1、監控攝像機學習教程第一節、攝像機攝像機的發展速度很快,從攝像管到CCD元件,以其構成的CCD攝像機具有體積小、重量輕、不受磁場影響、具有抗震動和撞擊等特點,同時清晰度、照度、可靠性等指標大大提高而被廣泛應用。CCD是Charge Coupled Device(電荷耦合器件的縮寫,它是一種半導體成像器件,因而具有靈敏度高、抗強光、畸變小、體積小、壽命長、抗震動等優點。被攝物體的圖像經過鏡頭聚焦至CCD芯片上,CCD根據光的強弱積累相應比例的電荷,各個像素積累的電荷在視頻時序的控制下,逐點外移,經濾波、放大處理后,形成視頻信號輸出。視頻信號連接到監視器或電視機的視頻輸入端便可以看到與原始圖像相同的

2、視頻圖像。一、CCD攝像機的分類按照成像色彩劃分CCD攝像機按成像色彩劃分為彩色攝像機和黑白攝像機兩種。除色度處理方面不同外,其它原理基本一致。主要有光學系統、光電轉換系統、信號處理系統組成。其中光電轉換系統是攝像機的核心。自然圖像通過光學鏡頭成像于攝像機的光靶面上,彩色攝像機的光學系統中使用相干分色棱鏡或特殊條狀濾色鏡將光信號分成紅、綠、藍三色光信號,光電轉換系統通過攝像管或CCD 元件利用電視掃描方法把光圖像信號轉換成隨時間變化的視頻電信號,再經放大、處理、編碼而成為全電視信號。按照分辨率劃分按照分辨率劃分為25萬像素左右,對應彩色330線/黑白400線的低檔型;25萬至38萬像素之間,對

3、應彩色420線/黑白500線的中檔型;38萬像素以上,對應彩色大于或等于460線黑白570線以上的高檔型。按照攝像機靈敏度劃分按照靈敏度可分為最低照度1至3lux的普通型;0.1lux左右的月光型;0.01lux以下的星光型以及原則上可以為0Lux,采用紅外光源成像的紅外照明型。按照CCD靶面尺寸劃分攝像機攝像器件(CCD的尺寸分為1英寸、1/2英寸、1/3英寸、1/4英寸等。其中以1/3英寸和1/2英寸最為常見。CCD尺寸水平(mm垂直(mm對角線(mm1英寸12.7 9.6 162/3英寸8.8 6.6 111/2英寸 6.4 4.8 81/3英寸 4.8 3.6 61/4英寸 3.6 2

4、.4 41/5英寸的CCD攝像機正待開發之中,將來也會在市場上占有一定比例。一般來說,大的CCD芯片,其相應的象素面積也較大,接收所攝光的面積增大,必然使象素輸出電荷增多,靈敏度上升,在弱光條件下具有較好的拍攝能力,容易使攝像機整體質量提高,圖像細部明顯細膩自然。而光學系統聚焦影像時的焦平面越小,則成像過程中丟失的細節就越多,得到的影像放大后細部過渡就可能有突變的現象,顯得不自然。另外小尺寸CCD擁有更多的象素和更高的分辨率也會導致單個像素的感光面積縮小,有曝光不足的可能。單個像素的面積越小,其感光性能越低,信噪比越低,動態范圍越窄。每個象素上的信息趨于與在它附近的象素的信息混合(在電子學上這

5、個概念叫做色度亮度干擾。二、CCD傳感器的技術發展趨勢CCD是攝像機的核心器件,因此其性能高低將直接影響攝像機的品質,并且CCD的發展是攝像機更新換代的基礎。CCD傳感器有兩種,第一種是特殊CCD傳感器,如紅外CCD芯片(紅外焦平面陣列器件、高靈敏度背照式和電子轟擊式CCD、EBCCD等,另外還有大靶面如2048×2048、4096×4096可見光CCD傳感器、寬光譜范圍(紫外光可見光近紅外光3-5m中紅外光8-14um遠紅外光焦平面陣列傳感器等。目前已有商業化產品,并廣泛應用于各個領域。第二種是通用型或消費型CCD傳感器,在許多方面都有較大地進展,總的方向是提高CCD攝像

6、機的綜合性能。CCD傳感器的像面尺寸向集成化、輕量化方向的發展。由于制造CCD傳感器的硅片和加工成本都很高,所以很希望一片6.5英寸的硅片上光刻出更多的CCD傳感器芯片;由于光刻機的進步,所以在仍保持具有很高靈敏度的特性下,CCD 傳感器的尺寸向1/2英寸、1/3英寸、1/4英寸、1/5英寸的方向發展。在1993年,1/2英寸的CCD傳感器占總產量的5%;1/4英寸的CCD傳感器占總產量的10%;1/3英寸的CCD傳感器占總產量的85%。在1997年,在總產量比1993年增加200%以上的情況下,1/2英寸的CCD傳感器仍有很大發展,已占總產量的15%(1/2英寸由于靶面較大仍有許多場合需要,

7、尤其在科研領域中;1/4英寸的CCD傳感占總產量的60%。也就是說,1/2英寸較大靶面尺寸CCD傳感器仍有很大增長。1/4英寸的CCD傳感器的產量比1/3英寸的CCD傳感器來說,占總產量的比例在減少。CCD傳感器向高素數、多制式發展各種CCD傳感器的像面尺寸在減少,但其像素數在增加,已由早期的512(H×596(V向795(H×596(V發展,甚至出現超過百萬像素的CCD傳感器。為提高水平方向和垂直方向的分辨能力,已從通常的隔行掃描向逐行掃描格式發展。降低CCD傳感器的工作電壓、減少功耗在初期研制的CCD攝像機有+24V、+22V、+17V和+5V等,目前通用的為+12V。

8、為配合PC攝像機和網絡圖像傳輸的應用,逐步以+12V和+5V兩種工作電壓為主。提高CCD攝像機的制造效率為了降低CCD攝像機的制造成本,實現高速自動化生產,制造廠家追求緊密性結構,致力于CCD攝像機的小型化,即由Dip On Board(DOB過錫板工藝改進為Chip On Board(COB板上連接IC芯片的貼片方式。到目前為止,已實現多層板的Multi Chip Module(MCM多芯片集成模組化制造技術。CCD攝像機的數字化在制造CCD攝像機時,從以往的Analog模擬系統逐步實現DSP數字化處理,可以借助電子計算機和專門軟件系統實現對CCD攝像機,特別是對彩色CCD攝像機的各種參數的

9、量化調整,可以確保CCD攝像機性能指標的優化一致性以及在特殊使用條件下的參數量化修改。三、CCD攝像機的技術性能、特點及進展Hyper-D高動態范圍CCD攝像機CCD攝像機是一種用來模擬人眼的光電探測器。但是人眼在觀察目標時,可以看清目標的最低照度為1Lux,當目標照度達到3×105Lux時,即為人眼動態范圍,這種攝像機被稱為Hyper-D CCD攝像機。從模擬Analog CCD攝像機向DSP數字處理CCD攝像機方向的發展采用DSP技術,可以使CCD攝像機在數字檢測和數字運算技術上能夠有效實現智能化逆光背景補償;能夠自動跟蹤白平衡,即可以在任何條件下檢測和跟蹤“白色”,并以數字運算

10、處理功能來再現原始的景物色彩。電腦攝像機(PC camera和網絡攝像機(Network Camera由于計算機的進步和發展,可通過計算機主板上的USB接口通用串行總線和IEEE1394高速串行綜合數據傳輸接口以及PCMCIA來輸入。USB接口的傳輸速率是12Mbps,IEEE1394接口的傳輸速率是100-400Mbps。隨著國際信息高速公路的實施,對于CCD攝像機作為系統的前端圖像傳感器正向著適合網絡用戶的方向發展。CCD攝像機不僅需具有高分辨率的圖像質量,而且還需具有小巧、使用簡便、通用性強的特點。當前人們關注的Consumer CCD攝像機在不久的將來會普及到千家萬戶。逐行掃描(Pro

11、gressive Scan方式CCD攝像機Progressive Scan CCD攝像機即逐行掃描CCD,是相對通用的隔行掃描CCD攝像機而言的。CCD攝像機的垂直分辨率一般僅能達到350TV線,這是由于使用2場,每場以311條線掃描,以21隔行掃描,對運動的目標會由于奇場和偶場合為一幀,使用兩個瞬間狀態的信息被平滑了,分辨率會不降。而用PC逐行掃描方式攝像機拍攝的運動目標是在同一瞬間將兩場圖像同時采集成為一幀圖像,達到提高垂直分辨率的作用。綜上所述,到21世紀,世界將進入信息時代,數字化、計算機化、通訊、電視融為一體的網絡化即將成為現實,讓人們去面對、去學習、去研究。從整個系統來講,CCD攝

12、像機是核心的元件之一,但由于我國CCD攝像機制造技術和CCD傳感器生產線正處于發展和不斷完善的階段,因此,目前我國CCD產業亟待發展,才能適應市場的需求。隨著我國經濟的高速增長,信息產業化進程的加快,CCD攝像機的市場會越來越大,應用的領域將深入到每一個相關的專業領域,將給人們帶來新的概念。四、CCD攝像機常見性能和主要性能指標現在攝像機的功能很多,如自動白平衡調整、自動增益調整、電子快門、逆光補償、多種同步方式、Y/C分離輸出等等。但考察攝像機檔次的最主要指標是水平清晰度、最低照度(靈敏度和信噪比。清晰度清晰度數是衡量攝像機優劣的一個重要參數,它指的是當攝像機攝取等間隔排列的黑白相間條紋時,

13、在監視器(應比攝像機的分辨率高上能夠看到的最多線數。當超過這一線數時,屏幕上就只能看到灰蒙蒙的一片而不能再辨出黑白相間的線條。工業監視用攝像機的分辨率通常在380460線之間,廣播級攝像機的分辨率則可達到700線左右。清晰度是由攝像器件像素多少決定的,顯然攝像器件的像素越多,得到的圖像越清晰,反之也然。清晰度越高,說明攝像機檔次越高,反之越低。最低照度視頻信號的標稱值為1Vp-p,標準值為0.7Vp-p,最低照度時的視頻信號值為1/3到1/2的標準植。所以攝像機在最低照度時的圖像,決不會“如同白晝一樣”。另外,攝像機在最低照度時產生的圖像清晰度,是用電視信號測試卡進行測式的,其黑白相間的條紋,

14、要求黑色反射率近于0%,白色反射率大于89.9%。而我們在現場觀察時有時不具備這樣的條件,比如:樹葉和草地的反射率很低,反差很小,就不易獲得清晰圖像。因此實際使用當中不能以攝像機標稱的最低照度作為衡量現場環境照度的標準。信噪比信噪比也是攝像機的一個重要的性能指標。當攝像機攝取較亮場景時,監視器顯示的畫面通常比較明快,觀察者不易看出畫面中的干擾噪點;而當攝像機攝取較暗的場景時,監視器顯示的畫面就比較昏暗,觀察者此時很容易看到畫面中雪花狀的干擾噪點。干擾噪點的強弱(也即干擾噪點對畫面的影響程度與攝像機信噪比指標的好壞有直接關系,即攝像機的信噪比越高,干擾噪點對畫面的影響就越小。所謂“信噪比”指的是

15、信號電壓對于噪聲電壓的比值,通常用符號S/N來表示。由于在一般情況下,信號電壓遠高于噪聲電壓,比值非常大,因此,實際計算攝像機信噪比的大小通常都是對均方信號電壓與均方噪聲電壓的比值取以10為底的對數再乘以系數20,單位用dB 表示。一般攝像機給出的信噪比值均是在AGC(自動增益控制關閉時的值,因為當AGC接通時,會對小信號進行提升,使得噪聲電平也相應提高。CCD攝像機信噪比的典型值一般為45dB55dB。測量信噪比參數時,應使用視頻雜波測量儀直接連接于攝像機的視頻輸出端子上。自動增益控制(AGCAGCAutomatic Gain Control的縮寫。所有攝象機都有一個將來自CCD的信號放大到

16、可以使用水準的視頻放大器,其放大量即增益,等效于有較高的靈敏度,可使其在微光下靈敏,然而在亮光照的環境中放大器將過載,使視頻信號畸變。為此,需利用攝象機的自動增益控制(AGC電路去探測視頻信號的電平,適時地開關AGC,從而使攝象機能夠在較大的光照范圍內工作,此即動態范圍,即在低照度時自動增加攝象機的靈敏度,從而提高圖像信號的強度來獲得清晰的圖像。具有AGC功能的攝像機,在低照度時的靈敏度會有所提高,但此時的噪點也會比較明顯。這是由于信號和噪聲被同時放大的緣故。背景光補償(BLCBLCBackLight Compesation的縮寫,也稱作逆光補償或逆光補正,它可以有效補償攝像機在逆光環境下拍攝

17、時畫面主體黑暗的缺陷。通常,攝象機的AGC工作點是通過對整個視場的內容作平均來確定的,但如果視場中包含一個很亮的背景區域和一個很暗的前景目標,則此時確定的AGC工作點有可能對于前景目標是不夠合適的,背景光補償有可能改善前景目標顯示狀況。當引入背光補償功能時,攝像機僅對整個視場的一個子區域(如從第80行 200行的中心區域進行檢測,通過求此區域的平均信號電平來確定AGC電路的工作點。由于子區域的平均電平很低,AGC放大器會有較高的增益,使輸出視頻信號的幅值提高,從而使監視器上的主體畫面明朗。此時的背景畫面會更加明亮,但其與主體畫面的主觀亮度差會大大降低,整個視場的可視性得到改善。當背景光補償為開

18、啟時,攝象機僅對整個視場的一個子區域求平均來確定其AGC工作點,此時如果前景目標位于該子區域內時,則前景目標的可視性有望改善。電子快門(ES電子快門的英文全稱為Electronic Shutter,是對比照相機的機械快門功能提出一個術語,它相當于控制CCD圖像傳感器的感光時間。由于CCD感光的實質是信號電荷的積累,則感光時間越長,信號電荷的積累時間就越長,輸出信號電流的幅值也就越大。通過調整光生信號電荷的積累時間(即調整時鐘脈沖的寬度,即可實現控制CCD感光時間的功能。白平衡(WB白平衡(White Balance,只用于彩色攝象機,其用途是實現攝象機圖像能精確反映景物狀況,有手動白平衡和自動

19、白平衡兩種方式。自動白平衡(AWB,Automatic White Balance有分為連續白平衡和自動控制白平衡。連續白平衡也稱為自動跟蹤白平衡(Automatic Tracking White balance,ATW,是隨著景物色彩溫度的改變而連續地調整,范圍為28006000K。這種方式對于景物的色彩溫度在拍攝期間不斷改變的場合是最適宜的,使色彩表現自然,但對于景物中很少甚至沒有白色時,如場景大部分是藍天白云或夕陽等高色溫物體及場景比較昏暗的場合下,連續的白平衡不能產生最佳的彩色效果。自動控制白平衡(Automatic White balance Control,AWC,需要先將攝象機對

20、準諸如白墻、白紙等白色參考目標,然后將通過菜單或開關設置從手動改變為自動方式,保留在該位置幾秒鐘或者至圖像呈現白色為止,在白平衡被執行后,將自動方式開關撥回手動位置以鎖定該白平衡的設置,此時白平衡設置將保持在攝象機的存儲器中,直至再次執行被改變為止,其范圍為230010000K,在此期間,即使攝象機斷電也不會丟失該設置。以按鈕方式設置白平衡最為精確和可靠,適用于大部分應用場合。手動白平衡關閉自動白平衡,通過手動調節紅色或藍色調整裝置,以改變紅色或藍色狀況,一般可調等級多達107個,如增加或減少紅色各一個等級、增加或減少蘭色各一個等級。除次之外,有的攝象機還有將白平衡固定在3200K(白熾燈水平

21、和5500K(日光水平等檔次命令。同步方式攝像機的同步方式一般有內同步、電源同步和外同步。內同步(INT是利用攝象機內部的晶體振蕩電路產生同步信號來完成操作。電源同步(LL,Line Locked,也稱之為線性鎖定或行鎖定,是利用攝象機的交流電源來完成垂直推動同步,即攝象機和電源零線同步。外同步(EXT利用一個外同步信號發生器產生的同步信號送到攝象機的外同步輸入端來實現同步。同步信號可以是彩色復合視頻或黑色突法信號(VBS、黑白復合視頻或復合同步信號(VS,也可以是如矩陣等外部設備的復用垂直驅動信號(VD2和復合視頻輸出信號。五、一體化攝像機對于廠商而言,發展一體化特殊型攝像機的本意是為了提供

22、消費者一個使用方便、安裝簡單、功能齊全的產品。因此廠商將鏡頭內建于攝像機中,使客戶免除另外購買鏡頭及裝配的步驟。此外,一般傳統攝像機造型呆板,以小型或特殊設計的外觀取代舊式機種,甚至以多種附加功能,例如防水、防彈或電腦遙控、電源自動偵測等,提高產品價格,皆是廠商推出一體化攝像機的目的。產品類型就目前產品外型來看,一體化攝像機可大致分為特殊型以及一般型。所謂特殊型,是強調產品具備特殊防護功能,以免除防護罩的使用為設計出發點,其產品外殼多為圓柱體,項目包括防水型、防暴(爆型、防彈型攝像機等。以防水型為例,采用特殊材質如鋁合金,增強外殼防水等級,強調不須外加防護罩。為了提升產品附加價值,進而發展自動

23、對焦功能,或提供IR光源,在夜間也能提供清晰圖像。一般型則是從原有的傳統攝像機造型而來,同樣具備四方外表,而鏡頭內建,體積較小。相較于特殊型或傳統攝像機,目前一般型的一體化攝像機皆具備各式基本功能,如自動光圈、自動變焦、460電視線以上的清晰度、自動白平衡、背光補償等等。鏡頭為發展關鍵一體化攝像機的技術關鍵部分在于鏡頭以及攝像機內部的線路設計。鏡頭決定其顯像效果、光圈、對焦功能外,也是攝像機的最大成本。而線路設計則是影響攝像機各項功能運作的關鍵。鏡頭就鏡頭的形式來看,不論是機板型(Board Lens或一般型鏡頭,可藉由手動調整光圈以及焦距的伸縮鏡頭(Zoom Lens發展已久,因此使用普及。

24、而近年來,在鏡頭制造商技術進步的情況下,變焦鏡頭(Vari-focal Lens以其自動對焦的優點而受攝像機制造商喜愛。由于變焦鏡頭體積較小、可自動變焦,因此廣泛應用于快速球型攝像機以及一體化攝像機中。而伸縮鏡頭因體積大、價格較變焦鏡頭高出許多,因此一體化攝像機制造商多采用變焦鏡頭,使用率逐漸增加。據了解,目前以3.58mm的鏡頭使用最為普及。對一體化攝像機而言,由于體積較小,因此多半采用機板型鏡頭(Board Lens。相較于一般鏡頭,機板型鏡頭價格便宜、尺寸較小,但由于鏡頭與攝像機的空隙較小,因此安裝制造較為困難。在鏡頭尺寸部分,過去以1/3”鏡頭使用最多,但1/4”鏡頭較小更適用于一體化

25、攝像機,加上近年來IC廠商大量生產晶片,帶動1/4”晶片的成本降低,使用量逐漸凌駕1/3”鏡頭。然而,1/3”鏡頭所攝取的圖像效果最好,仍有不少一體化攝像機制造商使用,因此仍有相當大的發展空間。線路設計線路設計關系著如何依現有攝像機結構,搭配鏡頭的自動光圈線路,以做到最佳效果。一般而言,自動光圈有二種驅動方式,一是Video Driver,另一種是DC Driver。Video Driver鏡頭是將光圈馬達的驅動電路板安裝于鏡頭內,利用攝像機輸出圖像信號到驅動電路板,再由驅動電路板來改變光圈馬達,使光圈變化,成本與施工都比較貴。DC Driver鏡頭是配合部分攝像機制造商,將原先安裝于鏡頭中的

26、驅動電路板轉至攝像機中,因此鏡頭不需要驅動電路板,直接由攝像機輸出DC電流來改變光圈馬達,使光圈產生變化,由于接頭固定,成本較低,施工也較為容易。目前一體化攝像機市場上兩種都有使用。另外,線路設計也同時影響著攝像機的附加功能,例如快門速度調整可從1/60到1/100,000,自動白平衡、自動增益,或提供屏幕菜單功能,使用者可由OSD調整各項功能。此外,圖像放大(Zoom也是廠商的強調重點之一。簡單來說,放大方式有數字放大以及光學放大兩種,數字放大是以圖像模擬的方式放大,容易有畫面失真、模糊(馬賽克的情況出現,而光學式放大則不會有此問題。因此,對使用者而言,在考慮圖像放大的倍數時,應以光學式放大

27、倍數為準。發展瓶頸根據目前一體化攝像機發展情況來看， 自動光圈鏡頭的控制、 鏡頭與攝像機的搭配以及后續 的擴充能力，仍是廠商的發展瓶頸。所謂后續的擴充能力，在于產品新功能開發、如何與其 他周邊整合以及小系統的建置，是廠商在設計開發的重點。 目前主要鏡頭供應地為日本及韓國，其中以日本的制造量最大、銷售量最高，然而日本鏡頭 價格高，連帶的提高一體化攝像機的制造成本。 未來發展 一體化攝像機是為符合客戶安裝便利的需求所開發出的產品，未來也將繼續朝此目標邁進， 例如如何讓圖像品質更真實，開發能與電腦結合的使用介面等。許多廠商表示，多工球型 攝像機不但鏡頭內建，更能做到 360 度旋轉監視、 鏡頭、 光圈、 快門調整， 以及定位點功能， 當是“一體化攝像機”的發展極致。 六、球型攝像機 球型攝像機是指將攝像機、 鏡頭等設備組合內置在球型防護罩內的攝像設備。 以球型防護罩 區分， 有全球型和半球型； 以球型攝像機的性能區分為定焦鏡頭球型攝像機或定焦鏡頭球罩 型攝像機和內置攝像機、變焦鏡頭、云臺、解碼器等設備的一體化智能球機；以安裝方式區 分，有懸吊式、吸頂式和嵌入式等；以應用環境區分為室內型和室外型。 球型攝像機造型美觀、安裝隱密