攝像機(jī)原理、應(yīng)用、主要功能

1、攝像機(jī)基礎(chǔ)培訓(xùn)（一）前言CCTV系統(tǒng)的四大部分：前端部分（攝像機(jī)、鏡頭、云臺(tái)、解碼器、防護(hù)罩、支架等）、傳輸部分（同軸電纜、光纖、電話線、網(wǎng)線、無線等）、中心控制部分（矩陣主機(jī)、控制鍵盤、多媒體等）、顯示記錄部分（監(jiān)視器、畫面分割器、畫面處理器、錄像機(jī)等）。電視監(jiān)控用攝像機(jī)按攝像器件劃分為電真空攝像器件（即攝像管）攝像機(jī)和固體攝像器件（CCD器件、CMOS器件）攝像機(jī)兩大類。電真空攝像管開發(fā)早、種類多，但成本高，體積大。目前已被一般電視監(jiān)控系統(tǒng)選用的固體攝像器件所代替，后者是近年發(fā)展起來的一類新型攝像器件，它的優(yōu)點(diǎn)是：惰性小、靈敏度高、抗強(qiáng)光照射、幾何失真小、均勻性好；抗沖振，沒有微音效應(yīng)；小

2、而輕、壽命長。電視監(jiān)控用攝像機(jī)目前正朝著小型化、輕量化、廉價(jià)化，并提高圖像質(zhì)量、增加操作功能的方向發(fā)展。CMOS攝像機(jī)CMOS傳感器的感光度一般在6到15Lux的范圍內(nèi)，CMOS傳感器有固定比CCD傳感器高10倍的噪音，固定的圖案噪音始終停留在屏幕上好像那就是一個(gè)圖案，因?yàn)镃MOS傳感器在10Lux以下基本沒用，因此大量應(yīng)用的所有攝像機(jī)都是用了CCD傳感器，CMOS傳感器一般用于非常低端的家庭安全萬面。但有2個(gè)例外，CMOS傳感器可以做得非常大并有和CCD傳感器同樣的感光度，CMOS傳感器非?？焖?，比CCD傳感器要快10到100倍，因此非常適用于特殊應(yīng)用如highensDSCcamera（Ca

3、nnonD-30）或者高幀攝像機(jī)。CMOS傳感器可以將所有邏輯和控制器都放在同一個(gè)硅芯片塊上，可以使攝像機(jī)變得簡單并易于攜帶，因此CMOS攝像機(jī)可以做得非常小。CMOS攝像機(jī)盡管耗能與CCD攝像機(jī)同等或者略高，但是CMOS傳感器使用很少的芯片如CDS、TG和DSP,所以同樣尺寸的總能量消耗比CCD攝像機(jī)減少了1/2到1/4。盡管CCD表示“電荷耦合器件”，而CMOS表示“互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體”，但是不論CCD或者CMOS對(duì)于圖像感應(yīng)都沒有用，真正感應(yīng)的傳感器稱做“圖像半導(dǎo)體”，CCD傳感器和CMOS傳感器（暫且如此稱呼）實(shí)際使用的都是同一種傳感器“圖像半導(dǎo)體”，圖像半導(dǎo)體是一個(gè)PN結(jié)合半導(dǎo)體，

4、能夠轉(zhuǎn)換光線的光子爆炸結(jié)合處成為成比例數(shù)量的電子。電子的數(shù)量被計(jì)算信號(hào)的電壓，光線進(jìn)入圖像半導(dǎo)體得越多，電子產(chǎn)生的也越多，從傳感器輸出的電壓也越高。CCD稱為“電荷耦合器件”，CCD實(shí)際上只是一個(gè)把從圖像半導(dǎo)體中出來的電子有組織地儲(chǔ)存起來的方法。CMOS稱為“互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體"，CMOS實(shí)際上只是將晶體管放在硅塊上的技術(shù)，沒有更多白含義。傳感器被稱為CMOS傳感器只是為了區(qū)別于CCD傳感器，與傳感器處理影像的真正方法無關(guān)。CMOS傳感器不需要復(fù)雜的處理過程，直接將圖像半導(dǎo)體產(chǎn)生的電子轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)，因此就非?？臁＿@個(gè)優(yōu)點(diǎn)使得CMOS傳感器對(duì)于高幀攝像機(jī)非常有用，高幀速度能達(dá)到40

5、0到2000幀/秒。CCD耦合攝像機(jī)一、耦合式攝像機(jī)現(xiàn)有技術(shù)及原理無論彩色攝像機(jī)還是黑白攝像機(jī)，都是通過CCD本身的電子掃描將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，其光電轉(zhuǎn)變的器件都是采用了CCD器件，CCD是電耦合器件（ChargeCoupleDevice）的簡稱，因此也稱為耦合攝像機(jī)。它是通過采用HYPERHAD（HOLEACCUMU-LATEDDIODE,空穴累積二極管）CCD技術(shù)。當(dāng)被攝物體反射光線，傳播到鏡頭，經(jīng)鏡頭聚焦到CCD芯片上，CCD根據(jù)光的強(qiáng)弱積聚相應(yīng)的電荷，經(jīng)周期性放電，產(chǎn)生表示一幅幅畫面的電信號(hào)，經(jīng)過濾波、放大、整形、DSP（數(shù)字信號(hào)處理）等一系列處理，通過攝像頭的輸出端子輸出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的

6、復(fù)合視頻信號(hào)。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的視頻信號(hào)同家用的錄像機(jī)、VCD機(jī)、家用攝像機(jī)的視頻輸出是一樣的，所以也可以錄像或接到電視機(jī)上觀看。耦合攝像機(jī)的主要傳感部件是CCD,它具有靈敏度高、畸變小、壽命長、抗震動(dòng)、抗磁場、體積小、無殘影等特點(diǎn)，它能夠?qū)⒐饩€變?yōu)殡姾刹⒖蓪㈦姾蓛?chǔ)存及轉(zhuǎn)移，也可將儲(chǔ)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。二、耦合攝像機(jī)的現(xiàn)有技術(shù)目前彩色攝像機(jī)和黑白攝像機(jī)技術(shù)以日本的SONY公司生產(chǎn)的芯片最為領(lǐng)先。其他的芯片生產(chǎn)商有日本的SHARP>PANASONIC、韓國LG、SAMAUNG等。A、DSP技術(shù)所謂數(shù)字機(jī)是指在攝像機(jī)內(nèi)圖像信號(hào)處理上采用數(shù)字

7、技術(shù)（DSP）。新型攝象機(jī)對(duì)可選參數(shù)的調(diào)整采用數(shù)字式調(diào)整控制，。此時(shí)不必手動(dòng)調(diào)節(jié)電位計(jì)而是采用輔助控制碼，而且這些調(diào)整參數(shù)被儲(chǔ)存在數(shù)字記憶單元中，增加了穩(wěn)定性和可靠性。它是在模擬制式的基礎(chǔ)上引入部分?jǐn)?shù)字化處理技術(shù)，稱為數(shù)字信號(hào)處理DSP（DIGITALSIGNALPROCESSOR）攝象機(jī)。該種攝象機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、由于采用了數(shù)字檢測和數(shù)字運(yùn)算技術(shù)而具有智能化背景光補(bǔ)償功能。常規(guī)攝象機(jī)要求被攝景物置于畫面中央并要占據(jù)較大的面積方能有較好的背景光補(bǔ)償，否則過亮的背景光可能會(huì)降低圖像中心的透明度。而DSP攝象機(jī)是將一個(gè)畫面劃分成48個(gè)小處理區(qū)域來有效地檢測目標(biāo)，這樣即使是很小的、很薄的或不在畫面

8、中心區(qū)域的景物均能清楚地呈現(xiàn)。2、由于DSP技術(shù)而能自動(dòng)跟蹤白平衡，即可以在任何條件檢測和跟蹤“白色”，并以數(shù)字運(yùn)算處理功能來再現(xiàn)原始的色彩。傳統(tǒng)的攝象機(jī)因系對(duì)畫面上的全部色彩作平均處理，這樣如果彩色物體在畫面上占據(jù)很大面積，那么彩色重現(xiàn)將不平衡，也就是不能重現(xiàn)原始色彩。DSP攝象機(jī)是將一個(gè)畫面分成48個(gè)小處理區(qū)域，這樣就能夠有效地檢測白色，即使畫面上只有很小的一塊白色，該攝象機(jī)也能跟蹤它從而再現(xiàn)出原始的色彩。在拍攝網(wǎng)格狀物體時(shí)，可將由攝象機(jī)彩色噪聲引起的圖像混疊減至最少。3、由于數(shù)字信號(hào)具有頻譜效率高、抗干擾能力強(qiáng)、失真少等，便于直接產(chǎn)生數(shù)字圖像信號(hào)，所以數(shù)字輸出的攝像機(jī)己普通使用。目前CC

9、D攝像機(jī)己處于成熟期，靈敏度、圖像分辨率、圖像色彩還原性等均己達(dá)到了很高的水平，功能日臻完善。B、CCD電子靈敏度（照度）提高由于彩色攝像機(jī)和黑白攝像機(jī)所用CCD器件均對(duì)光線的照度有要求。所以在光線較暗的場所要選低照度的攝像機(jī)。目前市場上標(biāo)榜的低照度攝像機(jī)無論是進(jìn)口廠商或是國產(chǎn)廠商，對(duì)低照度的定義眾說紛紜，莫衷一是。彩色攝像機(jī)從0.0004LUX1LUX,黑白攝像機(jī)從0.00030.1LUX均有，晝夜型(COLOR/MONO)攝像機(jī)的照度在國內(nèi)市場上甚至標(biāo)示最低數(shù)值為0LUX,我們不禁要問：“攝像機(jī)乃光學(xué)原理制成，0照度下如何成像？"白天彩色/晚上黑白(COLOR/MONO)攝像機(jī)是

10、利用黑白影像對(duì)紅外線感度較高的特點(diǎn)，在一定的光源條件(若搭配紅外線，則均可達(dá)0LUX),它是利用線路切換的方式將影像由彩色轉(zhuǎn)為黑白，以便于搭配紅外線。這就是國內(nèi)市場在CCTV產(chǎn)業(yè)的技術(shù)規(guī)格方面并無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，而產(chǎn)生各說各話的情況。行業(yè)內(nèi)人士強(qiáng)調(diào)，照度能低到多少，不僅要看鏡頭的光圈大小(F值)，更要看是在什麼條件限制下才能出現(xiàn)所標(biāo)示的LUX值，否則只是流于數(shù)字的游戲罷了！以光圈大小(F值)而言，光圈愈大則其所代表的F值愈小，所需的照度愈低。另外電子靈敏度(ELECTRONIC、SENSITIVITY)是否提高，單一畫面累積幀數(shù)為多少？紅外線是ON還是OFF?等都應(yīng)了解清楚，才不致被規(guī)格所標(biāo)示的照度

11、數(shù)值所混淆。全光譜高靈敏感應(yīng)(超低照度)攝像機(jī)與紅外燈請(qǐng)看下面的光譜圖：紅色曲線是目前最先進(jìn)的CCD的感應(yīng)光譜，過去的CCD通常只能感應(yīng)到可見光區(qū)域(500nm-700nm)的影像，這種先進(jìn)的CCD卻能感應(yīng)到可見光、紅外光、遠(yuǎn)紅外光(350nm-110nm)的影像；但僅僅能感應(yīng)到影像是不夠的，還必須運(yùn)用先進(jìn)的數(shù)碼電路技術(shù)對(duì)感應(yīng)到的影像進(jìn)行處理，才能輸出高清晰的圖像信號(hào)，這種技術(shù)能夠?qū)CD感應(yīng)到的微弱信號(hào)大幅度提升，但并不會(huì)過分放大本來已經(jīng)很強(qiáng)的信號(hào)，經(jīng)過處理的攝像機(jī)感應(yīng)光譜如圖中的黑色曲線所示，均勻地覆蓋整個(gè)光譜區(qū)域，700nm-800nm是人眼最易受干擾的區(qū)域，所以將這部分濾掉了。怎樣才能

12、使攝像機(jī)做到低照度呢？首先我們分析一下影響照度的幾個(gè)部分，我們知道攝像機(jī)最為核心的部件是CCD圖像傳感器。CCD（ChargeCoupled/Device）稱為電荷藕合器件，它可以把外界的影像通過光學(xué)系統(tǒng)（鏡頭、濾光片）在圖像傳感器上成像。目前，最新的ExviewHAD技術(shù)可以使CCD具有更高感光度，其主要的技術(shù)改進(jìn)是在傳統(tǒng)的HyperHAD結(jié)構(gòu)中，有一個(gè)OCL鏡頭定位在CCD上的每一個(gè)像素，使光線集中的拍攝感光區(qū)域，令感度提高。ExviewHAD在此基礎(chǔ)上更進(jìn)一大步，使OCL擁有接近零間隙結(jié)構(gòu)，消除了每個(gè)微型鏡頭拍攝時(shí)產(chǎn)生的無影區(qū)域，這令小孔累積層收到最大數(shù)量的光線。采用ExviewHADC

13、CD的攝像機(jī)，對(duì)外界光線的敏感程度會(huì)大大提高，在近紅外區(qū)域，具感度更可以高到普通攝像機(jī)的4倍，（圖略），因此，即使在非常暗的環(huán)境下，這種攝像機(jī)通?？梢钥吹饺搜劭床坏降奈矬w，因此，這一技術(shù)的出現(xiàn)，迎合了監(jiān)控市場的需求，美國天霸系列攝像機(jī)采用的是當(dāng)今技術(shù)最領(lǐng)先的CCD及數(shù)字處理蕊片，對(duì)各種光照環(huán)境下均可表現(xiàn)出最佳的效果，特別是配合專用的紅外照明設(shè)備，可以得到高清晰度的黑白圖像，實(shí)現(xiàn)0照度的監(jiān)控.（完全無光的情況下）。我們可以看出，在近紅外760mm-1100mm的近紅外區(qū)域，如果配合合適波長的紅外照明，就可以實(shí)現(xiàn)清晰的黑白圖像。紅外燈是一種比較特殊的照明方式，它是利用人眼感覺不到的近紅燈波長的光譜

14、來提供照明，因此，它具有隱蔽性好，發(fā)光效率高等優(yōu)點(diǎn)，但目前也存在著不足之處，主要是只能提供黑白圖像，另外造價(jià)相對(duì)較高.。JI30紅外照明燈，采用大功率的半導(dǎo)體碎化錢蕊片，配合高效的光學(xué)系統(tǒng)，其發(fā)光效率可以比可見光的照明效果更為理想。我們從實(shí)驗(yàn)效果看到，目前這種組合的監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用前景十分廣泛，特別是政府機(jī)關(guān)、軍隊(duì)、公安、海關(guān)等安全部分都迫切需求這種高清晰度的彩色轉(zhuǎn)黑白監(jiān)控方式。一方面保留了彩色攝像機(jī)在白天獲取信息量大的優(yōu)勢，另一方面克服了傳統(tǒng)的彩色攝像機(jī)無法在黑暗的環(huán)境下獲取圖像的缺點(diǎn)。所以，這必將是監(jiān)控系統(tǒng)前端的發(fā)展趨勢。不難預(yù)料，在不久的將來，所有的監(jiān)控用的攝像機(jī)都將具備這樣的功能。超低照

15、度攝像機(jī)是近年來隨著半導(dǎo)技術(shù)的提高而發(fā)展起來的監(jiān)控行業(yè)的又一個(gè)熱點(diǎn)產(chǎn)品。由于閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)在安全技術(shù)防范領(lǐng)域的發(fā)展很快，目前已廣泛應(yīng)用到金融、文博、酒店、寫字樓、交通管理、交通運(yùn)輸、商業(yè)、醫(yī)院、工廠、學(xué)校、住宅小區(qū)物業(yè)管理等各個(gè)領(lǐng)域。傳統(tǒng)的攝像機(jī)由于難以滿足24小時(shí)連續(xù)監(jiān)控（因?yàn)椴豢赡茉谌魏蔚攸c(diǎn)都做到24小時(shí)照明）的需求，新一代的超低照度攝像機(jī)抓住這一良機(jī)迅速發(fā)展起來。夜間監(jiān)視用的低照度攝像機(jī)因有礙于技術(shù)與價(jià)格的問題而極少有人問津，隨著市場需求的不斷提高，人們不再滿足于普通攝像機(jī)所能達(dá)到的一般標(biāo)準(zhǔn)（彩色攝像機(jī)在1LUX/F1.2,黑白攝像機(jī)在0.1LUX/F1.2）,于是供應(yīng)者為了使夜間監(jiān)視

16、同樣獲得清晰影像，便在攝像機(jī)外加裝紅外線投射器，以照亮所監(jiān)視的環(huán)境，也即后面所講到的白天彩色/晚上黑白（COLOR/MONO）攝像機(jī)。然而有些場所并不適合燈光照明，因此微光超低照度攝像機(jī)一直有著特定市場需求。近兩年來隨著元件技術(shù)提升及廠商的投入研制，適用于CCTV領(lǐng)域的低照度攝像機(jī)正穩(wěn)步成長。C、低照度攝像機(jī)在中國市場的演進(jìn)過程低照度攝像機(jī)在中國市場的演進(jìn)簡單分為以下三步：白天彩色/晚上黑白（COLOR/MONO或DAY&NIGHT）;低速快門（SLOW/SHUTTER）及超感度攝像機(jī)（EXVIEW/HAD）。a、白天彩色/晚上黑白（晝夜型攝像機(jī)COLOR/MONO）此類攝像機(jī)目前在市

17、場上仍有其特定的需求群，晝夜型（COLOR/MONO）攝像機(jī)的照度在國內(nèi)市場上最低標(biāo)示數(shù)值甚至為0LUX,我們不禁要問：攝像機(jī)乃光學(xué)原理制成，0照度下如何成像？”白天彩色/晚上黑白（COLOR/MONO）攝像機(jī)是利用黑白影像對(duì)紅外線感度較高的特點(diǎn)，在一定的光源條件，利用線路切換的方式將影像由彩色轉(zhuǎn)為黑白，以便于搭配紅外線。在彩色/黑白線路轉(zhuǎn)換的技術(shù)演進(jìn)過程中，早期像PHILIPS（飛利浦）、IKEGAMI（池上）、日本JVC曾采用2顆SENSOR（1顆彩色、1顆黑白）共用一組電路再行切換，目前此類攝像機(jī)已采用單一CCD（彩色）設(shè)計(jì)，在白天或光源充足時(shí)為彩色攝像機(jī)，當(dāng)夜晚降臨或光源不足時(shí)（一般在

18、1LUX3LUX）即利用數(shù)位電路將彩色信號(hào)消除掉，成為黑白影像，且為了搭配紅外線，亦拿掉了彩色攝像機(jī)不可缺的紅外線濾除器，此種作法雖可在夜晚達(dá)到低照度”的目的，白天卻有影像模糊，色彩不自然的缺點(diǎn)，并且攝像機(jī)的攝像距離會(huì)受到紅外燈照射距離的限制。據(jù)廠商表示，為了彌補(bǔ)此一缺點(diǎn)，日本SANYO曾推出利用馬達(dá)控制濾光片開合（即隨著彩色/黑白影像的切換，開合濾光片）的機(jī)種,但此機(jī)種似乎也已于市場消失。然而,COLORMONO攝像機(jī)是否屬于低照度”攝像機(jī)，仍相當(dāng)具爭議性，專家指出，真正的低照度攝像機(jī)”應(yīng)指攝像機(jī)本身（所采用的元件，技術(shù)）可達(dá)到的功能，而白天彩色/晚上黑白的攝像機(jī)因受限于CCD感度,本身并無

19、法改變，只是利用線路切換及搭配紅外光的方式將功能提升，不能算是低照度攝像機(jī)。b、低速快門（SLOW/SHUTTER）此類攝像機(jī)又稱為（畫面）累積型攝像機(jī)，是利用電腦記憶體的技術(shù)，連續(xù)將幾個(gè)因光線不足而較顯模糊的畫面累積起來，成為一個(gè)影像清晰的畫面，運(yùn)用SLOWSHUTTER技術(shù)降低攝像機(jī)照度至0.008LUX/F1.2（X128）,并且畫面能夠累積的幀數(shù)（128幀）是屬于甚至包括進(jìn)口品牌再內(nèi)的領(lǐng)先水平。此類型低照度攝像機(jī)適用于禁止紅、紫外線破壞的博物館，夜間生物活動(dòng)觀察，夜間軍事海岸線監(jiān)視等，屬性較靜態(tài)場所的監(jiān)視。目前屬于此類型的低照度攝像機(jī)，以臺(tái)灣廠商利凌（lilin）為主導(dǎo)，進(jìn)口品牌有NEC、IKEGAMI、FUJULSU、MITSUBISHI、SAMSUNG等，大多數(shù)進(jìn)口品牌價(jià)格昂貴，且累積幀數(shù)少（32幀），如日本池上（IKEGAMI）ICD-870P照度0.03/F1.2（刈2）。為此，工程商、經(jīng)銷商更為青睞的應(yīng)屬于技術(shù)上同樣領(lǐng)先的臺(tái)灣博凱（P-CAM）。c、超感度攝像機(jī)（EXVIEW/HAD）超感度攝像機(jī)（EXVIEW/HAD）,又