CCD监控摄像机的初步认识

1、CCD监控摄像机的初步认识一、CCD摄像机的初步认识1. 什么是CCD摄像机?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。2. CCD摄像机的工作方式被摄物体的图像经过镜头聚焦至CCD芯片上,CCD根据光的强弱积累相应比例的电荷,各个像素积累的电荷在视频时序的控制下,逐点外移,经滤波、放大处理后,形成视频信号输出。视频信号连接到监视器或电视机的视频输入端便可以看到与原始图像相同的视频图像。3. 分辨率的选择评估摄像机分辨率的指标是水平分辨率,其单位为线对,即成像后可以分辨的黑白线

2、对的数目。常用的黑白摄像机的分辨率一般为380-600,彩色为330-480,其数值越大成像越清晰。一般的监视场合,用400线左右的黑白摄像机就可以满足要求。而对于医疗、图像处理等特殊场合,用600线的摄像机能得到更清晰的图像。参考环境照度:夏日阳光下 100000Lux,阴天室外 10000Lux,电视台演播室 1000Lux,距60W台灯60cm桌面 300Lux ,室内日光灯 100Lux,黄昏室内 10Lux,20cm处烛光10-15Lux ,夜间路灯 0.1Lux。5. 电子快门电子快门的时间在1/50-1/100000秒之间,摄像机的电子快门一般设置为自动电子快门方式,可根据环境的

3、亮暗自动调节快门时间,得到清晰的图像。有些摄像机允许用户自行手动调节快门时间,以适应某些特殊应用场合。6. 外同步与外触发外同步是指不同的视频设备之间用同一同步信号来保证视频信号的同步,它可保证不同的设备输出的视频信号具有相同的帧、行的起止时间。为了实现外同步,需要给摄像机输入一个复合同步信号(C-sync或复合视频信号。外同步并不能保证用户从指定时刻得到完整的连续的一帧图像,要实现这种功能,必须使用一些特殊的具有外触发功能的摄像机。7. 光谱响应特性CCD器件由硅材料制成,对近红外比较敏感,光谱响应可延伸至1.0um左右。其响应峰值为绿光(550nm。夜间隐蔽监视时,可以用近红外灯照明,人眼

4、看不清环境情况,在监视器上却可以清晰成像。由于CCD传感器表面有一层吸收紫外的透明电极,所以CCD对紫外不敏感。彩色摄像机的成像单元上有红、绿、蓝三色滤光条,所以彩色摄像机对红外、紫外均不敏感。二、CCD摄像机的分类安全防范系统中,图像的生成当前主要是来自CCD摄像机,CCD是电荷耦合器件(charge coupled deice的简称,它能够将光线变为电荷并将电荷存储及转移,也可将存储的电荷取出使电压发生变化,因此是理想的摄像机元件,以其构成的CCD摄像机具有体积小、重量轻、不受磁场影响、具有抗震动和撞击之特性而被广泛应用。CCD摄像机大致可分为下列几大类:1、依成像色彩划分(1彩色摄像机:

5、适用于景物细部辨别,如辨别衣着或景物的颜色。因有颜色而使信息量增大,信息量一般认为是黑白摄像机的10倍。(2黑白摄像机:是用于光线不足地区及夜间无法安装照明设备的地区,在仅监视景物的位置或移动时,可选用分辨率通常高于彩色摄像机的黑白摄像机。依摄像机分辨率划分(1影像像素在25万像素(pixel左右、彩色分辨率为330线、黑白分辨率在420线左右的低档型。(2影像像素在25万38万之间、彩色分辨率为420线、黑白分辨率在500线左右的中档型(3影像在38万点以上、彩色分辨率大于或等于480线、黑白分辨率在570线以上的高分辨率。2、依摄像机灵敏度划分(1普通型:正常工作所需照度为13Lux(2月

6、光型:正常工作所需照度为0.1 Lux左右(3星光型:正常工作所需照度为0.01 Lux以下(4红外照明型:原则上可以为零照度,采用红外光源成像。3、按摄像元件的CCD靶面的大小划分此外CCD摄像机有PAL制和NTSC制之分,还可以按图像信号处理方式划分或按摄像机结构区分。三、CCD的安装和调整镜头的安装方式:有C式和CS式两种,两者的螺纹均为1英寸32牙,直径为1英寸,差别是镜头距CCD靶面的距离不同,C式安装座从基准面到焦点的距离为17.562毫米,比CS式距离CCD靶面多一个专用接圈的长度,CS式距焦点距离为12.5毫米。别小看这一个接圈,如果没有它,镜头与摄像头就不能正常聚焦,图象变得

7、模糊不清。所以在安装镜头前,先看一看摄像头和镜头是不是同一种接口方式,如果不是,就需要根据具体情况增减接圈。有的摄像头不用接圈,而采用后像调节环(如松下产品,调节时,用螺丝刀拧松调节环上的螺丝,转动调节环,此时CCD靶面会相对安装基座向后(前运动,也起到接圈的作用。另外(如SONY,JVC采用的方式类似后像调节环,它的固定螺丝一般在摄像机的侧面。拧松后,调节顶端的一个齿轮,也可以使图象清晰而不用加减接圈。1、 AGC ON/OFF(自动增益控制:摄像头内有一个将来自CCD的信号放大到可以使用水准的视频放大器,其放大即增益,等效于有较高的灵敏度,然而在亮光照的环境下放大器将过载,使视频信号畸变。

8、当开关在ON时,在低亮度条件下完全打开镜头光圈,自动增加增益以获得清晰的图象。开关在OFF时,在低亮度下可获得自然而低噪声的图像。2、 ATW ON/OFF(自动白平衡:开关拨到ON时,通过镜头来检测光源的特性/色温,从而自动连续设定白电平,即使特性/色温改变也能控制红色和蓝色信号的增益。3、 ALC/ELC(自动亮度控制/电子亮度控制:当选择ELC时,电子快门根据射入的光线亮度而连续自动改变CCD图像传感器的曝光时间(一般从1/50到1/10000秒连续调节。选择这种方式时,可以用固定或手动光圈镜头替代ALC自动光圈镜头。?需要注意的是:在室外或明亮的环境下,由于ELC控制范围有限,还是应该

9、选择ALC 式镜头;在某些独特的照明条件下,可能出现下列情况:在聚光灯或窗户等高亮度物体上有强烈的拖尾或模糊现象。图象显著地闪烁和色彩重现性不稳定。白平衡有周期性变化,如果发生这些现象,应使用ALC镜头。以固定光圈镜头采用ELC方式时,图象的景深可能小于使用ALC式镜头所获得的景深。因此,摄像头在完全打开固定光圈镜头而采用ELC方式时。景深会比使用ALC式镜头时小,而且图象上远处的物体可能不在焦点上。当镜头是自动光圈镜头时,需要将开关拨到ALC方式。4、BLC ON/OFF(背光补偿开关:当强大而无用的背景照明影响到中部重要物体的清晰度时,应该把开关拨到ON位置。注意:当与云台配用或照明迅速改

10、变时,建议把该开关放在OFF位置,因为在ON 位置时,镜头光圈速度变慢;如果所需物体不在图像中间时,背光补偿可能不会充分发挥作用。5、LL/INT(同步选择开关:此开关用以选择摄像头同步方式,INT为内同步2,1隔行同步;LL为电源同步。有些摄像头还有一个LL PHASE电源同步相位控制器。当摄像头使用于电源同步状态时,此装置可调整视频输出信号的相位,调整范围大概是一帧。(调整需要专业人员进行6、VIDEO/DC(镜头控制信号选择开关:ALC自动光圈镜头的控制信号有两种,当需要将直流控制信号的自动光圈镜头安装在摄像头上时,应该选择DC位置,需要安装视频控制信号的自动光圈镜头时,应该选择VIDE

11、O位置。当选择ALC自动光圈视频驱动镜头时,还会有一个视频电平控制(VIDEO LEVEL L/H可能需要调整,该控制器调节输出给自动光圈镜头的控制电平,用以控制镜头光圈的开大和缩小(凹进光亮。在摄像头的配件中,有一个黑色的小插头,插头有四个针,连接摄像头上的黑色插座。如果用DC驱动的自动光圈镜头,镜头上已经做好了插头,只要插在插座上,把选择开关拨到DC 即可;如果用视频驱动的自动光圈镜头,工作人员在焊接插头时,要根据说明书上的标注用烙铁进行焊接,不能出现焊接错误的情况。7、SOFT/SHARP(细节电平选择开关:该开关用以调节输出图像是清晰(SHARP还是平滑(SOFT,通常出厂设定在SHA

12、RP位置。8、FLICKERLESS(无闪动方式:在电源频率为50Hz的地区,CCD积累时间为1/50秒,如果使用NISC制式摄像机,其垂直同步频率为60Hz,这样将造成视觉影像不同步,在监视器上出现闪动;反之,在电源为60Hz的地区用PAL制式摄像机也会有此现象。为克服此现象,在电子快门设置了无闪动方式档,对NISC制式摄像机提供1/100秒,对PAL制式摄像机提供1/120秒的固定快门速度,可以防止监视器上图像出现闪烁。9、手动电子快门:有些用户使用CCD摄取运动速度比较快的物体,如果以1/50秒速度拍摄,会产生拖尾现象,严重影响图像质量。有些摄像头给出了手动电子快门,使CCD的电荷耦合速

13、度固定在某一值,例如1/500、1/1000、1/2000秒等等,此时CCD的电荷耦合速度提高,这样采集下来的图像相对来说会减少拖尾现象,而且对于观测高速运动或电火花一类物体,必须使用此设置。所以,某些专用摄像头给出了手动电子快门,提供给特殊用途的用户。四、摄像机镜头的分类和技术特性(1以镜头安装方式分类与普通照相机所用卡口镜头不同,所有摄像机的镜头均是螺纹口的,CCD摄像机的镜头安装有两种工业标准,即C安装座和Cs安装座。两者之螺纹部分相同,都是1英寸32牙螺纹座,直径均为25.4mm。不同之处在于C安装座从镜头安装基准面到焦点的距离是17.526mm;Cs 安装从镜头安装基准面到焦点的距离

14、则为12.5mm。如果要将一个C安装座镜头装到一个CS 安装座摄像机上时,则需要使用镜头转换器,即C/CS调节圈。(2以镜头视场大小分类标准镜头:视角300左右,当镜头焦距近似等于摄像靶面对角线长度时,则定为该机的标准镜头。在2/3英寸CCD摄像机中,标准镜头焦距定为16mm,在1/2英寸CCD摄像机中,标准镜头焦距定为12mm,在1/3英寸CCD摄像机中,标准镜头焦距定为8mm。广角镜头:视角550以上,焦距可小到几毫米,能提供较宽广的视景。远摄镜头:视角200以内,焦距可达几十厘米、几十分米,这种镜头可在远距离情况下将拍摄的物体影像放大,但观察范围将缩小。变焦镜头:又称伸缩镜头,有手动变焦

15、和电动变焦两类,可对所监视场景的视场角及目标物进行变焦距摄取图像,适合长距离变化观察和摄取目标。变焦镜头的特点是:在成像清晰的情况下,通过镜头焦距的变化来改变图像大小与视场大小。针孔镜头:镜头端头直径仅几毫米,可隐蔽安装。针孔镜头或棱镜镜头适用于有遮盖物或有特殊要求的环境中,此时标准镜头或容易受损、或容易被发现,采用针孔镜头或棱镜镜头可满足类似特殊要求,比如在工业窑炉及精神病院等场所。(3以镜头光圈分类镜头有手动光圈和自动光圈之分,手动光圈镜头适合于亮度变化较小场所,自动光圈镜头因光照度发生大幅度变化时,其光圈亦作自动调整,可提供必要的动态范围,使摄像机产生优质的视频信号,故适合于亮度变化较大

16、场所。自动光圈有两类:一类是通过视频信号控制镜头光圈,称为视频驱动型,另一类是利用机上直流电压直接控制光圈,称为DC驱动型。(4从镜头焦距上分类短焦距镜头:因入射角较宽,故可提供一个较宽阔的视景。中焦距镜头:即标准镜头,焦距的长度视CCD靶面的尺寸而定。长焦距镜头:因入射角较窄,故仅能提供一个狭窄的视景,适用于远距离监视。(5焦距和视场角焦距是从透镜中心到一个平面的距离,在此平面可产生一个目标物之清晰影像,通常用焦距值f表示。镜头焦距f、镜头到目标物的距离d、视野H×V之间的关系。由此可知,镜头的焦距与视场角的大小成反比,即焦距越长,视场角越小;焦距越短,视场角越大。(6相对孔径和光

17、圈镜头的相对孔径是镜头的入射膛D与焦距f之比,它是决定镜头通光能力的重要指标。式F=f/D表示,即光圈数。F值越小,头上均标有其最大的F值,如6mm/F1,距f为6mm,最大孔径为4.29mm。对孔径的平方成正比,在镜头的标环上常标有1.4、2、2.8、4、5.16、22等档。五、CCD摄像机与镜头的选配原则一、CCD摄像机的选用原则CCD摄像机与镜头的选用原则是根据使用场合、监视对象、目标距离、安装环境及监视目的来选择所需的摄像机。一般来讲,在保证摄像系统可靠性及基本质量的前提下尽可能采用中低档次的摄像机和镜头,这一方面可以节省投资,另一方面,通常档次越高的设备由于其造价高产量必然较少,故相

18、对来说可靠性指标比之中低档次产品要低,而维护使用的费用及技术水平却要求较高。作为电视监控系统不能像电视台那样配备水平较高的专业技术人员,因操作的限制,高档次设备得不到高质量画面的例子屡见不鲜的。彩色摄像机能辨别出景物或衣着的颜色,适合观察和辨认目标细节,但造价较高,清晰度较低,若进行宏观监视,目标场景色彩又较为丰富,此时最好采用彩色摄像机。从技术发展来看,彩色摄像机应用比重越来越大。黑白摄像机清晰度较高,灵敏度也高于彩色摄像机,但没有色彩体现,所以在照度不高,目标没有明显的色彩标志和差异,同时又希望较清晰地反映出目标下,应选用黑白摄像机。球形摄像机(Dome Camera,是科学技术发展渗透到

19、安全防范领域的代表之一,它是集CCD 摄像机、变焦镜头、全方位云台及解码驱动器于一体的新型摄像系统,其在性能方面已实现了云台的高速及无级变速运动、镜头变焦及光圈的精确预置、程序式的多预置设定,甚至运动过程中的焦功能,从而使摄像系统具备自动巡视和部分自动跟踪功能,从单纯的功能型向智能型转变。球形摄像机近年来被广泛地应用在宾馆、医院、娱乐场所、营业场所及室外等领域,尤其是人群行为与场景需要特别关注之处。带视频移动检测报警功能的摄像机应用在银行、博物馆、军事重地等领域,具有更有效、更完美的优势。二、CCD摄像机与镜头的配合原则在选择CCD摄像机与镜头的配合时,首先要明确机械接口是否一致,尽量选用同一

20、种工业标准的接口,以免给安装带来麻烦,其次要求镜头成像规格与摄像机CCD靶面规格一致,即镜头标明的为1/3英寸,则选用摄像机的规格也应为1/3英寸。否则不能相互配合。例如:使用1/3英寸摄像机,还勉强可以装备1/2英寸镜头,此时摄像系统显现的视场角要比镜头标明的视角小很多;但反过来把1/2英寸镜头用于2/3英寸摄像机时,则图像就不能充满屏幕,图像边缘不是发黑就是发虚。当确定了摄像点位置后,就可根据监视目标选择合适的镜头了。选择的依据是监视的视野和亮度变化的范围,同时兼顾所选摄像机CCD靶面尺寸。视野决定使用定焦镜头还是变焦镜头,变焦选择倍数范围。亮度变化范围决定是否使用自动光圈镜头。无论选用定

21、焦镜头还是变焦镜头都要确定焦距,为了获得最佳的监视效果,一般都应根据工程条件进行计算,根据计算结果选用标准焦距的镜头,当标准焦距镜头的焦距与计算结果相差较大时,应调查摄像机的安装位置,再核算直至满意为止。摄像机与被监视目标有公式。f=v×d/V式中 f 为计算焦距;V 为视场高;v 为像场高(即CCD靶面高;d 为物距。例如:某CCD摄像机采用1/3英寸靶面,用以监视商场收银台,有效范围为2m×2m,摄像机安装于距收银台7m处,该摄像机需配多大焦距镜头?利用式(1有:v=3.6mm V=2m d=7m 因此:f=3.6×7/2=12.6mm故可采用标称焦距为12m

22、m的定焦镜头。变焦镜头焦距的计算与定焦镜头一样,只要最大和最小焦距能满足视野要求即可。一般来说,监视固定目标应该选用定焦镜头。对于具有一定空间范围,兼有宏观和微观监视要求,需要经常反复监视、没有同时监视要求的场合,宜采用变焦镜头并配合云台,否则尽量采用定焦镜头。在需要秘密监视或特殊应用场合,针孔(棱形镜头可轻而易举地达到监控目的。焦距调整的步骤1 将镜头正确安装到摄像机上;2 将镜头光圈开到最大,并把对焦环旋至无限远处3 拍摄一个10m以外的物体;4 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

23、;5 重新旋紧内六角或一字螺钉。六、第三节摄像机的红外光原理本节阐明了在夜视环境下利用红外线光源进行监控设计CCTV系统的程序。在设计CCTV系统配置红外线光源的过程中,存在的最主要问题是红外线是无法用勒克斯(LUX来测量。那么如何才能识别摄像机的敏感度?如何才能知道在不同的距离能够观察到什么?另一些需要回答的问题是不同的摄像机对红外线的敏感度,怎样分析光谱图以及镜头的效果。要理解这些问题的答案,首先要对物理领域的三个主要方面有一个基本的了解。一:光的波长;二:照明度的逆向平方定律;三:通过透镜的光的传播。红外光源可以在现场环境过于黑暗的情况下为摄像机提供光线以生成影像,这当然是一个折衷的办法

24、,因为要获得最好的影像效果需要提供充足的白光,但并不总是有这种条件。在很多情况下,使用高能量的泛光会引起许多麻烦,并且当有交通工具对着光线开时会导致危险。使用平顶摄像机时就很难覆盖大面积的范围,在这种情况下光源只需要照着摄像机对准的地方,红外光就能够提供所需影像。一、光的波长电磁光辐射:日光是能量的电磁辐射形态。虽然不同形态的电磁光辐射与物质相互作用时的方式各不相同,但它们的传播特性都是相同的。电磁光是以毫微米为计量单位,即波长。1米等于1, 000,000,000毫微米(nm。频率是由光速除以波长,即波长为830 nm的光的频率是3.6×1014Hz。日光是光谱中可以被肉眼看到的那

25、一部分。图1所示为整个光谱中很窄的一段。图1:Diagram 1电磁波:光线的传播可以以波的运动形式进行简单描述,它有以下特性:电磁波的传播无须任何介质,所以它可以在真空中传播;不同的电磁光有不同的波长或频率;通过可视光线从无线电波到伽玛射线;所有的电磁波以同样的速度传播;真空中300,000,000米/秒,光速;波以直线传播,但受以下几个方面的因素影响:反射。物体表面发生的方向的反转,如镜子。折射。产生在不同表面边缘的角度的变化,如插在水中的棍子明显地弯曲。衍射。透过物体的缝隙或边缘而产生的一种偏差。七、可视光:可视光就是肉眼可以看见的光的波长,约在380 nm760 nm之间。当肉眼同时观

26、察到这些波长的光时,无法区分出单一种波长的光,导致的结果就是我们看见了白光。因此,白光并非是单个波长的光,而是这些波长的光的总和。这种效果可以通过将白光透过棱镜的办法从反面来证实。如上所述,不同波长的光有不同的折射角度,因此,当光束通过棱镜时就因每一个波长的光折射的不同而分散进它所组成的光谱。结果就是如果用白屏幕在棱镜另一边来显示透过棱镜的光,那么在白屏幕上就会显示出所有单个颜色来。这种效果如图2所示。光谱显示出来,彩虹的七色显示出来。实际上它是有一个连续的色调范围的,但肉眼只能见到主要的颜色。真正的彩虹就是以同样的方式通过大气层中的小雾滴将光进行反射和折射而产生的。图2:红外线的波长应超过7

27、15 nm。人的肉眼可以看见的光的波长的范围与CCTV所用的两种主要红外线的比较在图3中已说明。图3:八、Diagram 3光能量的计量:正如所述,光是电磁光的一种形式,它的功率用瓦特来计量,它的强度用瓦特每平方米(W/M ²来计量。这种计量方法适用于所有的波长。可视光谱常以流明(光通量单位计量功率,以勒克斯计量强度。流明是与可感觉到的能量或亮度相关,正因为此原因,流明与瓦特之间的联系是基于波长。流明值实际上在红外线波长下减为零。这就是为什么无法用勒克斯值来表述红外线辐射。光辐射计量单位是瓦特,计量它需要辐射计,但它非常昂贵,只有实验室才有,一般的公司是没有的。摄像机对红外线的敏感度

28、:CCD摄像机的传感器是由成千上万个细小的感光二极管组成,一个分辨率为570线的摄像机由超过400,000个这样的二极管组成。传感器的主要材料有两种,锗和硅。这些材料遇到图4中所示的光的波长时会有不同的感应。图4:Diagram 4因此,对于CCTV系统来说,芯片所用的材料对每种可视红外线的感应有着重要的意义。可携式摄像机巨大的市场推动了用于CCTV摄像机上的传感器的发展,而可携式摄像机仅仅是用于可视光谱。因此任何可视光谱以外的感应都是无用的并且降低了传感器的敏感性。传感器生产商斥巨资发展传感器,以精确遵从人眼的光谱范围,即光色素曲线。这种传感器不能定义为红外线摄像机。这一点对CCTV系统的设

29、计者来说至关重要,因为每月都有新的摄像机推向市场,有必要经常检测它们与红外线光源的适配性。有的生产商在这方面帮助不大却常常过于乐观。要注意“与红外线光源的适配性”,并要求提供光谱感应图。附带说一句,所有的摄像机传感器都是单色的,有颜色是因为在镜头前插加了红、黄、绿色的滤镜。这就是为什么彩色摄像机比单色摄像机的稳定性差。同样由于加了滤镜的缘故,彩色对红外线不太敏感。因此,所有关于摄像机对红外线光源的敏感性和适配性都被限制在单色摄像机上。除了双模式摄像机才能在这两方面潜在地提供最优性能这点证实了彩色摄像机比单色摄像机的敏感性差,而且业界最终承认了这一事实。摄像机光谱感应:摄像机对光线的光谱有不同的

30、感应。它通常用图表的方式来说明相对的光谱敏感度。图5表明了每一部分光谱的相对的感应度,范围通常在0 1.0之间。下图所示的是两台摄像机的光谱敏感度曲线。从中可以清楚看到摄像机A非常有效地覆盖了可视光谱部分,摄像机B对红外线光非常敏感。由于能够覆盖的波长的范围很大,可以说摄像机B符合所有的要求。但不仅如此,更深入的一点是在白天使用红外感应摄像机可以产生不同范围的灰色调,因为它能够观察到肉眼见不到的更清晰的红外影像。同时由于红外光替代了可视光,红外线感应摄像机可使自动虹膜关闭。我们可以观察到如果场景中有一片树叶,叶绿素的反射波长大约是715nm,那么这时得到的影像是亮白色的而不是灰色的。在实践中,

31、感应扩展红外线光的传感器要比光色素传感器更加灵敏。图表5:一盏大功率的红外线灯一般用的是钨丝灯泡,这种灯泡(现在有些长寿灯泡用的是石英丝光源前面有一个滤光器用来防止光谱的波长升到所需的红外线部分。有各种滤光器允许不同的波长通过,最常见的可以通过的光线波长在715nm以上。这个波长刚好在可视光的极限,显示出的是一团昏暗的红光。在780nm波长,光线就变弱了,到了830nm波长,肉眼就不可见了。如果要达到最好的性能,就必须使摄像机与光源相匹配。图6、7说明了图表的最重要部分在于摄像机的感应与红外线滤光器感应的交迭。摄像机感应器有效地将落在它上面的所有波长的光线整合在感应曲线里。因此对摄像机对于红外

32、线辐射的敏感性应以“交迭曲线下的区域”来进行测量,而不仅仅是715或830nm。这就是为什么最基本的一点是要清楚摄像机和红外线滤光器感应曲线的形态。所以敏感度是由摄像机曲线所覆盖的区域和光源曲线决定的,而不是由曲线的高度和振幅来决定。在上图给出的摄像机曲线上,图6、7又叠加了典型的红外线性能曲线。它说明即使摄像机的感应度在900nm以上,在这个曲线下的区域它的敏感性也会削弱。图8所示为仅在白天使用的红外线感应摄像机这个曲线下的区域。(图略正常的测量不到的辐射=2x曲线下的区域,因此其他所有对应于感应器的值都应该是敏感度的两倍。图表6、7、8Diagram 6Diagram 7Diagram 8

33、光线与照明度:只有自然光才能提供绝对平稳的照明度,尽管有时它要受云彩和阴影的干扰。所有的人造光都会因离光源距离的增加而相应的光线要减弱。这是因为照明度的逆向平方定律,当距离加倍时,照明度就会降到其值的1/4。二、照明度的逆向平方定律当发光通量从光源传播到远处,亮度(勒克斯就随之减弱。它们之间的关系可用逆向平方定律来阐明,见图表9:Diagram 9 Inverse Square Law Of Illumination亮度与在一定距离下的效应之间的关系用公式表示:E=I/D2这个因数在考虑适合摄像机的光线时非常重要。例如一个光源在20米的距离可发出的亮度为30LUX,在40米距离可发出的亮度为7

34、.5LUX,但在60米的距离可发出的亮度只有3.3LUX。其他随之而来的效应是光级的宽范围会导致自动虹膜镜头出现问题,如果放置不准确,前面的光线就会使虹膜关闭并失去远处的影像。逆向即如果虹膜放置于远距离光源,在这种情况下就会在前面位置产生大量闪光。图10Diagram 10图表10阐明了超过100米的实际光级,从100米到10米的比例是100:1。此说明只适用于白光,因为红外线光无法用勒克斯来计量。本定律的效应以同样的方式影响着红外线光。当在一个平顶变焦装置上使用红外线光源时,这种影响是灾难性的。如果要对远处的物体进行变焦处理,那么对应这个距离所用的能量就要足够。问题是当聚焦于近处的物体上时,

35、得到的像片常常会曝光过度。照明度的余弦定律:影响一个区域内光线水平的另一个因素是光线以一种角度落在物体的表面。当红外线灯安装在高于地面的位置时,这种情况在CCTV系统中经常发生。不需要讲太多的理论,图表12.7阐述的很清楚。图表11:照明度的余弦定律Diagram11 Cosine Law Of Illumination图表11说明了光线以一个角度落在物体表面的效应。表面的有效区域随着入射线的余弦值而成比例的递减。避开复杂的数学问题,这就是说从一个散射目标而来的光线应与目标的这个角度的余弦值和特定的反射比成比例。但这只适用于反射镜。如果遇到一个很强的反射表面(反射镜,就不会有能量顺着入射线的路

36、径反射回摄像机。这就是为什么从某个角度观察镜子时看到的是黑的。图表12:灯和光束的角度调节Diagram 12 Adjustment For Angle Of Beam And Lamp此图中的最亮点在光束的中心。在最远端的光线是最弱的。从图表12可知,距离越远,光线亮度就越弱。在灯光范围外,余弦定律公式可以被修正到接近光线水平。有必要将光束的角度和灯光所照的角度综合起来考虑。最远点的总角度等于垂直的灯光角度加上光束角度的一半。E= I COS(为灯的角度+1/2光束角度D2例如,一盏300瓦的灯在10米距离下的亮度为20勒克斯,光束的角度为600,安装的角度为300。那么最远点的光线亮度大约

37、为10勒克斯。均衡光线的分布:德温特灯泡借用雷达天线的设计原理,使得无论目标物体的范围和高度如何都能够获得均衡的光线。从前文中可知,-照到100米处的目标所需的能量是照在10米处的目标的能量的100倍。抵消掉逆向平方定律的效应是必要的。德温特系的设计特点是为短、长范围的目标提供合适的光照。假设用一盏60MW/M2的灯照在100米和10米的目标上,图表13对此作出了说明,图表13:此设计理念是单盏灯提供5勒克斯的当量均衡地分布在10米到100米之间的范围内;如果用两盏灯,那么当量光分布为10勒克斯。逆向平方定律适用于获得其它距离下的亮度值。因此距离为200米时单盏灯的当量为1.25勒克斯,即距离

38、加倍,光亮为四分之一。当灯泡传送的光束能量是1000毫瓦时,它能在100米范围内提供10毫瓦/每平方米的能量;当灯泡传送的光束能量是10毫瓦时,它能在10米的范围内提供10毫瓦/每平方米的能量。垂直光束的结构使得10米处物体得到与100米处的物体同样的光照强度。三、通过透镜的光的传播。摄像机的摄像敏感度:为作研究,对5台普通摄像机的传感器所需的能量进行比较以求得一个可靠的性能标准。实验中采用一种可以发出合适光能量的以微瓦/平方米为计算单位的光源;选用两种单频光源,波长分别为595nm、880nm。模拟可视光谱中间的波长,这种波长同时又靠近红外线波长。同样对传感器的两个输出值进行了测试。一个提供

39、噪音为12分贝的信号,另一个则提供0.7伏全录像信号。结果见表1。其中的四台摄像机敏感度的性能相似,水平都在0.1勒克斯左右;剩下的一台摄像机的敏感度为0.05勒克斯。注意波长为880nm时摄像机敏感性的巨大差异!尽管它们在各方面都是合格的,如合用的图象,可接受的图象,50IRE等。换句话说它们既相同又不同!在可视光谱的中间、波长为595nm时,在12分贝的标准下所需要的能量几乎没有差异;但对全录像差异就很大,最大值与最小值的比例为4.7:1。波长为880nm的光源在12分贝标准的变异比为5.7:1,但对全录像这个差异比就扩大到10:1。对这种结构作更进一步的分析已超出了本资料的范围,但还是有

40、必要将它们列出以阐明不同的传感器在不同的波长下所需的不同的光能量。镜头:从景物中返回的光线首先要通过的就是镜头。如果镜头出现了问题,那么随之相应得到的影像就很差。除了为一个特别要求的场景选择焦距外,从现场将影像传送到监视器的过程中对这种一流的元件基本不考虑焦距的问题。选择透镜时有几个因素会对红外线下的系统产生影响。光谱感应如上所论,摄像机对光线的波长有各种感应,镜头也存在这个问题。正如CCTV摄像机传感器受可携式摄像机市场的引导,与可携式摄像机镜头一样,CCTV镜头也同样受摄像市场的引导。它们全都基于在可视光下生成图像的需要。即使在黑暗的环境下闪光通常也会模拟可视光。因此镜头对光谱的感应是偏向

41、光谱中的可视部分。图14是一例镜头光谱感应图。在这个例子中在715nm下镜头对光的感应只是550nm下的60%,不同构造的镜头之间会有很大的区别并对系统的红外性能产生重要的影响。所以,你应与镜头制造商联系得到镜头光谱感应图。对不能提供此图的生产商应保持警惕。图表14:Diagram 14光圈:镜头的f值是焦距与有效物体镜头直径的比率。它只是一个机械比值,并不能由此推算出镜头的效率。但它可以影响传送到传感器的光线能量,并对最终形成的影像起决定性作用。传统的摄像机生产商以光圈数值f1.4来表述镜头敏感度。如果所有的生产商都这样处理就没有什么问题,但实际并非这样。有的认为反射比为75%,有些认为反射

42、比为89%,诸如此类。有些用AGC表示敏感度,而不是AGC增益本身是什么。摄像机SPECMANSHIP是一个广泛的学科,本资料中不能对此作详细的论述,但足以说明镜头的f数值是相当重要的。简单地说, F数值越小,传送到传感器的光线就越多,因此,F1.2的数值比 F1.8的数值要好。通过不同光圈的光线的百分比见表2,它给出了落在镜头上的光线被传感器接收到的百分比。黑体字的F STOPS是整STOPS,在这个范围的每一个数值都将通过的光线减半或加倍。其中有两个中STOPS,它们是CCTV镜头中最常见的。表2:F值F1.0 F1.2 F1.4 F1.8 F2.0 F2.8 F4.0 F5.6传感器尺寸

43、的效果:前面早已阐述过,光是一种用每平方米瓦特来计量的能量。因此如果知道传感器的尺寸就可以很容易计算出用瓦特表示的合成矢量。常用的传感器标称面积见表3。表5:传感器尺寸 2/31/21/3传感面积 68 mm2 36 mm2 17 mm2光圈 F1.8 F1.2 F0.85传送光线% 7.5% 15% 30%功率输出 5.1MW 5.1MW 5.1MW这就是为什么许多1/3摄像机要指定用f1.0的光圈,有时是f0.9的光圈。不过只有少量的镜头是1/3的。如果要使用长焦镜头,通常光圈就较小(相当多数,传送很少量的光能。与此相反的论调是,如果传感器的尺寸与像素的尺寸相同,那么所需要的光也相同。像素

44、的总数越少,最终的分辨率就越低。传感器与镜头的规格:大量的镜头适用于2/3和1的摄像机。有大量规格的镜头配合少量规格的摄像机是一种优势,但其中有一个缺点,一个2/3的镜头将场景等面积聚焦在一个1/2的传感器,但只有相对于传感器面积的那部分光能才能被转换成功率。见图15。图15:Diagram 15, 2/3" lens with a 1/2" sensor.1/2的传感器面积只是2/3的传感器面积的53%,因此只有这个比例的光能才能被转换成输出功率继而转换为录像信号。这使得F1.4镜头相当于 F2.0镜头。1/3的传感器面积只是2/3的传感器面积的25%,相当于F2.8镜头

45、!所以这是另一个需要改进的因素。传输比率:影响镜头的其它因素:在设计镜头的过程中还有几方面能够影响监视器最终画面效果的因素。闪光,由内部反射导致的光线损耗引起的。散光,由于镜头的曲率在垂直和水平面的不同而引起的。球体变形,由于凸镜的表面并非完全是球状,光线并不能全部聚焦在同一点上。桶状失真,来自镜头外部的光线不能象来自内部的光线那样聚焦在同一点上,通常在大角度镜头中被放大。色彩失真,不同频率的光以不同的角度折射,产生模糊的影像。高质量的镜头会将这些影响降到最低;但低质量的镜头会强化这些影响。高质量镜头和便宜镜头之间成本的差异不大,但对性能的影响却很大。红外聚焦:与在自然光下的物体焦距相比较,红

46、外光下物体的焦距存在不同。这是由于不同的折射角度造成的,事实上镜头主要针对光谱中的可视光部分进行补偿。因此夜晚时在红外线下,红外摄像机的调焦必须设定好焦点并将焦点调后一点。红外线下进行调焦的要求很严格,因为随着景深的弱化光圈被打在最大。这个问题在白天以较小的光圈就可以解决。还有一个因素就是灯的角度必须精确地调到与摄像机的角度一致,几个度数的差异会导致浪费大量可利用的光线。有些镜头在同一焦点下既可聚焦可视光又可聚焦红外光,然而购买它得花费相当于成本四倍的价钱。反射比:摄像机只能接收到从物体反射回来的光能量,这个因素也必须考虑在内。下面列出反射比的一些典型数值:马特白色测试卡89%雪景85%玻璃窗

47、和墙70%混凝土上的白色马特涂料60%无涂料的混凝土,停车场40%红砖35%田园、树木、草地20%(60%70% I/R空旷的沥青地5%怎样知道摄像机是540线还是480线?最简单的是看主芯片,如果是3141或者3142R 那么就肯定是420线,不可能做到480线. 国内说的sony彩色480线的机器dsp芯片(那块最大的老的是2163,新的是3172,最新的是4103.关键还是ccd,小部分的厂家会故意开个圆孔让你看到ccd的型号。假高线dsp 是一样的,不过ccd就不是409级别了。还是405.还有很多的假的是混合型搭配:ccd是sony的,dsp是其他的或者ccd不是sony的,dsp是

48、sony的,更有甚者ccd和dsp都不是sony的.有经验的用户其实都不用拆的,看图像就知道了。补:国内1/3 inch 420线sony配置:3142(3141+405,1/4 sony 的是3142(3141 +227国内1/3 inch 480线sony配置:4103(2163+409,1/4 sony 的是4103(2162 +229国内1/3 inch 520线sony配置:3172+4091/3 sony低照度的ccd是255(普线和259(高线,最新的是633(普线和639(高线,与dsp的搭配是一样。什么叫BNC头?BNC接头,是一种用于同轴电缆的连接器,全称是Bayonet

49、Nut Connector(刺刀螺母连接器,这个名称形象地描述了这种接头外形,又称为British Naval Connector(英国海军连接器,可能是英国海军最早使用这种接头或Bayonet Neill Conselman(Neill Conselman 刺刀,这种接头是一个名叫Neill Conselman的人发明的。BNC接头可没有被淘汰,因为同轴电缆是一种屏蔽电缆,有传送距离长、信号稳定的优点。目前它还被大量用于通信系统中,如网络设备中的E1接口就是用两根BNC接头的同轴电缆来连接的,在高档的监视器、音响设备中也经常用来传送音频、视频信号。被淘汰只不过是10Base-2以太网,这种网

50、络使用50欧的RG-58A/U同轴电缆的,速率为10Mb 的,总线型网络,维护不便。所以现在组建这种网络的BNC接口网卡也被淘汰了。高速球有什么功能?高速球有几个最基本的功能,第一是运行速度快、第二是运行平稳、第三是定位精确。1、高速功能:要求预置位速度强调快,基本达到250度/秒以上;第二手控速度强调平稳,控制灵敏灵活,不能过快,不能生硬,支持变速。2、预置位功能:必须带有64个以上的预置位,同时要求预置位必须准确,断电后也能记忆该预置位。3、巡航扫描:必须可以设置高速球能在各个预置位之间巡航扫描功能。4、轨迹记忆功能:要求高速球能记忆多条任意的轨迹路线,同时能将轨迹路线通过设置进行调用。5

51、、菜单显示功能:能够显示一个完善的操作菜单,通过菜单进行对运行速度、预置位停留时间、运行模式等的修改,通过菜单能进行摄像机参数的修改,以及编程,自动跟踪、隐私遮蔽等功能。6、自带报警输入输出:在高速球上加一个报警输入输出模块。7、网络高速球,光纤高速球:在高速球里再集成网络视频服务器模块或者光端机模块。为什么实际使用距离达不到标称距离?很多用户在使用红外灯后,反映:红外灯使用距离,达不到产品标称的距离,如:100米的灯,只能照射到70、80米远。其实这是一种正常现象。红外灯产品标称距离,根据行业习惯,是在0照度、黑白摄象机环境下测试的值,如果使用彩色摄象机、彩色转黑白摄象机的情况下,照射距离自然会有折扣。一般情况下,彩色摄象机是不感应红外光的。同时,不同厂家生产的彩色转黑白摄象机,对红外光的感应效果也是不同的,因此,在实际使用过程中,应根据现场情况、甲方要求来配备摄象机和红外灯。什么是无红爆红外灯?红外灯产品分为有红爆和无红爆两类。有红爆产品使用波长为850nm的红外led发射管,使用中,近距离观察,红外灯会发出暗红色的光。而无红爆产品使用波长为940nm的红外led发射管,使用中,红外灯表面没有任何光亮,因此更隐蔽