CCD基本常識和攝像機方案

1、CCD 基本知識和攝像機方案我國安防行業(yè)是隨著社會主義市場經(jīng)濟的發(fā)展而逐步成長起來的， 改革開放 以來，在國民經(jīng)濟迅速發(fā)展， 人民生活水平日益提高的推動下， 安防行業(yè)呈現(xiàn)了 一個蓬勃發(fā)展的勢頭?？偨Y(jié)回顧我國安全技術(shù)防范行業(yè)（簡稱安防行業(yè)） 的發(fā)展 歷程，將其分為三個階段：1979-1983 年為起步階段；1984-1996 年為發(fā)展階段；1997 年后為提高階段，即探索安全技術(shù)防范的發(fā)展規(guī)律和方向的階段。 近兩年來，安防行業(yè)又有了進一步的發(fā)展。積極探討安防行業(yè)的發(fā)展問題， 對于維護社會治安穩(wěn)定，促進經(jīng)濟的繁榮， 保障人民生活的幸福， 具有非常重要 而深遠的意義。目前安防行業(yè)的應(yīng)用已由重要單位、

2、 要害部門的防范發(fā)展到商業(yè)、 學(xué)校、社區(qū)、家庭等社會面的全面防范。從事安防工作的人員 （包括技術(shù)人員，營銷人員和與安防有關(guān)的人員）不但 要了解我國安防行業(yè)的發(fā)展歷程， 安防行業(yè)的應(yīng)用范圍， 還要了解安防行業(yè)的發(fā) 展現(xiàn)狀， 能夠?qū)ξ磥砗涂沙掷m(xù)發(fā)展有個預(yù)測。 就目前的安防行業(yè)來看， 燃眉之急 還是技術(shù)水平普及， 在研發(fā)人員技術(shù)水平提高的同時， 不能忽略了對其他人員的 技術(shù)知識的普及，只有彼此都提高， 互相促進， 這樣才能較好地推動整個安防行 業(yè)的發(fā)展。 本文主要是對一般技術(shù)、營銷人員， 關(guān)于攝像機內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能的知 識普及。一、攝像機方案首先我們來了解攝像機方案，攝像機方案簡單說就是指DSF和CC

3、D勺搭配（根據(jù)DSP勺型號和高解或低解的CCD搭配）。1、攝像機的結(jié)構(gòu)Composite V deoCCTV Camera block diagram圖中的每個部分就是一個零器件，組合起來就是一個整體，一個可用的“機 器”，也就是一個“方案”。下面解析各個部分的功能：CCD CCD（ChargeCoupled Devices）電荷耦合器件。CCD就相當(dāng)與人的眼睛， 它的主要工作就是把光影像轉(zhuǎn)成電子信號。CCE上有感光點，每一點就像一顆太 陽能電池，被光照到后會產(chǎn)生電能，依照光的照度不同，會產(chǎn)生不同的電能。V-Driver : CCD里頭每一點被光照到產(chǎn)生電能，那如何取出來？就是靠這顆 V-DR

4、IVER它會產(chǎn)生不同的脈波，把CCD每點的訊號“打”出來。我們通常說是 CCD的驅(qū)動。CDS/AGC CCD出來的訊號,在這顆晶片內(nèi)做處理后，送進 DSP（數(shù)字信號處 理器）。DSP DSP是 Digital Signal Processor的縮寫，也就是數(shù)字信號處理器，主要針對算法運算而產(chǎn)生的一種 MCU不只是在攝像機設(shè)計中用到 DSP現(xiàn)在好 多行業(yè)都用到DSP特別是在算法方面，DSP的應(yīng)用是相當(dāng)廣的，是比較流行的 MCU從DS/AGC出來的模擬信號傳送到 DSP進行處理，順便說一下，DSP是數(shù)字 信號處理器，怎么能處理模擬信號呢？因為DSP內(nèi)部有一個A/D Converter （模數(shù)轉(zhuǎn)換器

5、）把模擬轉(zhuǎn)換成數(shù)字后再進行運算，在攝像機中主要是進行顏色，亮度, 白平衡等運算。運算后又把信號轉(zhuǎn)換成模擬信號輸出，也就是視頻輸出了。T.G :控制整個處理過程快慢用的，一般都包含在DSP里的，就不多說了。以上部分再加上鏡頭，就是整個攝像機了。2、主流方案了解了攝像機結(jié)構(gòu)后，現(xiàn)在來講攝像機的方案，方案主要是針對DSP來說的, 把DSF和CCD搭配起來就是我們所說的方案了，目前攝像機市場上應(yīng)用比較多， 占主流地位的是SONY和SHARPS產(chǎn)的DSP SON主要有以下幾種方案：(1) SS-1 ； CXD2163BRSONY公司推出這顆DSP之前已推出了 CXD2163當(dāng) 初把CXD216：這個方案

6、叫做 SS-1,用CXD2163做出來 的機子一直有問題，所以不久就推出CXD2163BR用來 代替CXD2163方案人們也一直叫做 SS-1。SS-1可接高解CCDICX408AK超低照度ICX258AK (NTSC 和 ICX409AK/超低照度 ICX259AK( PAL)，還可以接低解 CC( ICX404AK (NTSC和ICX405AK(PAL)(注意：以上CCD尺寸是1/3，還有好多型號的CCD 沒有列出，可參考有關(guān)方面的書籍) 這顆DSP能夠做到電源同步(電源同步一一 也稱之為線性鎖定或行鎖定，是利用攝像機的交流電源來完成垂直推動同步，即 攝像機和電源零線同步)。所以現(xiàn)在好多廠

7、家都在用來做高解的機子。(2) SS-11 ； CXD3141 或 CXD3142這顆DSP是 1999年推出的，這款DSP只能接低解 的CCD 3142比3141多了鏡像功能，如果SS-11也做 到電源同步，就會產(chǎn)生很大的噪訊。所以目前還沒做 成電源同步，SONY!前420線的機子幾乎就是這個方 案。(3) SS-HQ1 ; CXD3172AR這顆DSP是 SONY200年推出的，就是520線機子 用的DSP 3172目前的技術(shù)還不是特別成熟，存在許 多問題，其中發(fā)熱太大，發(fā)熱量比其他 DSF大好多， 致使一些工程師并不喜歡用。SS-HQ1能接高低解的 CCD而且電源也能做到同步，總體上還是

8、比SS-1好,就是發(fā)熱問題還沒解決。(4) SS-11X ； CXD4103R這顆DSF是 2005年推出的，是SONYI前最新的DSF 它解決了 SS-HQ1的發(fā)熱問題，但是電源同步時噪訊大。 可接高低解的CCD(5) SHARP 38603ASHARP公司目前有D4（38603A），D5也馬上出來了（ 38627）接SHARI低解CCD被業(yè)內(nèi)人士作為低檔機使用，最近又出了 D5（ 38627）。聽說效果可以跟SONYS美，除了 SONY SHARPS,還有松下，韓國的NEXTCH，臺灣的A-NOVA ADPXXXX。其中韓國 NEXTCHI公司推出的 DSP主要接SHARP低解或SONY5

9、解CCD二 CCD 信號處理和辨別方法。介紹CCD言號處理和怎么去辨別 CCD之前，我們簡單介紹CCD CCD（Charge Coupled Devices）電荷耦合器件。CCD是 20世紀70年代初發(fā)展起來的新型半導(dǎo) 體集成光電器件。由于CCD器件具有諸多優(yōu)點：靈敏度高、光譜響應(yīng)寬、動態(tài)范 圍大、空間自掃描，抗震動、抗磁場、體積小、無殘影等，CCD能夠?qū)⒐饩€變?yōu)殡姾刹⒖蓪㈦姾蓛Υ婕稗D(zhuǎn)移， 也可將儲存之電荷取出使電壓發(fā)生變化， 因此是理 想的攝像元件,是代替攝像管傳感器的新型器件。近 30年來，CCD從當(dāng)時的20 萬像素發(fā)展到目前的500 800萬像素，CCD器件及其應(yīng)用技術(shù)的研究取得了驚 人

10、的進展,特別是近幾年來， 在消費領(lǐng)域,圖像傳感和非接觸測量領(lǐng)域中的應(yīng)用發(fā) 展速度更快。目前，CCD應(yīng)用技術(shù)已成為集光學(xué)、電子學(xué)、精密機械及微計算機為一體的 綜合性技術(shù)，在現(xiàn)代光子學(xué)、光電檢測技術(shù)和現(xiàn)代測量技術(shù)中成果累累。隨著 CCD技術(shù)的迅猛發(fā)展，針對CCD信號的采集及采集之后的信號如何與計算機進行 信息通信就成為CCD用的一個重要問題，而能夠針對CCD每一個像素進行高速 采集并實時地傳輸給計算機處理，將會大大的提高采集到的CCD信號的精度并解 決實時處理的問題，這在 CCD言號采集和處理領(lǐng)域都將有非常廣闊的前景。目前我們就用DSP乍為MCU寸CCDS信號進行采集和處理。DSP內(nèi)置高速的 AD

11、轉(zhuǎn)換器，用于采集CCD勺信號，DSP有先進先出的存儲器（FIFO）作為數(shù)據(jù)高 速緩沖區(qū)，用于存儲AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，把采集的數(shù)據(jù)進行運算（這里主要是顏色， 亮度, 白平衡） ，運算后把信號轉(zhuǎn)換成模擬再輸出 , 其中攝物體的圖像經(jīng)過鏡頭聚 焦至CCD芯片上，CCD根據(jù)光的強弱積累相應(yīng)比例的電荷,經(jīng)周期性放電，產(chǎn)生 表示一幅幅畫面的電信號 , 各個像素積累的電荷在視頻時序的控制下， 逐點外移， 經(jīng)濾波、 放大處理后， 形成視頻信號輸出。 視頻信號連接到監(jiān)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視頻圖像。 這個標準的視頻信號同家用的 錄像機、VCC機、家用攝像機的視頻輸出是一樣的，所以也可

12、以錄像或接到電視 機上觀看。另外CCD部分需要個驅(qū)動,為CCDT作提供“能量”，視頻信號要經(jīng)過 放大再輸出,經(jīng)過DSP的軟件和硬件相結(jié)合對整個系統(tǒng)控制。在CCD勺廣闊發(fā)展前景下，市場上就難免出現(xiàn)“假貨”，把SHARP勺說成是SONY勺，或把松下的說成是SONY勺，這樣不但價格上受騙，效果上也就成了 SHARP 的或松下的了，這里介紹個簡單好用的方法去辨別SONY和SHAR啲CCD價格上當(dāng)然是SONY貴好多，畢竟SONY勺CCE是目前攝像效果最好的，我們看CCD勺 外表就可以辨別出是那家生產(chǎn)的，如圖：注意看兩個CCD勺表面，上下兩排金屬的接點，其中一個中間少了兩個門牙（左邊），另外一個沒缺（右邊

13、），缺門牙是SONY勺特征（其中少兩個門牙的是1/3 SONY,少一個門牙的是1/4 SONY），沒缺門牙的是 SHARP勺CCD另外，松下的也沒有缺門牙，只是金屬線條比 SHARI粗，在SONY和SHARP 攝像機的大潮下，認準了 CCD勺外型就不會把兩種機子混淆。三.紅外線和 CCD上面已簡單介紹了 CCD勺一些知識，現(xiàn)在來說說CC環(huán)口紅外線。CCD為什么 能看到紅外線？回答就是 CCD本來就可以看到紅外線，它本來就對紅外光有感 應(yīng)，可以拿個黑白攝像機，關(guān)掉電燈，拿紅外燈一照，影像就會出來，那么彩色 的CCD能否看到紅外線呢？答案是肯定的， 彩色也可以看到紅外線，就是感應(yīng)到 了紅外，會對D

14、SP處理信號時有干擾，導(dǎo)致圖像顯示不正常（偏色），因此要想 辦法讓彩色的CCD不接受紅外線，所以就在CCDh加了濾光片。濾光片的穿透一般是380nm645nm剛好是可見光的范圍，波長在這個范圍 外的光就不能穿透，只有可見光能進來。大于650nm就進入紅外光范圍了，小于 380nm就是紫外光的范圍了，這樣濾光片就使 CCD感覺到紅外光大大減少，這樣 彩色CCD就感應(yīng)不到紅外光，DSP不會被干擾，圖像顯示就不會“偏色”黑白本黑白的為什么就沒加濾光片呢？圖像顯示不會干擾嗎？原因很簡單，來就沒有顏色，沒必要加濾光片，DSP也不會遭到干擾日夜型紅外彩色攝像機就是這個原理， 白天有光線時就用彩色的， 晚上

15、沒有 光線時就把CCDh頭的濾光片“拿掉”，再加上紅外燈?，F(xiàn)在有普通型和感紅外 的濾光片，用普通型的濾光片蓋住 CCD勺情況下在晚上是看不到圖像的， 感紅外 的濾光片可以感應(yīng)一定范圍的紅外光， 在晚上就可以看到圖像， 當(dāng)然在晚上效果 不比黑白機的效果好， 畢竟濾光片濾去了部分紅外光。 目前日夜型的攝像機用感 紅外的濾光片，使白天是彩色的，晚上也能看到圖像。另外，由于使用了可以感應(yīng)一定范圍紅外光的濾光片， 白天的圖像就一定會 有些偏色。四溫度對 CCD 的影響攝像機工作時，都會產(chǎn)生溫度，當(dāng)溫度過高時，就會影響到 CCD畫面開始 就發(fā)白了，看起來白蒙蒙這是因為CCDS熱，暗電流增加,白底上浮的原因

16、。溫度 再高，CCD就會燒壞。應(yīng)該做好溫度控制工作，在有 LED燈板時，最好用恒流設(shè) 計，控制好LED的電流，既能延長LED的壽命，又能控制好溫度。由于LED是正溫度系數(shù),也就是溫度越高電流越大,電流越大溫度就越高。當(dāng) 然功率大的LED能打的距離就遠，但電流也會變大，相應(yīng)的溫度會升高，所以在 設(shè)計完整的機子時要充分考慮相互之間的關(guān)系。五 CCD 的尺寸CCD的尺寸也即攝像機靶面。目前采用的芯片大多數(shù)為 1/3 ”和1/4 ”。在 對攝像角度有比較嚴格要求的時候，CCD靶面的大小，CCD與鏡頭的配合情況將 直接影響視場角的大小和圖像的清晰度。在相同的光學(xué)鏡頭下，成像尺寸越大， 視場角越大。1英寸

17、尺寸為寬12.7mm高 9.6mm，對角線16mm2/3英寸 尺寸為寬8.8mm高 6.6mm對角線11mm1/2英寸 尺寸為寬 6.4mm*高 4.8mm 對角線8mm1/3英寸尺寸為寬 4.8mm高3.6mm 對角線6mm1/4英寸尺寸為寬 3.2mm高2.4mm 對角線4mm六、 水平分辨率分辨率是用電視線（簡稱 TV Lines ）來表示的。彩色攝像機的典型分辨率 是在 320到 520電視線之間，主要有 330線、380 線、420線、480線、520線等 不同檔次。分辨率與CCD和鏡頭有關(guān)，還與攝像頭電路通道的頻帶寬度直接相關(guān)，通常規(guī)律是1MHZ的頻帶寬度相當(dāng)于清晰度為80線。頻帶

18、越寬，圖像越清晰，線數(shù) 值相對越大。七掃描制式根據(jù)各國供電所采用的頻率不同，有 PAL制和NTSC制之分。歐洲和我國都 采用PAL制，日本等國采用NTSC制式。50hz: PAL制，隔行掃描（PAL制式（黑白為 CCIR,標準為625行，50 場。60hz： NTSC制式，525行，60 場（黑白為 EIR）。八信噪比當(dāng)攝像機攝取較亮場景時， 監(jiān)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；而取較暗場景時， 監(jiān)視器顯示的畫面就比較昏暗， 觀察者 很容易看到畫面中雪花狀的干擾噪點。 干擾噪點的強弱與攝像機的信噪比指標有 直接關(guān)系，即信噪比越高，干擾噪點對畫面的影響就越小。信噪比

19、是信號電壓與噪聲電壓的比值， 通常用符號S/N來表示。在一般情況 下，信號電壓遠高于噪聲電壓，比值非常大，信噪比的單位用 db 來表示。一般 攝像機給出的信噪比值均是在 AGC（自動增益控制）關(guān)閉時的值，因為當(dāng) AGC接 通時，會對小信號進行提升，使得噪聲電平也相應(yīng)提高。信噪比的典型值為4555db,若為50db,則圖像有少量噪聲，但圖像質(zhì)量良 好；若為60db,則圖像質(zhì)量優(yōu)良，不出現(xiàn)噪聲 一般都是根據(jù)需求來調(diào) AGC使 得到滿意的結(jié)果，AGC也是有限度的，不是想怎么調(diào)就怎么調(diào)。九同步方式對單臺攝像機而言，主要的同步方式有下列三種： 內(nèi)同步利用攝像機內(nèi)部的晶體振蕩電路產(chǎn)生同步信號來完成操作。

20、外同步利用一個外同步信號發(fā)生器產(chǎn)生的同步信號送到攝像機的外同 步輸入端來實現(xiàn)同步。電源同步也稱之為線性鎖定或行鎖定， 是利用攝像機的交流電源來完成 垂直推動同步，即攝像機和電源零線同步。十?dāng)z像機在工程中的應(yīng)用負責(zé)采集視頻圖像的攝像機一直是監(jiān)控中最重要的組成部分 , 攝像機目前應(yīng) 用比較廣泛 ,比如交通運輸 ,娛樂場所,網(wǎng)吧,政府部門等。在工程應(yīng)用中選擇怎么 樣的攝像機是很重要的 , 既有好的效果 , 又節(jié)省資金。 目前攝像機種類繁多， 根據(jù) 不同劃分叫法又不一樣，比如按色彩劃分有彩色 CCD攝像機，黑白CCD攝像機； 按功能有日夜兩用型CCD攝像機；按照度劃分有普通照度攝像機，超低照度攝像 機

21、；按外觀劃分有半球攝像機，槍機攝像機，一體化攝像機；監(jiān)控范圍的角度有 有固定點攝像機，勻速球型攝像機和高速球型攝像機等。具體選擇用那種攝像機， 那就要根據(jù)實際情況和個人喜歡去選擇用哪種類型 的攝像機，并沒有限定。 比如彩色攝像機適用于景物細部辨別， 如辨別衣著或景 物的顏色。黑白攝像機適用于光線不充足地區(qū)及夜間無法安裝照明設(shè)備的地區(qū)， 在僅監(jiān)視景物的位置或移動時，可選用黑白攝像機?，F(xiàn)在我們按監(jiān)控范圍的角度劃分去選擇攝像機作為例子。 它們各有優(yōu)勢， 固 定點攝像機是指攝像機安裝方式固定，不能轉(zhuǎn)動，不能控制， 優(yōu)勢就是它可以長 期監(jiān)視一個地點，適合用于比如高速公路途中監(jiān)控，收費站出入口，樓道，公交

22、 車上及各種入口等固定的場所。 勻速球型攝像機是指在球型防護罩里面內(nèi)置云臺 和解碼器，攝像機可以勻速低速的轉(zhuǎn)動 ,可以水平 360上下 90°轉(zhuǎn)動，優(yōu)勢就是 監(jiān)控的范圍較大，適合用于高速公路路口、廣場、收費站全場，商場等需大范圍 監(jiān)視的場所。高速球型攝像機也是在球型防護罩里面內(nèi)置高性能云臺和解碼器， 攝像機可以高速轉(zhuǎn)動，可以達到 0.1 ° - 360°/ 秒高速轉(zhuǎn)動，可以迅速的移動和 定位到需要監(jiān)視的場所，這種攝像機現(xiàn)在被大量用于高速公路、城市路口監(jiān)控、 收費站廣場等場所。在選擇攝像機要注意以下幾個重要的技術(shù)指標：1、清晰度清晰度是一個攝像機的最重要指標， 在監(jiān)

23、控系統(tǒng)中對圖像的清晰度有很高的 要求，如在交通監(jiān)控中 , 對車輛要能看清車牌號碼，對行人要能看清臉部特征， 如果這些都看不清楚，那么監(jiān)控將失去意義。線數(shù)的多少決定著清晰度 , 線數(shù)越 高看到的圖像也就越清晰，與CCD芯片及尺寸也是有一定關(guān)系的。高速球型攝像 機一定要達到 480 線清晰度才能滿足要求。在普通的商場 , 酒店, 學(xué)校等一般用 420 線的清晰度就能達到要求。2、最低照度攝像機的最低照度是指當(dāng)被拍攝物體的光亮度降低到一定程度時， 攝像機輸 出的視頻信號仍能清晰可見。 如果是在戶外,需要24小時監(jiān)控,在夜晚光線很暗， 通常要求攝像機的最低照度要達到 0.01LUX。比如在交通監(jiān)控中。目前解決攝像 機低照度問題,主要是采用超感度CCD（即EXview HADCCD ,這種超感度