图像质量指标及测试方法

监控摄像机基础知识

——IQ篇

2018Outlines一、摄像机成像部分主要器件及其作用二、与图像相关的常用术语三、摄像机的常用指标及测试方法常用指标及其测试方法影响图像质量的因素四、CCTV镜头基础知识五、FAQ摄像机成像部分主要器件及其作用镜头图像传感器（CCD/CMOS）镜头座（C/CS）滤光片DSP尾板视频信号ISP★镜头通过利用不同形状、不同材质的多片透镜组合，将所需视野中所有物体的发出的光线汇聚到成像传感器上的光学系统；★滤光片滤光片可以将特定波段的光线进行阻隔；目前监控常用的滤光片主要为可移动滤光片（IR-cut，ICR），移动滤光片由两片滤光片组成，一片可通过可见光，阻隔其他波段的光；一片可通过任何波段的光。这种滤光片需要用带IR纠正的镜头来弥补其两种滤光片折射率不一致造成的失焦问题。摄像机成像部分主要器件及其作用★图像传感器图像传感器的作用是将光信号转换成电信号。监控用的图像传感器有CCD和CMOS两种；CCD优点：成像质量好，信噪比高缺点：功耗较大，成本较高，制作工艺复杂CMOS优点：功耗较小，相同分辨率下成本比CCD低，工艺简单缺点：噪点较大，成像质量相对较差摄像机成像部分主要器件及其作用常用CCD/CMOS标称芯片尺寸感光靶面尺寸1”2/3”1/2”1/3”1/4”对角线16mm11mm8mm6mm4.5mm垂直9.6mm6.6mm4.8mm3.6mm2.7mm水平12.7mm8.8mm6.4mm4.8mm3.6mm有效像素（EffectivePixels

）有效像素数是指真正参与感光成像的像素值。最高像素的数值是图像传感器的真实像素，这个数据通常包含了感光器件的非成像部分。总像素有效像素摄像机成像部分主要器件及其作用★ISP（ImageSignalProcessor）图像处理器的作用是将Sensor输出的图像信号进行各种图像处理，如降噪（NoiseReduction）、锐化（Sharpness）、白平衡（AWB），自动曝光控制（AE），亮度控制，Gamma调整等等。公司现有产品使用的ISP平台：海思、Mstar、Sony、EN摄像机成像部分主要器件及其作用`★清晰度清晰度是指摄像机捕捉图像细节的能力，通常用电视线（TVL）来衡量★色彩还原性指摄像机对各种颜色的还原能力★亮度灵敏度衡量摄像机在低照度环境下的图像表现能力与图像相关的常用术语`★色温光源的色温是通过对比它的色彩和理论的热黑体辐射体来确定的；热黑体辐射体与光源的色彩相匹配时的开尔文温度就是那个光源的色温，它直接和普朗克黑体辐射定律相联系；色温对摄像机的AWB功能影响很大。与图像相关的常用术语`与图像相关的常用术语常见光源色温光源色温范围钨丝灯，白炽灯2500-3200K碳棒灯4000-5500K荧光灯，节能灯4500-6500K氙灯5600K碳精灯5500-6500K日光平均5400K有云天气下的日光6500-7000K阴天日光12000-18000K`与图像相关的常用术语★信噪比（S/Nratio）信噪比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，信噪比的单位用dB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；信噪比越大图像质量越优`与图像相关的常用术语★GammaGamma校正补偿了不同输出设备存在的颜色显示差异，从而使图像在不同的监视器上呈现出相同的效果。Gamma值的修正，可以改变画面明暗，增加对比。不同Gamma曲线的图像效果对比`与图像相关的常用术语★最低照度摄像机输出端之视频信号幅度降至额定电平的一半时物体的最小照度。此外，测试时最低照度的数值，是受诸多因素影响的，包括：▪各厂家的定义值有所不同；▪镜头光圈对数值影响很大；▪受光源色温影响；▪和被摄物体的反射率有关；▪和AGC的大小、快门状态等有关。一般最低照度的表示方式：0.01lux@F1.2，AGCON`与图像相关的常用术语★AGC（AutoGainControl）Sensor在照度低时输出的信号很弱，恢复出来的图像亮度也很低，为了使最终得到的图像亮度达到要求，需要对sensor输出信号进行增强，而照度高时，不需要进行增强，摄像机内部会使用AGC模块，实现这一点。一般情况下，AGC说的是给摄像机设置的增益最大值，摄像机会根据照度自行在最大值和最小值之间进行动态调整。说明：提高AGC的值并不能提升信噪比；在低光照环境下提高AGC值可使画面亮度提高，但是噪点也会相应增多。`与图像相关的常用术语★色调和饱和度色调（Hue）R、G、B三种原色，两两以不同比例混合后产生的颜色。饱和度（Saturation）/色彩浓度饱和度是指色彩的鲜艳程度，也称色彩的纯度，浓度。饱和度越高，颜色越鲜艳；饱和度越低，颜色越暗淡；`与图像相关的常用术语饱和度相同，色调不同色调相同，饱和度不同`与图像相关的常用术语★快门速度（ShutterSpeed）、曝光时间曝光时间是指sensor像素点被通电，开始接收外界的光信号到被切断电源停止工作的时间间隔。曝光时间的长短由快门速度决定，快门速度越高，曝光时间越短,运动物体就会在底片呈现更清晰的影象；反之快门速度越低，曝光时间越长,运动的物体就越模糊；表示方法：曝光时间——25ms、33ms……快门速度——1/25,1/30,1/100,1/1000……`与图像相关的常用术语★AE（AutoExposure）摄像机根据环境亮度自动调整曝光量，包括曝光时间、增益等参数；★AWB（AutoWhiteBalance）白平衡是摄像机的重要指标之一；白平衡的作用是使摄像机在不同色温的照明环境下都能正确还原物体的颜色，使其不偏色。AWB的常用模式：ATW、AWB、Manual`与图像相关的常用术语例子：白平衡不正确引起的偏色`与图像相关的常用术语`与图像相关的常用术语★降噪（NoiseReduction）降噪是指对摄像机图像上的噪点进行处理的过程，分为2D降噪和3D降噪两种；2D降噪对单幅图像的噪点进行处理，将其减弱，处理后的图像会相对柔和3D降噪通过对前后两帧的图像进行对比筛选处理，从而将噪点位置找出，对其进行增益控制，从而减少噪点。采用3D降噪的摄像机，图像噪点会明显减少，图像会更透彻。`与图像相关的常用术语★锐度（Sharpness）锐度是反映图像边缘对比度的一个指标。锐度越高，边缘越清晰；锐度越低，图像越柔和；如果将锐度调得过高，则会在物体边缘出现黑边、白边等现象，图像看起来失真而且刺眼。所以，为了获得相对清晰而又真实的图像，锐度应当调得合适。说明：A.

过分提高锐度并不能提高清晰度；B.提高锐度，会相应的增加图像噪点，锐度越高，噪点越大；`与图像相关的常用术语例子：锐化过高引起的黑边和白边`与图像相关的常用术语★宽动态（WidedynamicRange，WDR）宽动态就是场景中特别亮的部位和特别暗的部位同时都能看得特别清楚。宽动态范围是图像能分辨最亮的亮度信号值与能分辨的最暗的亮光信号值的比值。宽动态的表现方式以“倍数”或“dB”来表示普通摄像机宽动态BLC衡量图像质量的常用指标及测试方法★常用指标及其测试方法清晰度色彩还原性低照性能动态范围白平衡信噪比曝光的稳定性衡量图像质量的常用指标及测试方法1、分析图像指标的常用软件HYRes——分析摄像机的中心清晰度Imatest——分析色彩还原性、清晰度、动态范围等多种图像指标`2、清晰度的测试方法衡量图像质量的常用指标及测试方法用HYRes分析结果`衡量图像质量的常用指标及测试方法3、色彩还原性的测试方法`衡量图像质量的常用指标及测试方法4、低照度的图像质量测试方法照度计24色卡`5、动态范围测试衡量图像质量的常用指标及测试方法`衡量图像质量的常用指标及测试方法6、白平衡测试2000K6500K4000K10000K9000K2700K7、信噪比测试`衡量图像质量的常用指标及测试方法8、曝光稳定性测试`衡量图像质量的常用指标及测试方法★影响图像质量的因素1、SensorSensor的灵敏度、像素大小对摄像机的低照效果起决定性作用；像素面积越大，低照效果越好；Sensor的工艺水平影响低照环境下的图像噪声状况；`衡量图像质量的常用指标及测试方法有FPN无FPN2、ISP各个平台的ISP算法不同，同样的图像做处理，效果区别也会很大。ISP的功能，如：有无3DNR对低照效果有影响；有无SmartIR对夜视效果有影响等；3、镜头镜头的清晰度要和sensor的分辨率配合；边缘清晰度和中心清晰度相差不能过大；镜头的通光量（F值）影响摄像机的低照性能镜头的色差程度，影响图像的紫边/蓝边等好的镜头反光状况会轻微一些，差的镜头反光严重，图像发蒙镜头的装配要求比较高：平整度、对焦点`衡量图像质量的常用指标及测试方法4、图像参数设置亮度设置越高，图像越亮，图像越容易发蒙、过曝；低照时噪点越多；对比度越高，图像亮度越高，越容易过曝；对比度越低，图像越暗；色调，调整后容易偏色；饱和度越高，色彩越浓，低照时彩色噪声越多；锐化：值越高，边缘越锐利，同时图像噪声越多降噪：值越高，边缘越柔和，图像噪声越少，与锐化是矛盾的AGC：值设置越高，低照时图像亮度越高，噪声越多`衡量图像质量的常用指标及测试方法5、结构、组装对于红外产品，结构对夜视的影响非常大；镜头和灯板的高度配合、与球罩、前壳玻璃的距离都有要求，高度配合不好，夜视容易发蒙；外壳的反光程度也对夜视效果有影响；灯板角度与镜头视场角要配合；灯板角度大于镜头视场角，夜视距离不够；灯板角度小于镜头视场角，夜视会有手电筒效应；`衡量图像质量的常用指标及测试方法`★镜头的原理通过利用不同形状、不同材质的多片透镜组合，将所需视野中所有物体的发出的光线汇聚到成像传感器上的光学系统。CCTV镜头基础知识镜头内部光路图★镜头的构造镜片前组后组锁紧钉Φ14直插接口M12螺纹接口标签前压圈主镜筒自动光圈IR-CUT变焦镜头定焦镜头`CCTV镜头基础知识CS接口CS型安装座摄像机上使用C型镜头的话，需要加一个高度为5mm的转换接圈。清晰度焦距成像靶面支持IR功能镜头F值`CCTV镜头基础知识★镜头的种类按照光圈调节方式分类：手动光圈镜头自动光圈镜头：直流驱动自动光圈镜头（DCAuto）视频驱动自动光圈镜头（VideoAutoIris）按照焦距不同分类：

定焦镜头：单一焦距段可聚焦变焦镜头：在一段焦距范围内都可聚焦成像`CCTV镜头基础知识★镜头的规格`CCTV镜头基础知识1、分辨率镜头的分辩率是指在成像平面上1毫米间距内能分辨开的黑白相间的线条对数，单位是“线对/毫米”（lp/mm）。象元大小可以大致计算出需要镜头的线对数根据实际配合的经验，计算结果的2/3，Sensor可以接受`CCTV镜头基础知识2、焦距——透镜的光心到光聚集之焦点的距离。镜头的焦距决定了该镜头拍摄的物体在传感器上所形成影像的大小。假设以相同的距离面对同一物体进行拍摄，那么镜头的焦距越长，则物体所形成的影像就越大。`CCTV镜头基础知识镜头焦距监控距离CCD视角(1/3”)2.8mm4.3m86.3°3.5mm5.4m67.4°4mm6m62°4.8mm7.3m52.2°6mm9m42.3°8mm12m32.6°12mm18m22.1°16mm25m17.1°25mm38m10.6°60mm120m3.5°73.8mm150m2.9°`CCTV镜头基础知识同一台摄像机，不同焦距时成像大小的对比`3、光圈（F值）为了控制通过镜头的光通量的大小，在镜头的后部均设置了光圈。镜头焦距和镜头有效孔径的比值称为光圈系数，也称为F值，光圈系数决定被摄像的照度(亮度)，F值越小，光圈越大，到达SENSOR的通光量就越大。镜头的最大光圈系数往往标示在镜头上，如1:1.2或F1.2。CCTV镜头基础知识`4、视场角（FOV）镜头所能覆盖的范围，通常以角度来表示，这个角度就叫镜头的视角FOV。镜头的焦距越长，视场角越小。CCTV镜头基础知识`视场角和分辨率的关系当摄像机的分辨率是截取输出时，视场角会随之改变CCTV镜头基础知识`视场角和Sensor像素的关系Sensor像素点大小影响视场角CCTV镜头基础知识`同样是1080P的摄像机，同一个2.8mm镜头，CMOS像素点大小决定了视场角CCTV镜头基础知识Sensor分辨率象元大小水平尺寸水平视角（2.8mm）AR03301920x10802.2um4.224mm83°MN340411920x10802.75um5.280mm100°IMX2221920x10802.8um5.376mm106°OV27151920x10803um5.760mm114°`CCTV镜头基础知识5、景深景深是指能清晰成像的范围相同焦距，光圈不同，景深的区别`景深的现象，在焦距长、对焦距离近的时候容易出现对安防镜头来说，设计时考虑的是近似无穷远的最大景深景深是一个模糊的概念，因为无法界定到底什么是清晰和模糊摄像机像素高、显示屏面积大、观察者站得近……都会影响景深对摄像机调试来说，景深的影响体现在：如果对焦距离太近，远处成像是模糊的长焦镜头需要的调试距离非常大，对场地空间有要求CCTV镜头基础知识`6、摩尔纹被拍摄物体的细节正好和成像系统的极限分辨率相当时图像上出现的杂讯；CCTV镜头基础知识`CCTV镜头基础知识7、畸变畸变是广角镜头很正常的一种光学现象，8mm以上几乎就没有畸变了光学设计低畸变需要增加镜片数量，增大镜头体积，成本较高安防镜头的设计就是为了监控较广的区域，畸变大，视角也就更大`CCTV镜头基础知识8、鬼影，眩光任何一颗镜头，在特定的焦距、角度，都有鬼影现象摄像机的IR-CUT（反射式红外滤光片），它产生的鬼影是最严重的CMOS表面的保护玻璃也会产生严重的反射`CCTV镜头基础知识9、色散白光是由多种颜色的光复合而成的；不同波长的光线的焦距是不同的；相同材