【摄像头基础】摄像头技术参数知识浅析

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【摄像头基础】摄像头技术参数知识浅析                       摄像头模组论坛www.ccm99.com

一、镜头    镜头是摄像机的眼睛，为了适应不同的监控环境和要求，需要配置不同规格的镜头。比如在室内的重点监视，要进行清晰且大视场角度的图像捕捉，得配置广角镜头；在室外的停车场，既要看到停车场全貌，又要能看到汽车的细部，这时候需要广角和变焦镜头，在边境线、海防线的监控，需要超远图像拍摄。
   1、镜头的主要参数
    焦距（f）：焦距是镜头和感光元件之间的距离，通过改变镜头的焦距，可以改变镜头的放大倍数，改变拍摄图像的大小。当物体与镜头的距离很远的时候，我们可用下面公式表达：镜头的放大倍数≈焦距/物距。增加镜头的焦距，放大倍数增大了，可以将远景拉近，画面的范围小了，远景的细节看得更清楚了；如果减少镜头的焦距，放大倍数减少了，画面的范围扩大了，能看到更大的场景。
    镜头的主要参数
    视场角：在工程实际中，我们常用水平视场角来反映画面的拍摄范围。焦距f越大，视场角越小，在感光元件上形成的画面范围越小；反之，焦距f越小，视场角越大，在感光元件上形成的画面范围越大。
    光圈：光圈安装在镜头的后部，光圈开得越大，通过镜头的光量就越大，图像的清晰度越高；光圈开得越小，通过镜头的光量就越小，图像的清晰度越低。通常用F（光通量）来表示。F=焦距（f）/通光孔径。在摄像机的技术指标中，我们可以常常看到6mm/F1.4这样的参数，它表示镜头的焦距为6mm，光通量为1.4，这时我们可以很容易地计算出通光孔径为4.29mm。在焦距f相同的情况下，F值越小，光圈越大，到达CCD芯片的光通量就越大，镜头越好。
   
2、镜头的分类
    按视角的大小分类
    按光圈分类


二、提高图像清晰的根本在于提高摄像机的感光能力
    1、感光元件的作用
    目前，主流监控摄像机的感光元件采用CCD元件，实际上就是光电转换元件。和以前的CMOS感光元件相比，CCD的感光度是CMOS的3到10倍，因此CCD芯片可以接受到更多的光信号，转换为电信号后，经视频处理电路滤波、放大形成视频信号输出。接受到的光信号越强，视频信号的幅值就越大。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视频图像。提高图像清晰的根本就在于提高摄像机的感光能力。
    2、镜头与CCD感光元件的配置
    在图一中我们可以看到，CCD传感器上形成的图像比原始图像小，CCD芯片成像面的尺寸规格不同，形成的图像大小也不同。
    CCD的成像尺寸常用的有1/2英寸、1/3英寸，CCD的尺寸规格决定了摄像机的规格。
    镜头与CCD感光元件的配置
    CCD的成像尺寸，也就是摄像机画面宽度和高度的比例与电视机画面宽度和高度比例一样，通常为4：3。这样保证了摄像机的视频图像在显示器上的图像不变形。
    镜头的规格也分为1/2英寸、1/3英寸等，1/2英寸的镜头可用于1/2英寸、1/3英寸的摄像机；而1/3英寸的镜头只能用于1/3英寸的摄像机，不能用于1/2英寸的摄像机，这是因为1/3英寸镜头光通量只有1/2英寸镜头光通量的44%，不能满足1/2英寸的摄像机的光通量要求。
    镜头焦距的配置我们还是以图一来说明。确定合适的焦距，是决定图像质量重要因素。f=vD/Vf=hD/H。其中，f代表焦距，v代表CCD成像尺寸的高度，V代表被观测物体高度，h代表CCD成像尺寸的宽度，H代表被观测物体宽度，D代表物体到镜头的距离。假设用1/3”CCD摄像头观测，被测物体宽500毫米，高400毫米，镜头焦点距物体5000毫米。由公式可以算出：焦距f=4.8×5000/500≈48毫米或焦距f=3.6×5000/400≈45毫米。


三、如何在光照条件很差的环境中拍摄到清晰的图像

    监控摄像机要求能在夜晚光照条件很差甚至是没有光的环境中，也能拍摄到清晰图像。在摄像机的指标中，我们常常可以看到低照度这一项。
    1、照度的概念
    照度是测量摄像机感光度的单位，用勒克司（Lux）表示，也就是摄像机能在多暗的光照条件下拍摄到图像。勒克司（Lux）的值越低，表明摄像机能在光照条件更低的情况下拍摄到清晰的图像。我们知道摄像机产生的视频信号标称值为1v，标准值为700mv，比如采用光圈为F1.2的镜头，当被拍摄景物的照度值为0.02Lux时,摄像机输出的视频信号幅值为标准幅值700mv的33%-50%，这时摄像机的最低照度为0.02Lux/F1.2。测试最低照度值必须注意镜头光圈大小，F值越小，光圈越大，需要的照度越低。不同的光圈，最低照度值是不同的。
    2、实现低照度摄象的方案
    我们知道CCD摄像机可以分为彩色与黑白摄像机，普通摄像机的最低照度见下表。
    普通摄像机的最低照度
    可见光的波长范围为380nm～780nm，可见光波长由长到短分为红、橙、黄、绿、青、兰、紫，波长比紫光短的称为紫外光，波长比红外光长的称为红外光。CCD传感器表面有一层吸收紫外的透明电极，所以CCD不能接受紫外光。普通彩色摄像机的CCD芯片上有红、绿、蓝三色滤光条，所以彩色摄像机不能感受红外光。而普通CCD黑白摄像机的光谱范围很宽，不仅能感受可见光，而且可以感受红外光。
    根据以上原理，在光照条件很差的环境中，工程师们常常采用以下方案拍摄到清晰的图像。
    （1）、普通低照度CCD黑白摄像机+红外灯
    在监控现场安装红外灯辐射“照明”，产生人眼看不见而普通摄像机能捕捉到的红外光，通过CCD黑白摄像机可以实现夜间拍摄。
    （2）、彩色转黑白摄像机+红外灯
    所谓彩色转黑白摄像机就是指白天是彩色摄像机，到了晚上光照条件很差的时候，利用黑白图像对红外线感度较高的特点，自动切换为黑白方式,在红外线的配合下进行拍摄。和红外灯配合时候，低照度摄像机必须满足红外灯支持的最低照度。
    （3）、红外低照度彩色摄像机
    红外低照度彩色摄像机的红外感度比一般摄像机高4倍以上，可以在零照度（0Lux）下工作。
    红外低照度彩色摄像机
    （4）低速快门摄像机
    低速快门摄像机又称画面累积型摄像机，通过电脑连续存储多帧（最多达128帧）因光线不足而较模糊的画面，并累积起来，成为清晰的画面，借助SLOWSHUTTER技术，实现在0.008LUX/F1.2照度下进行拍摄。这种低照度摄像机适用于禁止红、紫外线破坏的博物馆、夜间生物活动观察、夜间军事海岸线监视等。
    （5）、超低照度摄像机
    超低照度摄像机采用EXVIEWHAD技术大大提高了感光度，其彩色照度可达0.05LUX，黑白则可达0.003-0.001LUX。当配用专用的红外设备，可以得到高清晰度的黑白图像，实现0Lux下拍摄。


四、摄像机的控制
    为了扩大监控范围，要求监控摄像机能实现旋转、变焦、变放大倍数，自动聚焦等。这些功能的实现，需要数字硬盘录象机通过控制器对摄像机进行控制。
    1、旋转控制
    工程师们利用云台来安装和固定摄像机，云台分为固定云台和电动云台。固定云台适用于监视范围不大的情况，在固定云台上安装好摄像机后，调整摄像机的水平和俯仰角度，达到最好的工作状态后锁定调整机构就可以了。电动云台安装了步进电机，电机接受来自控制器的信号，带动摄像机旋转实现精确定位，适用于大范围监控。
    云台根据其回转的特点可分为只能左右旋转的水平旋转云台和既能左右旋转又能上下旋转的全方位云台。一般来说，水平旋转角度为0°～350°，垂直旋转角度为+90°。恒速云台的水平旋转速度一般在3°～10°/s，垂直速度为4°/s左右。变速云台的水平旋转速度一般在0°～32°/s，垂直旋转速度在0°～16°/s左右。在一些高速摄像系统中，云台的水平旋转速度高达480°/s以上，垂直旋转速度在120°/s以上。
    2、实现电动变焦、变倍、自动聚焦
    （1）所谓一体化摄像机就是使镜头、CCD芯片、视频处理电路、电源、机壳整合为一个整体，可以实现电动变焦、变倍、自动聚焦功能。能否快速、准确的实现自动聚焦是评价一体化摄像机品质的关键。好的产品可以一次性准确聚焦，而品质不好的产品，在聚焦时会来回往复，需要多次才能定焦。目前的一体化摄像机以16、18、20、22、27、32倍变倍为主流，发展趋势是照度越来越低，光学倍数越来越高。注意这里的变焦倍数是指光学变倍。
    一体化摄像机的关键技术是镜头、CCD和DSP处理模块。高档镜头主要被日本厂商所掌握，如Canon、Camputar、Avenir等。CCD芯片以日本Sony为主，SonyCCD分为SuperHAD和Exview两种类型，其中Exview是最新技术，普遍采用1/4寸尺寸，性噪比高于SuperHAD；在DSP处理芯片上，Sony的DSP芯片可以很好的处理图像色彩，使图像看上去十分鲜艳。而Canon、Nikon的DSP在捕光模式和对焦上比较好。
    （2）采用电动变焦镜头+普通摄像机
    把电动变焦镜头和普通摄像机结合起来，利用普通摄像机视频驱动的原理，实现镜头焦距、光圈、聚焦的自动控制。目前有些厂家开发出了超高倍率的60倍电动变焦镜头”D60×12.5”。其750mm（使用变焦扩展镜时可达1500mm）的焦距可以鲜明地识别3公里远处的人物。


  五、视频图像的网络传输

    1、模拟摄像机+数字硬盘录像机+计算机网络系统
    这是目前应用最广泛的网络视频监控系统，通过设定端口、网关和路由，现场的数字硬盘录像机作为服务器，在远程客户的计算机上安装专用监控软件或插件，用户便可以通过互联网看到数千里之外的现场，实现单路、多路视频远程监控和录像。
    2、模拟摄像机+网络视频服务器+计算机网络系统
    模拟摄像机输出的信号是模拟信号，计算机处理的信号是数字信号，在网络中传输的也是数字信号，网络视频服务器（VideoServer）把模拟摄像机的模拟信号转换成数字信号，再经过高效压缩芯片压缩、编码，输出可以在计算机网络中传输的数字信号，实现在计算机网络中以数字信号的形式传输。因此，也可以把网络视频服务器称为视频编码器（VideoCoder）。当视频服务器的一端连接着模拟摄像机的输出信号，另一端插上计算机网线，然后在互联网中的任一台计算机中设置好网关、路由，打开IE浏览器，输入IP地址或者域名就可以在电脑中看到监控的画面了。如果模拟摄像机配置有云台，我们还可以通过电脑对摄像机进行变焦、变倍、旋转等控制操作。在网络视频服务器中还得嵌入实时操作系统，可以是Linux版本，也可以是Windows版本，从稳定性上讲，Linux版本更胜一筹。采用网络视频服务器可以选择和配备不同的摄像机，具有更多的灵活性。
    3、网络摄像机+计算机网络系统
    网络摄像机就是将模拟摄像机与网络视频服务器整合在一起。在摄像机里面内置模/数转换、视频服务器功能，和网络视频服务器一样，按照网络协议实现网络通讯和数据传输，还可以接收报警信号及向外发送报警信号。这更方便了，只要把网络摄像机安装好，插上网线就可以浏览了。
    4、CDMA无线网络视频监控系统
    上面介绍的传输是有线传输，但是在移动的交通工具（汽车）、偏远的矿山、山区，采用有线传输显然是很困难的，我们可以利用成熟的无线通讯技术。这里的代表产品有中国联通的移视通。移视通CDMA无线网络视频监控系统是把CDMA数据通讯功能和数字视频编码功能整合成一体的便捷式产品。它把摄像机图像经过视频压缩编码模块压缩，通过智能无线通讯终端发射到CDMA网络，实现视频数据的交互、发送/接收、加解密、编解码，链路的控制维护等功能。该系统可以把实时动态图像传到距离用户最近的联通通信网络。可以通过Internet从系统中控端得到实时图像信息。系统整合了CDMA网络和Internet网络的优势，随时随地的进行远程监控管理。



  六、常用技术指标解释
    1、分辨率
    图像分辨率简单说就是指屏幕水平和方向垂直方向所显示的点数。比如1024×728，其中“1024”表示屏幕上水平方向显示的点数，“768”表示垂直方向显示的点数。分辨率越高，图像就越清晰。分辨率越高图像的显示越清晰。


    2、清晰度
    摄像机的清晰度用线表示，分为水平线和垂直线，在实际的工程应用中我们常常以水平线作为摄像机清晰度的评估指标，线数越多，则清晰度越高。常用的黑白摄像机的清晰度一般为450-600，而彩色摄像机的清晰度一般为330-480，其数值越大成像越清晰。一般的监视场合，用450线左右的摄像机就可以满足要求，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。


    3、自动增益控制（AGC）
    为了使摄像机能在不同的照度条件下输出标准视频信号，在视频处理电路中引入了自动增益控制（AutoGainControl），通过检测视频信号的平均电平值而实现增益反馈控制。具有AGC功能的摄像机，在低照度时的灵敏度会有所提高，但同时也放大了干扰信号，使图像看上去有杂波。


    4、背光补偿（BLC）
    当摄像机处于逆光环境中拍摄时，画面会出现黑色的图像，然而在安防中逆光环境是难以避免的，这个时候就需要进行背光补偿。当引入背光补偿功能时，摄像机如果检测到拍摄图像一个区域中的视频电平比较低，通过上面介绍的AGC电路改善和提升该区域的视频电平，提高输出视频信号的幅值，使图像整体清晰明亮。如果你想看的主题因明亮的背景而显得暗淡，可以把BLC设置到ON状态，从而补偿强烈的背光。


    5、电子快门（EE/AI）切换
    在摄像机的后部端子我们常常可以看到EE/AI切换开关。EE就是指电子快门方式；AI就是指自动光圈镜头方式。摄像机的电子快门一般设置为自动电子快门方式，通过电子快门方式，根据入射光的强弱来调节CCD图像传感器的曝光时间，从而得到清晰的图像，电子快门的时间在1/50-1/100000秒之间。


    6、信噪比
    指信号电平与杂波电平的比，杂波包括电源杂波、随机杂波、单频杂波等。常常用分贝（dB）表示。信噪比越高表明它产生的杂波越少，图像信号质量越高。信噪比不得低于48dB。


    7、白平衡（AWB）
    彩色摄像机要还原被摄物体的颜色，必须保持白平衡正常。