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监控基础培训之二

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文章出处:编辑:方智力创 人气:1578发表时间:2013-05-13

 电视监控系统的前端设备


电视监控系统的前端设备通常由摄像机、手动或电动镜头、云台、防护罩、监听器、报警探测器和多功能解码器等部件组成,它们各司其职,并通过有线、无线或光纤传输媒介与中心控制系统的各种设备建立相应的联系(传输视/音频信号及控制、报警信号)。在实际的电视监控系统中,这些前端设备不一定同时使用,但实现监控现场图像采集的摄像机和镜头是必不可少的。


2. 1 摄像机


摄像机是获取监视现场图像的前端设备,它以面阵CCD图像传感器为核心部件,外加同步信号产生电路、视频信号处理电路及电源等。近年来,新型的低成本MOS图像传感器有了较快速的发展,基于MOS图像传感器的摄像机已开始被应用于对图像质量要求不高的可视电话或会议电视系统中。由于MOS图像传感器的分辨率和低照度等到主要指标暂时还比不上CCD图像传感器,因此,在电视监控系统中使用摄像机仍为CCD摄像机。


摄像机具有黑白和彩色之分,由于黑白摄像机具有高分辨率、低照度等优点,特别是它可以在红外光照下成像,因此在电视监控系统中,黑白CCD摄像机仍具有较高的市场占有率。顺便指出,在各商家列出的闭路电视监控器材清单中的摄像机通常都是不带镜头的(一体化摄像机除外),因此在实际应用中,应根据监控现场的实际环境及用户要求,为摄像机配合适的镜头(详见本章第2-2节)。


2. 1. 1 黑白CCD摄像机的主要参数


在电视监控系统中选择摄像机,一般要看几个主要的参数,即分辨率、最低照度和信噪比等,另外还要考虑摄像机的附带功能及价格和今后服务等因素。以下对摄像机的几个主要参数作一介绍。


A、 CCD尺寸及像素数

CCD尺寸指的是CCD图像传感器感光面的对角线尺寸,早期的CCD尺寸比较大,为lin、2/3in和1/2in等几种,因而近年来用于电视监控摄像机的CCD尺寸以1/3in为主流。


像素数指的是摄像机CCD传感器的最大像素数,有些给出了水平及垂直方向的像素数,如500H*582V,有些则组出了前两者的乘积值,如30万像素。对于一定尺寸的CCD芯片,像素数越多则意味着每一像素单元的面积越小,因而由该芯片构成的摄像机的分辨率也就越高。例如,在电视监控摄像机中使用的CCD传感器的像素有的已达到48万像素。


B、分辨率

分辨率是衡量摄像机优劣的一个重要参数,它指的是当摄像机摄取等间隔排列的黑白相间条纹时,在监视器(应比摄像机的分辨率高)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能再辨出黑白相间的线条。
工业监视用摄像机的分辨率通常在380~460线之间,广播级摄像机的分辨率则可达到700线左右。


C、 低照度

低照度指的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。测定此参数时,还应特别注明镜头的最大相对孔径。例如,使用F1. 2的镜头,当被景物的光亮度值低到0. 04lx时,摄像机输出的视频信号幅值为最大幅值的50%,即达到350mV(标准视频信号最大幅起来 700mV),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,摄像要输出的视频信号的幅值就达不到350mV了,反映在监视器的屏幕上,将是一屏很难分辨出层次的、灰暗的图像。


D、信噪比及伽玛校正系数

信噪比也是摄像机的一个主要参数。其基本定义是信号对于噪声的比值乘以20log,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。CCD摄像机的信噪比的典型值一般为45~55dB。测量信噪比参数时,应使用视频杂波测量仪直接连接于摄像机的视频输出端子上。
伽玛校正系数前面提到的γ值,其典型值为γ=0. 45。现行摄像机大都采用了固定的γ值。
2. 1. 2 黑白CCD摄像机的附带功能
除了上述介绍的基本参数外,各品牌的摄像机大都还有一些附带的功能,如自动光圈接口、电子快门、自动增益控制、逆光补偿、线锁定同步及外同步等,下面简要介绍一下。


A、电动光圈接口

目前在市场上见到的标准CCD摄像机大都带有驱动自动光圈镜头的接口,其中有些只提供一种驱动方式(通常为视频驱动方式),也就是说,它只能配接VD型的自动光圈镜头,有些则可同时提供两种驱动方式(视频驱动和直流驱动)供用户选择,因此,它可以配接任何自动光圈镜头。这里,视频驱动(Video Driver,简称VD)方式是指摄像机将视频信号电平输出到自动光圈镜头的内部,再由其内部的驱动电路输出控制电压,使镜头光圈调整电动机转动;直流驱动(DC Driver,简称DD)方式则是指摄像机内部增加了镜头光圈电动机的驱动电路,可以直接输出直流控制电压到镜头内的光圈电动机并使其转动,因此,具有直流驱动接口的摄像机的成本就稍许高一些(因为增加了一部分电路),但所选配的自动光圈镜头则因其内部不含有驱动电路而体积稍小一些,价格也就低一些。


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是不完全一样。一般摄像机的自动光圈接口设置在机身的后面板上,但也有一些则设在机身的侧面。图2-1示出几种不同形式的自动光圈的接口,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、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。若同时具有两种光圈驱动方式,则具体将该接口定义为VD还是DD驱动方式,须由另外的拨动开关来选择(如JETCOM公司的JC系列摄像机),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(如NATURE的NV-434CA摄像机),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(如JVC的TX-S240E摄像机)。

(1) (2) (3)
(1)阴式方四孔型(2)阴式圆四孔型(3)接线端子型
图2-1摄像机的自动光圈接口


B、电子快门

电子快门(Electronic Shutter)是比照照相机的机械快门功能提出一个术语,它相当于控制CCD图像传感器的感光时间。由于CCD感光的实质是信号电荷的积累,则感光时间越长,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。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),即可实现控制CCD感光时间的功能。


C、自动增益控制

摄像机输出的视频信号必须达到电视传输规定的标准电平,即。为了能在不同的景物照度条件下都能输出的标准视频信号,必须使放大器的增益能够在较大的范围内进行调节。这种增益调节通常都是通过检测视频信号的平均电平而自动完成的,实现此功能的电路称为自动增益控制电路,简称AGC电路。具有AGC功能的摄像机,在低照度时的灵敏度会有所提高,但此时的噪点也会比较明显。这是由于信号和噪声被同时放大的缘故。


D、背光补偿

背光补偿(Back – light Compensation)也称作逆光补偿或逆光补正,它可以有效补偿摄像机在逆光环境下拍摄时画面主体黑暗的缺陷。
当引入背光补偿功能时,摄像机仅对整个视场的一个子区域(如从第80行 ~ 200行的中心区域)进行检测,通过求此区域的平均信号电平来确定AGC电路的工作点。由于子区域的平均电平很低,AGC放大器会有较高的增益,使输出视频信号的幅值提高,从而使监视器上的主体画面明朗。此时的背景画面会更加明亮,但其与主体画面的主观亮度差会大大降低,整个视场的可视性得到改善。


E、 线锁定同步

线锁定同步(LINE LOCK)是一种利用交流电源来锁定摄像机场同步脉冲的一种同步方式。当图像出现因交流电源造成的网波干扰时,将此开关拨到线锁定同步(LL)的位置,就可消除交流电源的干扰。


2. 1. 3 摄像机的使用


摄像机的使用很简单,通常只要正确安装镜头、连通信号电缆,接通电源即可工作。但在实际使用中,如果不能正确地安装镜头并调整摄像机及镜头的状态,则可能达不到预期使用效果。以下简要介绍摄像机的正确使用方法。


A、安装镜头 摄像机必须配接镜头才可使用,一般应根据应用现场的实际情况来选配合适的镜头,如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或长焦镜头等。另外还应注意镜头与摄像机的接口,是C型接口还是CS型接口(这一点要切记,否则用C型镜头直接往CS接口摄像机上旋入时极有可能损坏摄像机的CCD芯片)。


安装镜头时,首先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。对于自动光圈镜头,还应将镜头的控制线连接到摄像机的自动光圈接口上,对于电动两可变镜头或三可变镜头,只要旋转镜头到位,则暂时不需校正其平衡状态(只有在后焦聚调整完毕后才需要最后校正其平衡状态)。


B、调整镜头光圈与对焦 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,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比较大的场合使用摄像机,最好配接自动光圈镜头并作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),镜头即调整完毕。装好防护罩并上好支架即可。由于光圈较大,景深范围相对较小,对焦距时应尽可能照顾到整个监视现场的清晰度。当现场照度降低时,电子快门将自动调整为慢速,配合较大的光圈,仍可使图像满意。


在以上调整过程中,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上,因此仍可以在监视器上形成较好的图像;但当光线变暗时,由于镜头的光圈比较小,而电子快门也已经处于最慢(1/50s)了,此时的成像就可能是昏暗一片了。


C、后焦距的调整 后焦距也称背焦距,指的是当安装上标准镜头(标准C/CS接口镜头)时,能使被摄景物的成像恰好成在CCD图像传感器的靶面上,一般摄像机在出厂时,对后焦距都做了适当的调整,因此,在配接定焦镜头的应用场合,一般都不需要调整摄像机的后焦。


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,此时首先必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。根据经验,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。
后焦距调整的步骤如下:


a、将镜头正确安装到摄像机上。
b、将镜头光圈尽可能开到最大(目的是缩小景深范围,以准确找到成像焦点)。
c、通过变焦距调整(Zoom In)将镜头推至望远(Tele)状态,拍摄10m以外的一个物体的特写,再通过调整聚焦(Focus)将特写图像调清晰。
d、进行与上一步相反的变焦距调整(Zoom Out)将镜头拉回至广角(Wide)状态,此时画面变为包含上述特写物体的全景图像,但此时不能再作聚焦调整(注意:如果此时的图像变模糊也不能调整聚焦),而是准备下一步的后焦调整。
e、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,然后暂时旋紧内六角螺钉。
f、重新推镜头到望远状态,看看刚才拍摄的特写物体是否仍然清晰,如不清晰再重复上述第a、b、c步骤。
g、通常只需一两个回合就可完成后焦距调整了。
h、旋紧内六角螺钉,将光圈调整到适当的位置。


2. 2 镜头
镜头是电视监控系统中必不可少的部件,镜头与CCD摄像机配合,可以将远距离目标成像在摄像机的CCD靶面上。
镜头的种类繁多,从焦距上分类,可分为短焦距、中焦距、和焦距和变焦距镜头;从视场的大小分类,可分为广角、标准、远摄镜头;从结构上分类,还可分为固定光圈定焦镜头、手动光圈定焦镜头、自动光圈定焦镜头、手动变焦镜头、自动光圈电动变焦镜头、电动三可变镜头(指光圈、焦距、聚焦这三者均可变)等类型。由于镜头选择得合适与否,直接关系到摄像质量的优劣,因此,在实际应用中必须合理选择镜头。
2. 2. 1 镜头的参数
镜头的光学特性包括成像尺寸、焦距、相对孔径和视场角等几个参数,一般在镜头所附的说明书中都有注明,以下分别介绍。
A、成像尺寸
镜头一般可分为25. 4mm(lin)、16. 9mm(2/3in)、12. 7mm(1/2in)、8.47mm(1/3in)和6.35mm(1/4in)等几种规格,它们分别对应着不同的成像尺寸,选用镜头时,应使镜头的成像尺寸与摄像机的靶面尺寸大小相吻合。表2-1列出了几种常见CCD芯片的靶面尺寸,表中单位为mm。
标称芯片尺寸

CCD感光靶面尺寸 25. 4
1''
16. 9
2/3'' 12. 7
1/2'' 8. 47
1/3'' 6. 35
1/4''
对角线 16 11 8 6 4. 5
垂直 9. 6 6. 6 4. 8 3. 6 2. 7
水平 12. 7 8. 8 6. 4 4. 8 3. 6
表2-1 几种常见CCD芯片的靶面尺寸
由表2-1可知,12. 7mm(1/2in)的镜头应配12. 7mm(1/2in)靶面的摄像机,当镜头的成像尺寸比摄像机靶面的尺寸大时,不会影响成像,但实际成像的视场角要比该镜头的标称视场角小(参见图2-2),而当镜头的成像尺寸比摄像机靶面的尺寸小时,就会影响成像,表现为成像的画面四周被镜筒遮挡,在画面的4个角上出现黑角(参见图2-2)。

(1) (2)

(1)镜头成像尺寸比CCD靶面尺寸大 (2)镜头成像尺寸比CCD靶面尺寸小
图2-2 镜头成像尺寸与CCD靶面尺寸的关系

B、焦距

在实际应用中,经常会有用户提出该摄像机能看清多么远的物体或该摄像机能看清多么宽的场景等问题,这实际上由所选用的镜头的焦距来决定,因为焦距决定了摄取图像的大小,用不同焦距的镜头对同一位置的某物体摄像时,配长焦距镜头的摄像机所摄取的景物尺寸就大,反之,配短焦距镜头的摄像机所摄取的景物尺寸就小。当然,被摄物体成像的清晰度还与所选用的CCD摄像机的分辨率及监视器的分辨率有关。
理论上,任何一种镜头均可拍摄很远的物体,并在CCD靶面上成一很小的像,但受CCD单元(像素)物理尺寸的限制,当成像小到小于CCD传感器的一个像素大小时,便不再能形成被摄物体的像,即使成像有几个像素大小,该像也难以辨识为何物。
当已知被摄物体的大小及该物体到镜头距离,则可根据下两式估算所选取配镜头的焦距:
f=hD/H
f=vD/V
式中,D为镜头中心到被摄物体的距离;H和V分别为被摄物体的水平尺寸和垂直尺寸;v为靶面成像的高度;h为靶面成像的水平宽度。
成像场景的大小与成像物体的显示尺寸是互相矛盾的,举个例子来说,用同一支摄像机对同一个停车场进行监视,选用短焦距镜头可以对整个停车场的全景进行监视并看到出入口外的车辆进出,但却不能看清该辆车的牌照号码(该车在监视器屏幕上仅占据了很小的面积);而选用长焦距镜头虽可以看清该辆车的牌照号码(该车占据了屏幕上的大部分面积),却又不能监视到整个停车场的全貌。因此当需要既监视全景以要看清局部时,一般应考虑配用电动两可变或电动三可变镜头。当然,在选定了镜头的前提下,选用高分辨率的摄像机及监视器则可以在被监视物体成像尺寸较小时也能看清局部细节。


C、相对孔径


为了控制通过镜头的光通量大小,在镜头的后部均设置了光阑(俗称光圈)。假定光阑的有效孔径为d,由于光线折射的关系,镜头实际的有效孔径为D,D与焦距f之比定义为相对孔径A,即
A=D/f
镜头的相对孔径决定于被摄像的照度,像的照度E与镜头的相对孔径平方成正比,一般习惯上用相对孔径的倒数来表示镜头光阑的大小,即
F=f/D
式中,F一般称为光栏F数,标注在镜头光栏调整圈上,其标值为1. 4、2、2. 8、4、5. 6、8、11、16、22等序列值,每两个相邻数值中,后一个数值是前一个数值的倍。由于像面照度与光栏的平方成正比,所以光栏每变化一档,像面亮度就变化一倍。F值越小,光栏越大,到达摄像机靶面的光通量就越大。


D、视场角


镜头有一个确定的视野,镜头对这个视野的高度和宽度的张角称为视场角。视场角与镜头的焦距f及摄像机靶面尺寸(水平尺寸h及垂直尺寸v)的大小有关,镜头的水平视场角ah及垂直视场角av可分别由下式来计算,即
ah=2arctg(h/2f)
av=2arctg(v/2f)
由以上两式可知,镜头的焦距f越短,其视场角越大,或者,摄像机靶面尺寸h或v越大,其视场角也越大。如果所选择的镜头的视场角太小,可能会因出现监视死角而漏监;而若所选择的镜头的视场角太大,又可能造成被监视的主体画面尺寸太小,难以辨认,且画面边缘出现畸变。因此,只有根据具体的应用环境选择视场角合适的镜头,才能保证既不出现监视死角,又能使被监视的主体画面尽可能大而清晰。
表2-2列出了几种常用镜头的水平视场角,表中的参数是以日本精工系列镜头为参考给出的。
焦距/mm

镜头尺寸/in 2. 8 3. 5 4. 0 4. 8 6. 0 8. 0 12. 0 16. 0 25. 0
1/3 86. 3 67. 4 62. 0 52. 2 42. 3 32. 6 22. 1 17. 1 10. 6
1/2 94. 6 69. 4 57. 1 42. 6 29.7 22. 6 14. 2
2/3 59. 2 30. 8 19. 4
1 27. 8

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