電視監(jiān)控系統(tǒng)基礎(chǔ)培訓(xùn)之二.doc

電視監(jiān)控系統(tǒng)基礎(chǔ)培訓(xùn)之二電視監(jiān)控系統(tǒng)的前端設(shè)備 電視監(jiān)控系統(tǒng)的前端設(shè)備通常由攝像機、手動或電動鏡頭、云臺、防護(hù)罩、監(jiān)聽器、報警探測器和多功能解碼器等部件組成，它們各司其職，并通過有線、無線或光纖傳輸媒介與中心控制系統(tǒng)的各種設(shè)備建立相應(yīng)的聯(lián)系（傳輸視/音頻信號及控制、報警信號）。在實際的電視監(jiān)控系統(tǒng)中，這些前端設(shè)備不一定同時使用，但實現(xiàn)監(jiān)控現(xiàn)場圖像采集的攝像機和鏡頭是必不可少的。2. 1 攝像機 攝像機是獲取監(jiān)視現(xiàn)場圖像的前端設(shè)備，它以面陣CCD圖像傳感器為核心部件，外加同步信號產(chǎn)生電路、視頻信號處理電路及電源等。近年來，新型的低成本MOS圖像傳感器有了較快速的發(fā)展，基于MOS圖像傳感器的攝像機已開始被應(yīng)用于對圖像質(zhì)量要求不高的可視電話或會議電視系統(tǒng)中。由于MOS圖像傳感器的分辨率和低照度等到主要指標(biāo)暫時還比不上CCD圖像傳感器，因此，在電視監(jiān)控系統(tǒng)中使用攝像機仍為CCD攝像機。 攝像機具有黑白和彩色之分，由于黑白攝像機具有高分辨率、低照度等優(yōu)點，特別是它可以在紅外光照下成像，因此在電視監(jiān)控系統(tǒng)中，黑白CCD攝像機仍具有較高的市場占有率。順便指出，在各商家列出的閉路電視監(jiān)控器材清單中的攝像機通常都是不帶鏡頭的（一體化攝像機除外），因此在實際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)監(jiān)控現(xiàn)場的實際環(huán)境及用戶要求，為攝像機配合適的鏡頭（詳見本章第2-2節(jié)）。2. 1. 1 黑白CCD攝像機的主要參數(shù) 在電視監(jiān)控系統(tǒng)中選擇攝像機，一般要看幾個主要的參數(shù)，即分辨率、最低照度和信噪比等，另外還要考慮攝像機的附帶功能及價格和今后服務(wù)等因素。以下對攝像機的幾個主要參數(shù)作一介紹。A、 CCD尺寸及像素數(shù) CCD尺寸指的是CCD圖像傳感器感光面的對角線尺寸，早期的CCD尺寸比較大，為lin、2/3in和1/2in等幾種，因而近年來用于電視監(jiān)控攝像機的CCD尺寸以1/3in為主流。 像素數(shù)指的是攝像機CCD傳感器的最大像素數(shù)，有些給出了水平及垂直方向的像素數(shù)，如500H*582V，有些則組出了前兩者的乘積值，如30萬像素。對于一定尺寸的CCD芯片，像素數(shù)越多則意味著每一像素單元的面積越小，因而由該芯片構(gòu)成的攝像機的分辨率也就越高。例如，在電視監(jiān)控攝像機中使用的CCD傳感器的像素有的已達(dá)到48萬像素。B、分辨率 分辨率是衡量攝像機優(yōu)劣的一個重要參數(shù)，它指的是當(dāng)攝像機攝取等間隔排列的黑白相間條紋時，在監(jiān)視器（應(yīng)比攝像機的分辨率高）上能夠看到的最多線數(shù)。當(dāng)超過這一線數(shù)時，屏幕上就只能看到灰蒙蒙的一片而不能再辨出黑白相間的線條。 工業(yè)監(jiān)視用攝像機的分辨率通常在380460線之間，廣播級攝像機的分辨率則可達(dá)到700線左右。C、 低照度 低照度指的是當(dāng)被攝景物的光亮度低到一定程度而使攝像機輸出的視頻信號電平低到某一規(guī)定值時的景物光亮度值。測定此參數(shù)時，還應(yīng)特別注明鏡頭的最大相對孔徑。例如，使用F1. 2的鏡頭，當(dāng)被景物的光亮度值低到0. 04lx時，攝像機輸出的視頻信號幅值為最大幅值的50%，即達(dá)到350mV（標(biāo)準(zhǔn)視頻信號最大幅起來 700mV），則稱此攝像機的最低照度為0. 04lx/F1. 2。被攝景物的光亮度值再低，攝像要輸出的視頻信號的幅值就達(dá)不到350mV了，反映在監(jiān)視器的屏幕上，將是一屏很難分辨出層次的、灰暗的圖像。D、信噪比及伽瑪校正系數(shù) 信噪比也是攝像機的一個主要參數(shù)。其基本定義是信號對于噪聲的比值乘以20log，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(jìn)行提升，使得噪聲電平也相應(yīng)提高。CCD攝像機的信噪比的典型值一般為4555dB。測量信噪比參數(shù)時，應(yīng)使用視頻雜波測量儀直接連接于攝像機的視頻輸出端子上。伽瑪校正系數(shù)前面提到的值，其典型值為=0. 45。現(xiàn)行攝像機大都采用了固定的值。2. 1. 2 黑白CCD攝像機的附帶功能除了上述介紹的基本參數(shù)外，各品牌的攝像機大都還有一些附帶的功能，如自動光圈接口、電子快門、自動增益控制、逆光補償、線鎖定同步及外同步等，下面簡要介紹一下。A、電動光圈接口 目前在市場上見到的標(biāo)準(zhǔn)CCD攝像機大都帶有驅(qū)動自動光圈鏡頭的接口，其中有些只提供一種驅(qū)動方式（通常為視頻驅(qū)動方式），也就是說，它只能配接VD型的自動光圈鏡頭，有些則可同時提供兩種驅(qū)動方式（視頻驅(qū)動和直流驅(qū)動）供用戶選擇，因此，它可以配接任何自動光圈鏡頭。這里，視頻驅(qū)動（Video Driver，簡稱VD）方式是指攝像機將視頻信號電平輸出到自動光圈鏡頭的內(nèi)部，再由其內(nèi)部的驅(qū)動電路輸出控制電壓，使鏡頭光圈調(diào)整電動機轉(zhuǎn)動；直流驅(qū)動（DC Driver，簡稱DD）方式則是指攝像機內(nèi)部增加了鏡頭光圈電動機的驅(qū)動電路，可以直接輸出直流控制電壓到鏡頭內(nèi)的光圈電動機并使其轉(zhuǎn)動，因此，具有直流驅(qū)動接口的攝像機的成本就稍許高一些（因為增加了一部分電路），但所選配的自動光圈鏡頭則因其內(nèi)部不含有驅(qū)動電路而體積稍小一些，價格也就低一些。 不同品牌及型號的攝像機所帶自動光圈接口的位置及形式是不完全一樣。一般攝像機的自動光圈接口設(shè)置在機身的后面板上，但也有一些則設(shè)在機身的側(cè)面。圖2-1示出幾種不同形式的自動光圈的接口，其中陰式方四孔接口最為常見，但不同攝像機對其各針腳的定義又不完全相同。一般視頻驅(qū)動自動光圈接口使用3個針，即電源、視頻、接地；而直流驅(qū)動自動光圈接口使用4個針，即阻尼正、阻尼負(fù)、驅(qū)動正、驅(qū)動負(fù)。若同時具有兩種光圈驅(qū)動方式，則具體將該接口定義為VD還是DD驅(qū)動方式，須由另外的撥動開關(guān)來選擇（如JETCOM公司的JC系列攝像機），也有的由攝像機蓋板內(nèi)視頻處理板上不同的插座位置來選擇，并在出廠前設(shè)定一種方式（如NATURE的NV-434CA攝像機），還有的干脆在攝像機機身側(cè)面及后面板上直接設(shè)定兩個不同的自動光圈接口（如JVC的TX-S240E攝像機）。（1）（2）（3）（1）陰式方四孔型（2）陰式圓四孔型（3）接線端子型圖2-1攝像機的自動光圈接口B、電子快門 電子快門（Electronic Shutter）是比照照相機的機械快門功能提出一個術(shù)語，它相當(dāng)于控制CCD圖像傳感器的感光時間。由于CCD感光的實質(zhì)是信號電荷的積累，則感光時間越長，信號電荷的積累時間就越長，輸出信號電流的幅值也就越大。通過調(diào)整光生信號電荷的積累時間（即調(diào)整時鐘脈沖的寬度），即可實現(xiàn)控制CCD感光時間的功能。C、自動增益控制 攝像機輸出的視頻信號必須達(dá)到電視傳輸規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)電平，即。為了能在不同的景物照度條件下都能輸出的標(biāo)準(zhǔn)視頻信號，必須使放大器的增益能夠在較大的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。這種增益調(diào)節(jié)通常都是通過檢測視頻信號的平均電平而自動完成的，實現(xiàn)此功能的電路稱為自動增益控制電路，簡稱AGC電路。具有AGC功能的攝像機，在低照度時的靈敏度會有所提高，但此時的噪點也會比較明顯。這是由于信號和噪聲被同時放大的緣故。D、背光補償 背光補償（Back light Compensation）也稱作逆光補償或逆光補正，它可以有效補償攝像機在逆光環(huán)境下拍攝時畫面主體黑暗的缺陷。當(dāng)引入背光補償功能時，攝像機僅對整個視場的一個子區(qū)域（如從第80行 200行的中心區(qū)域）進(jìn)行檢測，通過求此區(qū)域的平均信號電平來確定AGC電路的工作點。由于子區(qū)域的平均電平很低，AGC放大器會有較高的增益，使輸出視頻信號的幅值提高，從而使監(jiān)視器上的主體畫面明朗。此時的背景畫面會更加明亮，但其與主體畫面的主觀亮度差會大大降低，整個視場的可視性得到改善。E、 線鎖定同步 線鎖定同步（LINELOCK）是一種利用交流電源來鎖定攝像機場同步脈沖的一種同步方式。當(dāng)圖像出現(xiàn)因交流電源造成的網(wǎng)波干擾時，將此開關(guān)撥到線鎖定同步（LL）的位置，就可消除交流電源的干擾。2. 1. 3 攝像機的使用 攝像機的使用很簡單，通常只要正確安裝鏡頭、連通信號電纜，接通電源即可工作。但在實際使用中，如果不能正確地安裝鏡頭并調(diào)整攝像機及鏡頭的狀態(tài)，則可能達(dá)不到預(yù)期使用效果。以下簡要介紹攝像機的正確使用方法。A、安裝鏡頭 攝像機必須配接鏡頭才可使用，一般應(yīng)根據(jù)應(yīng)用現(xiàn)場的實際情況來選配合適的鏡頭，如定焦鏡頭或變焦鏡頭、手動光圈鏡頭或自動光圈鏡頭、標(biāo)準(zhǔn)鏡頭或廣角鏡頭或長焦鏡頭等。另外還應(yīng)注意鏡頭與攝像機的接口，是C型接口還是CS型接口（這一點要切記，否則用C型鏡頭直接往CS接口攝像機上旋入時極有可能損壞攝像機的CCD芯片）。 安裝鏡頭時，首先去掉攝像機及鏡頭的保護(hù)蓋，然后將鏡頭輕輕旋入攝像機的鏡頭接口并使之到位。對于自動光圈鏡頭，還應(yīng)將鏡頭的控制線連接到攝像機的自動光圈接口上，對于電動兩可變鏡頭或三可變鏡頭，只要旋轉(zhuǎn)鏡頭到位，則暫時不需校正其平衡狀態(tài)（只有在后焦聚調(diào)整完畢后才需要最后校正其平衡狀態(tài)）。B、調(diào)整鏡頭光圈與對焦 關(guān)閉攝像機上電子快門及逆光補償?shù)乳_關(guān)，將攝像機對準(zhǔn)欲監(jiān)視的場景，調(diào)整鏡頭的光圈與對焦環(huán)，使監(jiān)視器上的圖像最佳。如果是在光照度變化比較大的場合使用攝像機，最好配接自動光圈鏡頭并作攝像機的電子快門開關(guān)置于OFF。如果選用了手動光圈則應(yīng)將攝像機的電子快門開關(guān)置于ON，并在應(yīng)用現(xiàn)場最為明亮（環(huán)境光照度最大）時，將鏡頭光圈盡可能開大并仍使圖像為最佳（不能使圖像過于發(fā)白而過載），鏡頭即調(diào)整完畢。裝好防護(hù)罩并上好支架即可。由于光圈較大，景深范圍相對較小，對焦距時應(yīng)盡可能照顧到整個監(jiān)視現(xiàn)場的清晰度。當(dāng)現(xiàn)場照度降低時，電子快門將自動調(diào)整為慢速，配合較大的光圈，仍可使圖像滿意。 在以上調(diào)整過程中，若不注意在光線明亮?xí)r將鏡頭的光圈盡可能開大，而是關(guān)得比較小，則攝像機的電子快門會自動調(diào)在低速上，因此仍可以在監(jiān)視器上形成較好的圖像；但當(dāng)光線變暗時，由于鏡頭的光圈比較小，而電子快門也已經(jīng)處于最慢（1/50s）了，此時的成像就可能是昏暗一片了。C、后焦距的調(diào)整 后焦距也稱背焦距，指的是當(dāng)安裝上標(biāo)準(zhǔn)鏡頭（標(biāo)準(zhǔn)C/CS接口鏡頭）時，能使被攝景物的成像恰好成在CCD圖像傳感器的靶面上，一般攝像機在出廠時，對后焦距都做了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，因此，在配接定焦鏡頭的應(yīng)用場合，一般都不需要調(diào)整攝像機的后焦。 在有些應(yīng)用場合，可能出現(xiàn)當(dāng)鏡頭對焦環(huán)調(diào)整到極限位置時仍不能使圖像清晰，此時首先必須確認(rèn)鏡頭的接口是否正確。如果確認(rèn)無誤，就需要對攝像機的后焦距進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)經(jīng)驗，在絕大多數(shù)攝像機配接電動變焦鏡頭的應(yīng)用場合，往往都需要對攝像機的后焦距進(jìn)行調(diào)整。后焦距調(diào)整的步驟如下：a、將鏡頭正確安裝到攝像機上。b、將鏡頭光圈盡可能開到最大（目的是縮小景深范圍，以準(zhǔn)確找到成像焦點）。c、通過變焦距調(diào)整（ZoomIn）將鏡頭推至望遠(yuǎn)（Tele）狀態(tài)，拍攝10m以外的一個物體的特寫，再通過調(diào)整聚焦（Focus）將特寫圖像調(diào)清晰。d、進(jìn)行與上一步相反的變焦距調(diào)整（ZoomOut）將鏡頭拉回至廣角（Wide）狀態(tài)，此時畫面變?yōu)榘鲜鎏貙懳矬w的全景圖像，但此時不能再作聚焦調(diào)整（注意：如果此時的圖像變模糊也不能調(diào)整聚焦），而是準(zhǔn)備下一步的后焦調(diào)整。e、將攝像機前端用于固定后焦調(diào)節(jié)環(huán)的內(nèi)六角螺釘旋松，并旋轉(zhuǎn)后焦調(diào)節(jié)環(huán)（對沒有后焦調(diào)節(jié)環(huán)的攝像機則直接旋轉(zhuǎn)鏡頭而帶動其內(nèi)置的后焦環(huán)），直至畫面最清晰為止，然后暫時旋緊內(nèi)六角螺釘。f、重新推鏡頭到望遠(yuǎn)狀態(tài)，看看剛才拍攝的特寫物體是否仍然清晰，如不清晰再重復(fù)上述第a、b、c步驟。g、通常只需一兩個回合就可完成后焦距調(diào)整了。h、旋緊內(nèi)六角螺釘，將光圈調(diào)整到適當(dāng)?shù)奈恢谩?. 2 鏡頭 鏡頭是電視監(jiān)控系統(tǒng)中必不可少的部件，鏡頭與CCD攝像機配合，可以將遠(yuǎn)距離目標(biāo)成像在攝像機的CCD靶面上。鏡頭的種類繁多，從焦距上分類，可分為短焦距、中焦距、和焦距和變焦距鏡頭；從視場的大小分類，可分為廣角、標(biāo)準(zhǔn)、遠(yuǎn)攝鏡頭；從結(jié)構(gòu)上分類，還可分為固定光圈定焦鏡頭、手動光圈定焦鏡頭、自動光圈定焦鏡頭、手動變焦鏡頭、自動光圈電動變焦鏡頭、電動三可變鏡頭（指光圈、焦距、聚焦這三者均可變）等類型。由于鏡頭選擇得合適與否，直接關(guān)系到攝像質(zhì)量的優(yōu)劣，因此，在實際應(yīng)用中必須合理選擇鏡頭。2. 2. 1 鏡頭的參數(shù)鏡頭的光學(xué)特性包括成像尺寸、焦距、相對孔徑和視場角等幾個參數(shù)，一般在鏡頭所附的說明書中都有注明，以下分別介紹。A、成像尺寸鏡頭一般可分為25. 4mm（lin）、16. 9mm（2/3in）、12. 7mm（1/2in）、8.47mm（1/3in）和6.35mm（1/4in）等幾種規(guī)格，它們分別對應(yīng)著不同的成像尺寸，選用鏡頭時，應(yīng)使鏡頭的成像尺寸與攝像機的靶面尺寸大小相吻合。表2-1列出了幾種常見CCD芯片的靶面尺寸，表中單位為mm。標(biāo)稱芯片尺寸CCD感光靶面尺寸 25. 4116. 92/3 12. 71/2 8. 471/3 6. 351/4對角線 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 幾種常見CCD芯片的靶面尺寸由表2-1可知，12. 7mm（1/2in）的鏡頭應(yīng)配12. 7mm（1/2in）靶面的攝像機，當(dāng)鏡頭的成像尺寸比攝像機靶面的尺寸大時，不會影響成像，但實際成像的視場角要比該鏡頭的標(biāo)稱視場角小（參見圖2-2），而當(dāng)鏡頭的成像尺寸比攝像機靶面的尺寸小時，就會影響成像，表現(xiàn)為成像的畫面四周被鏡筒遮擋，在畫面的4個角上出現(xiàn)黑角（參見圖2-2）。(1) (2)(1)鏡頭成像尺寸比CCD靶面尺寸大 (2)鏡頭成像尺寸比CCD靶面尺寸小圖2-2 鏡頭成像尺寸與CCD靶面尺寸的關(guān)系B、焦距 在實際應(yīng)用中，經(jīng)常會有用戶提出該攝像機能看清多么遠(yuǎn)的物體或該攝像機能看清多么寬的場景等問題，這實際上由所選用的鏡頭的焦距來決定，因為焦距決定了攝取圖像的大小，用不同焦距的鏡頭對同一位置的某物體攝像時，配長焦距鏡頭的攝像機所攝取的景物尺寸就大，反之，配短焦距鏡頭的攝像機所攝取的景物尺寸就小。當(dāng)然，被攝物體成像的清晰度還與所選用的CCD攝像機的分辨率及監(jiān)視器的分辨率有關(guān)。理論上，任何一種鏡頭均可拍攝很遠(yuǎn)的物體，并在CCD靶面上成一很小的像，但受CCD單元（像素）物理尺寸的限制，當(dāng)成像小到小于CCD傳感器的一個像素大小時，便不再能形成被攝物體的像，即使成像有幾個像素大小，該像也難以辨識為何物。當(dāng)已知被攝物體的大小及該物體到鏡頭距離，則可根據(jù)下兩式估算所選取配鏡頭的焦距：f=hD/Hf=vD/V式中，D為鏡頭中心到被攝物體的距離；H和V分別為被攝物體的水平尺寸和垂直尺寸；v為靶面成像的高度；h為靶面成像的水平寬度。成像場景的大小與成像物體的顯示尺寸是互相矛盾的，舉個例子來說，用同一支攝像機對同一個停車場進(jìn)行監(jiān)視，選用短焦距鏡頭可以對整個停車場的全景進(jìn)行監(jiān)視并看到出入口外的車輛進(jìn)出，但卻不能看清該輛車的牌照號碼（該車在監(jiān)視器屏幕上僅占據(jù)了很小的面積）；而選用長焦距鏡頭雖可以看清該輛車的牌照號碼（該車占據(jù)了屏幕上的大部分面積），卻又不能監(jiān)視到整個停車場的全貌。因此當(dāng)需要既監(jiān)視全景以要看清局部時，一般應(yīng)考慮配用電動兩可變或電動三可變鏡頭。當(dāng)然，在選定了鏡頭的前提下，選用高分辨率的攝像機及監(jiān)視器則可以在被監(jiān)視物體成像尺寸較小時也能看清局部細(xì)節(jié)。C、相對孔徑 為了控制通過鏡頭的光通量大小，在鏡頭的后部均設(shè)置了光闌（俗稱光圈）。假定光闌的有效孔徑為d，由于光線折射的關(guān)系，鏡頭實際的有效孔徑為D，D與焦距f之比定義為相對孔徑A，即A=D/f鏡頭的相對孔徑?jīng)Q定于被攝像的照度，像的照度E與鏡頭的相對孔徑平方成正比，一般習(xí)慣上用相對孔徑的倒數(shù)