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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,安防基础知识培训,2012.07.,19,摄 相 机 篇,摄像机的工作原理,镜头,感光元器件,摄像机的分类,摄像机主要技术参数,主要内容,摄像机的工作原理,被摄物体,镜头,CCD/CMOS,DSP/ISP,折射,将图像转换为电信号,将电信号转换为视频信号,摄像机是一种把景物光像转变为电信号的装置，其结构大致可分为三部分：,光学系统：主要指镜头,光电转换系统：主要指摄像管或影像传感器件,电路系统：主要指视频处理电路,摄像机工作原理图,摄像机镜头是视频监视系统的最关键设备，它的质量（指标）优劣直接影响摄像机的整机指标，因此，摄像机镜头的选择是否恰当既关系到系统质量，又关系到工程造价。,IR,：红外镜头,1/3,：镜头靶面,8mm,：镜头焦距,F1.2,：镜头光圈,镜头,镜头的分类,不同种类镜头的应用范围,主要性能指标,焦距的计算,主要内容,镜头的分类,以镜头安装分类,以摄像机镜头规格分类,以镜头光圈分类,以镜头的视场角大小分类,以镜头焦距分类,镜头安装类型有：,C,型和,CS,型；,两者螺纹部分相同，但两者从镜头到感光表面的距离不同。,C,安装座：从镜头安装基准面到焦点的距离是,17.526mm,。,CS,安装座：特种,C,安装，此时应将摄象机前部的垫圈取下再安装镜头。其镜头安装基准面到焦点的距离是,12.5mm,。如果要将一个,C,安装座镜头安装到一个,C S,安装座摄象机上时，则需要使用镜头转换器。,以镜头安装分类,以摄像机镜头规格分类,摄象机镜头规格有,1,”,，,2/3,”,，,1/2,”,，,1/3,”,，,1/4,”,；摄像机镜头规格应视摄象机的,CCD,尺寸而定，两者应相对应。*摄像机的,CCD,靶面大小为,1,2,英寸时，镜头应选,1,2,英寸。*摄像机的,CCD,靶面大小为,1,3,英寸时，镜头应选,1,3,英寸。*摄像机的,CCD,靶面大小为,1,4,英寸时，镜头应选,1,4,英寸。如果镜头尺寸与摄像机,CCD,靶面尺寸不一致时，观察角度将不符合设计要求，或者发生画面在焦点以外等问题。,以镜头光圈分类,镜头有手动光圈,(manual iris),和自动光圈,(auto iris),之分。,手动光圈镜头适合于亮度不变的应用场合,自动光圈镜头因亮度变更时其光圈亦作自动调整，故适用于亮度变化的场合,以镜头的视场角大小分类,标准镜头：视角,3 0,度左右，在,1,2,英寸,CCD,摄象机中，标准镜头焦距定为,12 mm,，在,1,3,英寸,CCD,摄像机中，标准镜头焦距定为,8 mm,。,广角镜头：视角,9 0,度以上，焦距可小于几毫米，可提供较宽广的视景。,远摄镜头：视角,2 0,度以内，焦距可达几米甚至几十米，此镜头可在远距离情况下将拍摄的物体影响放大，但使观察范围变小。,变倍镜头,(zoom lens),：也称为伸缩镜头，有手动变倍镜头和电动变倍镜头两类。,可变焦点镜头,(vari,focus lens),：它介于标准镜头与广角镜头之间，焦距连续可变，即可将远距离物体放大，同时又可提供一个宽广视景，使监视范围增加。变焦镜头可通过设置自动聚焦于最小焦距和最大焦距两个位置，但是从最小焦距到最大焦距之间的聚焦，则需通过手动聚焦实现。,针孔镜头：镜头直径几毫米，可隐蔽安装。,以镜头焦距分类,短焦距镜头：因入射角较宽，可提供一个较宽广的视野。,中焦距镜头：标准镜头，焦距的长度视,CCD,的尺寸而定。,长焦距镜头：因入射角较狭窄，故仅能提供狭窄视景，适用于长距离监视。,变焦距镜头：通常为电动式，可作广角、标准或远望等镜头使用。,不同种类镜头的应用范围,手动光圈镜头适用于光照条件相对稳定的条件下,自动光圈镜头适用于照明条件变化大的环境中,定焦距,(,光圈,),镜头，一般与电子快门摄像机配套，适用于监视某个固定目标,短焦距镜头主要用于环境照明条件差，监视范围要求宽的场合,长焦距镜头又称望远镜头，这类镜头的焦距一般在,150mm,以上，主要用于监视较远处的景物,电动变焦距镜头，可与任何,CCD,摄像机配套，在各种光线下均可使用，变焦距镜头是通过遥控装置来进行光对焦，光圈开度，改变焦距大小的。,主要性能指标,焦距,光圈系数,焦距,焦距的大小决定着视场角的大小，焦距数值小，视场角大，所观察的范围也大，但距离远的物体分辨不很清楚；焦距数值大，视场角小，观察范围小，只要焦距选择合适，即便距离很远的物体也可以看得清清楚楚。由于焦距和视场角是一一对应的，一个确定的焦距就意味着一个确定的视场角，所以在选择镜头焦距时，应该充分考虑是观测细节重要，还是有一个大的观测范围重要，如果要看细节，就选择长焦距镜头；如果看近距离大场面，就选择小焦距的广角镜头。,镜头焦距 搭配,1/3 CCD,搭配,1/4,CCD,3,.,6mm,85,73,4mm,80,67,6mm,68,56,8mm,45,35,12mm,35,25,16mm,30,20,镜头焦距与搭配的CCD拍摄视场角的对应关系,光圈系数,光圈英文名称为,Aperture,，用来控制透过镜头进入机身内感光面的光量，是镜头的一个极其重要的指标参数，通常在镜头内。它的大小决定着通过镜头进入感光元件的光线的多少。,光圈系数用,F,表示，以镜头焦距,f,和通光孔径,D,的比值来衡量。即,F=f/D,。每个镜头上都标有最大,F,值，例如,6mm,F1,4,代表最大孔径为,4,29,毫米。光通量与,F,值的平方成反比关系，,F,值越小，光通量越大。镜头上光圈指数序列的标值为,1.4,，,2,，,2.8,，,4,，,5.6,，,8,，,1 1,，,16,，,22,等，其规律是前一个标值时的曝光量正好是后一个标值对应曝光量的,2,倍。也就是说镜头的通光孔径分别是,1/1.4,，,1,2,，,1,2.8,，,1,4,，,1,5.6,，,1,8,，,1,11,，,1,16,，,1,22,，前一数值是后一数值的根号,2,倍，因此光圈指数越小，则通光孔径越大，成像靶面上的照度也就越大。,光圈的作用,1,、控制进光量,由于光圈控制镜头进光量的作用，在暗弱的光线下拍摄，需要使用大光圈镜头，以获得更多的光量；而在明亮的场合，则使用小光圈不至于曝光过度。总之，可以通过光圈的调节，达到准确曝光的目的。,2,、控制景深,光圈的作用除了控制进光量外，另外一个很重要的作用是控制拍摄画面的景深。光圈越大景深越小，光圈越小景深越大。,3,、控制像质,由于光学原理和制造成本的限制，摄影镜头在全开光圈时的像质并不是最佳的，通常在收缩光圈后，像质有明显的改善。,每个摄影镜头都有一个或者多个最佳光圈，在这些最佳光圈下，画面的质量达到最好，分辨率高、反差均衡等。,当已知被摄物体的大小及该物体到镜头的距离，则可根据下面的两式估算所选配镜头的焦距：,f=h*D/H,f=v*D/V,f,镜头的焦距,h,、,v,CCD,感光靶面的水平尺寸和垂直尺寸,D,镜头中心到被摄物体的距离,H,、,V,被摄物体的水平尺寸和垂直尺寸,焦距的计算,假设用,1/3 CCD,摄像头观测，,1/3 CCD,靶面尺寸为宽,4.8mmX,高,3.6mm,，被测物体宽,4400,毫米，高,3300,毫米，镜头焦点距物体,5000,毫米。由公式可以算出,:,焦距,f=4.8X5000/4400=5.5,毫米 或焦距,f=3.6X5000/3300=5.5,毫米,CCD,电荷耦合器件图像传感器,CCD,（,Charge Coupled Device,），它使用一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号。,CMOS,CMOS,(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor),，中文学名为互补金属氧化物半导体，主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体，使其在,CMOS,上共存着带,N,（带,-,电）和,P,（带,+,电）级的半导体，这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片纪录和解读成影像。,感光元器件,CCD,是一种特殊半导体器件，上面有很多一样的感光元件，每个感光元件叫一个像素。,CCD,在摄像机里是一个及其重要的部件，它起到将光,信号,转换成电信号的作用，类似于人的眼睛，因此其性能好坏,将,直接影响到摄像机的性能。,CCD,是摄像机的核心器件，目前,CCD,主要被索尼、松下、夏普等厂家垄断，,DSP,也基本掌握在国外知名厂家手中。,CCD,CCD,尺寸,一般来说，,CCD,尺寸越大，成像效果越好；成像尺寸越小的摄像机的体积可以做的更小些，在相同的光学镜头下，,CCD,成像尺寸越大，视场角越大。,CCD,尺寸,水平（,mm,）,垂直（,mm,）,对角线（,mm,）,1,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,如何辨别,CCD,芯片,上下两排接点,中间缺了个大门牙,这就是,SONY CCD,的特征,上下两排接点,没缺门牙,就是,SHARP CCD,的特征,一样没缺门牙,但线条较粗,这是松下,CCD,的特征,接点镀金色，中间也缺个门牙，但相对来说却稍微窄了点，这是韩国,A1 CCD,CMOS,图像传感器于,80,年代发明以来，由于当时,CMOS,工艺制程的技术不高，以致于传感器在应用中的杂讯较大，商品化进程一直较慢。时至今日，,CMOS,传感器的应用范围也开始非常的广泛，包括数码相机、,IP Camera,、影像电话、第三代手机、视讯会议、智能型保全系统、汽车倒车雷达、玩具，以及工业、医疗等用途。在低档产品方面，其画质已接近低档,CCD,的解析度，相关业者希望用,CMOS,器件取代,CCD,的努力正在逐渐明朗。,CMOS,传感器又可细分为：被动式像素传感器,CMOS,（,Passive Pixel Sensor CMOS,）与主动式像素传感器,CMOS,（,Active Pixel Sensor CMOS,）。,与,CCD,相比，,CMOS,具有体积小，耗电量不到,CCD,的,1/10,，售价也比,CCD,便宜,1/3,的优点。,与,CCD,产品相比，,CMOS,是标准工艺制程，可利用现有的半导体设备，不需额外的投资设备，且品质可随著半导体技术的提升而进步。同时，全球晶圆厂的,CMOS,生产线较多，日后量产时也有利于成本的降低。另外，,CMOS,传感器的最大优势，是它具有高度系统整合的条件。理论上，所有图像传感器所需的功能，例如垂直位移、水平位移暂存器、时序控制、,CDS,、,ADC,等，都可放在集成在一颗晶片上，甚至于所有的晶片包括后端晶片（,Back-end Chip,）、快闪记忆体（,Flash RAM,）等也可整合成单晶片（,SYSTEM-ON-CHIP,），以达到降低整机生产成本的目的。,CMOS,CCD CMOS,全称,价格,噪声,信噪比,耗电量,影响锐利度,动态范围,发展趋势,传输速率,色彩,电荷耦合器件,高,低,高,高,高,高,技术比较稳定,信号读出速度慢,色彩还原较好,互补金属氧化物半导体,低,高,低,低,一般,一般,生产厂家众多，技术不断有突破性进展,信号读出速度快,一般,CCD与CMOS的对比,CCD,与,CMOS,的技术特点,CCD,与,CMOS,的技术特点主要在于成像过程，集成度，电源功耗和体积，性能指标等方面。,成像过程,集成度,电源功耗和体积,性能指标,成像过程,CCD,和,CMOS,使用相同的光敏材料，因而受光后产生电子的基本原理相同，但是读取过程不同：,CCD,是在同步信号和时钟信号的配合下以帧或行的方式转移，整个电路非常复杂，读出速率慢；,CMOS,则以类似,DRAM,的方式读出信号，电路简单，读出速率高。,集成度,CCD,集成度较复杂，,CMOS,较简单，多数,CMOS,图像传感器同时具有模拟与模数字输出信号。,电源功耗和体积,CCD,需多种电源供电，功耗大，体积大；,CMOS,只需一个单电源，功耗低，体积小。,性能指标,CCD,技术已相当成熟，目前高端,CMOS,图像质量暂时不如,CCD,，但有些指标已超过,CCD,。,业界共识：,CMOS,更适合网络高清摄像机的要求,模拟监控,CCD,称王，高清监控,CMOS,后来居上,总结：,按摄像机形状分：枪机、球机、针孔机,按感光芯片分：CCD摄像机、CMOS摄像机,按输出图像信号格式划分:模拟摄像机、数字摄像机,按成像色彩划分：彩色、黑白,按分辨率划分：330TVL、420TVL、480TVL、540TVL、Mega pixels,按灵敏度划分：普通、月光、星光、红外照明,按感光元件靶面大小划分：1inch、2/3inch、1/2inch、1/3inch、1/4inch,摄像机分类,色彩,清晰度,照度,自动增益控制（AGC）,白平衡（AWB）,电子快门,背光补偿,宽动态,信噪比,摄像机主要技术参数,监控摄像机有黑白和彩色两种，通常黑白监控摄像机的水平清晰度比彩色监控摄像机高，且黑白监控摄像机比彩色监控摄像机灵敏，更适用于光线不足的地方和夜间灯光较暗的场所。黑白监控摄像机的价格比彩色便宜。但彩色的图像容易分辨衣物与场景的颜色，便于及时获取、区分现场的实时信息。,色彩,分为水平清晰度和垂直清晰度两种。垂直方向的清晰度受到电视制式的限制，有一个最高的限度，由于我国电视信号均为,PAL,制式，,PAL,制垂直清晰度为,400,行。所以摄像机的清晰度一般是用水平清晰度表示。水平清晰度表示人眼对电视图像水平细节清晰度的量度，用电视线,TVL,表示。过去选用黑白监控摄像机的水平清晰度一般应要求大于,500,线，彩色监控摄像机的水平清晰度一般应要求大于,400,线。目前，高清监控摄像机已经达到五百万像素。,清晰度,单位被照面积上接受到的光通量称为照度。,Lux(,勒克斯,),是标称光亮度,(,流明,),的光束均匀射在1,m2,面积上时的照度。实际上被摄体的照度应该大约是最低照度的,10,倍以上才能获得较清晰的图像。目前一般选用黑白监控摄像机的最低照度，当相对孔径为,F,1.4,时，最低照度要求选用小于,0.1Lux;,选用彩色监控摄像机的最低照度，当相对孔径为,F,1.4,时，最低照度要求选用小于,0.2Lux,。,照度,夏日阳光下,10000-,100000,0,Lux,阴天,100-,10000Lux,办公室,300-500,Lux,黎明黄昏,1-10Lux,满月之夜,0.1-1Lux,多云之夜,0.01-0.1Lux,晴天时星光下,0.001-0.01Lux,阴天时星光下,0.0001-0.001Lux,环境照度参考：,所有摄像机都有一个将来自,CCD,的信号放大到可以使用水准的视频放大器，其放大量即增益，等效于有较高的灵敏度，可使其在微光下灵敏，然而在亮光照的环境中放大器将过载，使视频信号畸变。为此，需利用摄像机的自动增益控制（,AGC,）电路去探测视频信号的电平，适时地开关,AGC,，从而使摄像机能够在较大的光照范围内工作，此即动态范围，即在低照度时自动增加摄像机的灵敏度，从而提高图像信号的强度来获得清晰的图像。,自动增益控制（,AGC,）,白平衡只用于彩色摄像机，其用途是实现摄像机图像能精确反映景物状况，有手动白平衡和自动白平衡两种方式。,白平衡（,AWB,）,上图中中间的图像彩色还原是正常的，而右侧的图像明显偏蓝，左侧图像则偏红，因此左侧及右侧的图像都为白平衡不正常的图像。,在,CCD,摄像机内，是用光学电控影像表面的电荷积累时间来操纵快门。电子快门控制摄像机,CCD,的累积时间，当电子快门关闭时，对,NTSC,摄像机，其,CCD,累积时间为,1/60,秒；对于,PAL,摄像机，则为,1/50,秒。当摄像机的电子快门打开时，对于,NTSC,摄像机，其电子快门以,261,步覆盖从,1/60,秒到,1/10000,秒的范围；对于,PAL,型摄像机，其电子快门则以,311,步覆盖从,1/50,秒到,1/10000,秒的范围。当电子快门速度增加时，在每个视频场允许的时间内，聚焦在,CCD,上的光减少，结果将降低摄像机的灵敏度，然而，较高的快门速度对于观察运动图像会产生一个,停顿动作,效应，这将大大地增加摄像机的动态分辨率。,电子快门,通常，摄像机的,AGC,工作点是通过对整个视场的内容作平均来确定的，但如果视场中包含一个很亮的背景区域和一个很暗的前景目标，则此时确定的,AGC,工作点有可能对于前景目标是不够合适的，背景光补偿有可能改善前景目标显示状况。当背景光补偿为开启时，摄像机仅对整个视场的一个子区域求平均来确定其,AGC,工作点，此时如果前景目标位于该子区域内时，则前景目标的可视性有望改善。,背光补偿,宽动态技术是在非常强烈的对比下让摄像机看到影像的特色而运用的一种技术。解决方法就是用一颗,CCD,，但是上面的每一点在单一时间内曝光两次，一次长曝光,(,低快门,),，一次短曝光,(,高快门,),，所以每一点都有两个数据输出，就叫”双输出,CCD”,，正因为每点有两个数据输出，总资料量就比一般,CCD,多了一倍，因此传输的速度得大上一倍才能把资料搬出来，所以又叫”双速,CCD(Double Speed CCD),。就这样了,!,双输出,CCD,扔出一个长曝光及短曝光的讯号给,DSP,，,DSP,去运算再加总，所谓”宽动态摄像机”就出来了。,宽动态,普通摄像机效果图,背光补偿摄像机效果图,宽动态摄像机效果图,信噪比,图象的信噪比应该等于信号与噪声的功率谱之比，但通常功率谱难以计算，有一种方法可以近似估计图象信噪比，即信号与噪声的方差之比。典型值为,48db,，若为,50db,，则图像有少量噪声，但图像质量良好；若为,60db,，则图像质量优良，不出现噪声。,大于,50dB,，没有噪点,小于,48dB,，较大噪点,谢谢 Thank you,