中为4.5的由来。经校正后的电视系统的传输特性如图1所示。由于2=2.2，校正应该在监视器(电视接收机)中进行，但为了降低电视接收机的成本，实际的校正都是放在摄像机中进行的。图1 校正后的传输特性由图1所示的传输特性曲线可以看出，=0.45、=0.7和=1的三条曲线分别对应于uc=ui0.45、uc=ui0.7和uc =ui三条线。当小于1时，在ui输入很小时传输特性曲线的斜率很大，即放大器的放大倍数很大;随着ui的增加，曲线的斜率逐渐变小，即放大器的放大倍 数逐渐变小。显然，这就需要用随电平变化的非线性电阻来控制放大器的增益。校正电路 通常，可以用两种方法来模拟曲线：1、用二极管、电阻和电压源组成串联支路，并使若干个这样的支路并联在一起，作为放大器的反馈支路，当输入电压变化时，各反馈支路的二极管会在不同的输入电压下分别导通，使等效反馈电阻发生变化，从而使放大器的增益特性呈若干段折线状，用折线模拟实际所需的曲线;2、根据二极管的非线性特性，直接用一个合适的二极管特性来模拟曲线。一种四段折线式校正电路如图2所示。图中，负极性图像信号经VT1倒相放大，成为正极性的非线性输出信号， =0.45。而VT1的发射极接入了四段折线式非线性反馈电阻。当输入信号电平较高时，三个二极管VD1、VD2和VD3都导通，发射极反馈电阻为R5、 R1、R2和R3并联，阻值最小，所以放大器的增益最高;当输入信号电平逐渐降低时，VD1首先截止，反馈电阻为R5、R2和R3并联，阻值上升，放大器 增益减小;当输入信号电平继续降低时，VD2也截止了，反馈电阻变成R5和R3并联，阻值进一步上升，放大器增益则进一步减小;当输入信号电平降低到使 VD3也被截止时，反馈电阻仅剩R5，放大器的增益达到最小值。因此，整个增益变化的特性曲线为四段折线。所以，只要正确设计和调整各个二极管的偏压和各 个反馈电阻的阻值，就能够获得较为理想的特性曲线。由图可知，各段折线的起始点，即特性曲线的各个转折点，分别由二极管的偏置电压决定，这些偏压可分别用RP1、RP2、和RP3调节。各段折 线的斜率，即各不同输入信号电平的增益，则分别由电阻R1、R2 和R3决定。当信号从黑电平到白电平变化时，VT1的射极电阻Re1、Re2、Re3与Re4将按下式变化：由上分析可知，如果特性曲线所分的折线段数为n，则需要的二极管的支路数为(n-1)。显然，n越大，则折线模拟的特性越接近理想。但n越大，电路越复杂，其调整也复杂。因此，一般实用中采用三四个二极管支路，就可满足要求。现行摄像机大都采用了=0.45值。但有些摄像机外壳的后面板上，还设置了一个值选择开关，可供用户在=1与 =0.45间使用选择。自动光圈(AUTO IRIS)一般，在实际应用的电视监控系统中，摄像机通常都是在大范围光照度变化的场合应用的，如早晚的光照度与中午的光照度，晴天的光照度与阴天的光照 度，它们都会有很大的差别。因此，为保证CCD摄像机能够正确曝光成像，就必须随时调整镜头的光圈，以保证电视监控图像信号不会出现“限幅”现象，否则可 能使图像亮处失去灰度层次，或因通光量减小而使画面灰暗且出现噪点。但摄像机位置一旦固定下来之后，每天去手动调整光圈是非常不现实的，只有使摄像机能提 供驱动自动光圈镜头的接口，能附带自动光圈功能，才能在配接自动光圈镜头的情况下，使摄像机输出的视频图像信号，自动地保持在标准状态。通常，电视监控用的标准CCD或CMOS摄像机，大都带有驱动自动光圈镜头的接口，其中有些只提供直流DC驱动或视频驱动(Video Drive，简称VD)中的一种驱动方式，有些则可同时提供DC和视频两种驱动方式，并设置开关供用户选择。不同品牌及型号的摄像机所带自动光圈接口的位置及形式不完全一样。有的自动光圈接口设置在机身的后面板上，有的则设在机身的侧面。几种不同形式 的的自动光圈接口如图3所示，其中阴式方四孔接口最为常见，但不同摄像机对其各针脚的定义又不完全相同。一般视频驱动自动光圈接口使用3个针，即电源正、 视频、接地;而直流驱动自动光圈接口使用4个针，即阻尼正、阻尼负、驱动正、驱动负。具体将该接口定义为何种光圈驱动方式须由另外的拨动开关来选择，也有 的由摄像机盖板内视频处理板上不同的插座位置来选择，并在出厂前设定一种方式，还有的干脆在摄像机机身侧面及后面板上直接设定两个不同的自动光圈接口。自动光圈的工作原理是，根据视频信号电平的变化输出一控制电压，去驱动镜头中控制光圈的微型电动机做正反向转动，从而实现光圈的自动调整，使摄像机输出的视频信号保持在预先选定的标准电平上，即峰值电平的70%。视频信号电平，可以取为信号的平均电平或峰值电平，预选电平则由摄像机内部调整的基准电压进行控制。一般，为使画面上的主体目标达到最佳亮度， 应排除边缘图像亮度对信号电平的影响，因而光圈的调整应以中心部分的图像信号电平的变化为依据。为此，在信号选取电路中设置一个产生“窗口脉冲”的电路或 “自动光圈门”电路。其窗口的大小不超过整个显示图像面积的40%;有的窗口是矩形的，其高度为显示画面高的65%，宽度为画面宽的65%;也有的只选用 画面总面积20%的椭圆形窗口。一种自动光圈控制电路的方框图如图4所示。由图可知，从处理放大器来的视频信号，经放大后进入开关S1和S2。开关S1由窗口脉冲控制。在窗口 脉冲期间，开关S1接通，所选取的信号经二极管VD给电容器C1充电，充电电压可达信号峰值电平;窗口脉冲结束时，开关S1断开，C1停止充电。这时，控 制脉冲A来到，使开关SA接通，C1上的电压被转移到C2上，经缓冲后送入比较放大器，将它与基准电平进行比较，所得到的误差电压经放大后，送到摄像机的 自动光圈输出端口，并进入自动光圈镜头的电动机控制电路。若输入信号电平高于标准信号电平，误差电压为负，使光圈减小，直至信号电平等于标准信号电平时，误差电压才为零，使电动机停止转动，光圈停止变化。反之，误差电压为正，光圈变大。一般，DC驱动自动光圈镜头比视频驱动自动光圈镜头的价格便宜一些，这是因为DC驱动自动光圈控制电路在摄像机内，而视频驱动自动光圈控制电路在镜头中。电子快门(Electronic Shutter) 电子快门类似于照相机的机械快门功能，在这里是调整控制CCD图像传感器的感光时间，以便改善运动目标图像的清晰程度。实际上，CCD感光的实 质是信号电荷的积累，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。因此，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，就可实现控制CCD感光时间的功能。所以，正确调整电子快门的时间，可保证摄像机在正确的对焦下，拍摄的图像目标清晰。当前，一般的固体成像器件的摄像机绝大多数都带有电子快门功能，其电子快门时间一般为(秒)。并且，高档CCD摄像机一般将电子快门时间分为若 干档，可通过多档拨动开关手动调节，也可在自动方式下由摄像机根据检测到的光强度自动调节。而普通的CCD或CMOS摄像机一般只在其机身侧面或后面板上 设有一个自动电子快门ON/OFF开关，还有些产品干脆将自动电子快门做成内置式，使用者就只能在它ON状态下使用了。为了提高摄像机的低照度灵敏度，即使摄像机在低照度环境下也能拍摄到较为清晰的画面，有的摄像机还设置了类似于照相机的B门或T门感光拍摄方式 的多场积累电子快门方式。在这种方式下，CCD感光单元可以暂停若干场的电荷转移，使其光敏单元中的电荷得以暂存，直到对某场景进行多场曝光后再进行电荷 转移。由于电荷的积累作用，使输出信号的幅度也相应得以提高，这就相当于提高了摄像机的低照度灵敏度。常见的场积累时间一般为2场、4场或6场。值得指出 的是，这种多场积累电子快门方式，仅适合于非运动场景的摄像监视。利用CCD摄像机的高速电子快门，可以防止拍摄高速运动物体时造成的“运动模糊”现象。所谓“运动模糊”即摄像机在拍摄快速运动的物体时会出现 “拖影”，这是由于CCD的感光时间太长，而在这段感光时间内物体已经产生了位移，也就是说，在一个电荷转移周期内，运动物体在CCD感光面的不同位置都 成了像。为防止“运动模糊”现象，应该缩短入射光在CCD感光面上的作用时间，即在每一场内只将某一段时间产生的电荷作为图像信号输出，而将其余时间产生 的电荷排放掉，不予使用。这样就等于缩短了存储电荷的时间，相当于缩短了光线照射CCD感光面的时间，如同加了快门一样，这就是电子快门的实质。电子快门速度的控制方法，如图5所示。当接通电子快门开关时，快门控制脉冲加到CCD的N型硅衬底，行频快门脉冲使感光单元的电荷一行一行地放 掉，直到快门脉冲停止，电荷停止泄放。快门打开的时间长短由每场出现的行频脉冲数决定，而这个脉冲数由快门速度选择开关控制。快门速度越高，则脉冲数目越 多。自动电子快门功能还能实现自动光圈的效果：当通过镜头的光通量较强时，输出信号电流也会较大，此时电子快门自动调节到高速档，使信号电荷的积累 时间变短，从而使输出信号电流的幅值减小;当通过镜头的光通量较弱时，输出信号电流也会变小，此时电子快门自动调节到低速档，使信号电荷的积累时间加长， 从而使输出信号电流的幅值增加。自动电子快门的速度大多是连续可调的，由此实现了当被摄景物的光照度变化时，CCD或CMOS摄像器件的输出电流基本保持 稳定。值得注意的是：当选用高速电子快门档时，由于CCD的电荷积累时间相对缩短，使摄像机输出的视频信号幅度减小，使图像变暗，此时应相应加大摄像