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摄像机参数分析

互联网 2013-02-18 17:09:42

          在做闭路监控系统中,我们往往会用到摄像机,而摄像机又称摄像头,换个说法即使摄像机是摄像头和镜头的总称。

         摄像机的核心是CCD,目前国内没有CCD和生产能力,主要集中在日本和韩国.由于CCD在生产过程中分不同等级和和生产商获得的途径不同,造成CCD的采集效果也不同.一个简单的检测方法,就是将摄像机通电,不接镜头,用手遮住镜头接口,看图像有没有亮点,雪花大不大,然后接上镜头,将摄像机对准一个色彩鲜明的物体,查看监视器的颜色是否有偏色,图像有无扭曲现象,色彩和灰度是否平滑.

        由于摄像机的核心部件是CCD,所以其主要参数大多与CCD有关,下面就列出摄像机的主要参数:
1)CCD尺寸,亦即摄像机靶面。原多为1/2英寸,现在1/3英寸的已普及化,1/4英寸和1/5英寸也已商品化。

(2)CCD像素,是CCD的主要性能指标,它决定了显示图像的清晰程度,分辨率越高,图像细节的表现越好。CCD是由面阵感光元素组成,每一个元素称为像素,像素越多,图像越清晰。现在市场上大多以25万和38万像素为划界,38万像素以上者为高清晰度摄像机

(3)水平分辨率。彩色摄像机的典型分辨率是在320到500电视线之间,主要有330线、380线、420线、460线、500线等不同档次。 分辨率是用电视线(简称线TV LINES)来表示的,彩色摄像头的分辨率在33到500线之间。分辨率与CCD和镜头有关,还与摄像头电路通道的频带宽度直接相关,通常规律是1MHz的频带宽度相当于清晰度为80线。 频带越宽,图像越清晰,线数值相对越大。
(4)最小照度,也称为灵敏度。是CCD对环境光线的敏感程度,或者说是CCD正常成像时所需要的最暗光线。照度的单位是勒克斯(LUX),数值越小,表示需要的光线越少,摄像头也越灵敏。月光级和星光级等高增感度摄像机可工作在很暗条件,2~3lux属一般照度.
(5)扫描制式。有PAL制和NTSC制之分。
(6)摄像机电源。交流有220V、110V、24V,直流为12V 或9V。
(7)信噪比。典型值为46db,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。
(8)视频输出。多为1Vp-p、75Ω,均采用BNC接头。
(9)镜头安装方式。有C和CS方式,二者间不同之处在于感光距离不同。

1.问:什么是最低照度?什么是感光度?0.0001Lux代表什么?
答:最低照度是测量摄像机感光度的一种方法,换句话说,摄像机能在多黑的条件下看到可用的影像。但是因为没有管理的国际标准,因此每个大型CCD制造商都有自己测量CCD感光度的方法。然而一个标注为(1Lux,F10)的摄像机能和标注为(0.01Lux,F10)的摄像机完全一样!!!奇怪吗?为什么呢?

2.问:F2.0、f3.4毫米代表什么意思?我如何通过这些数字来选择镜头?
答:F表示镜头的孔径,F停止2:1和f3.4毫米表示镜头的焦距是3.4毫米。
镜头F2.0和f3.4~4采用非常经济的形式,应此价格较低,广泛应用于单板摄像机,F2.0的镜头的孔 径能收集人眼一半的光线,f3.4毫米的镜头在1/4英寸CCD上有60度的视角,在1/3英寸CCD上有90度视角,非常接近于人眼的视角。人眼的两只眼睛能包含更大的视角,就像是上帝巧妙的设计,从人到人一般有150到180的角度,但是请记住,F停止和f焦距只是一个镜头的基本参数,并不代表质量。一个具有同样F停止和焦距的优质镜头能比具有同样参数的劣质镜头贵100倍,请参阅下一个问答详细了解。

3.问:漏光排斥比的物理含义是什么?
答:漏光是由CCD传感器设计的缺陷造成的,每个摄像机有一个CCD传感器,由于CCD传感器的缺陷,进入CCD传感器的强光 将会穿透抵抗层产生过度的影像,这些不需要的影像称做拖光,CCD摄像机抵抗强光的能力称为漏光排斥比。

4.问:什么事CMOS摄像机?和CCD摄像机有何不同?
答:CMOS传感器是一种通常比CCD传感器低10倍感光度的传感器。
因为人眼能看到1Lux照度(满月的夜晚)以下的目标,CCD传感器通常能看到比人眼略好在0.1~3Lux,是CMOS传感器感光度的3到10倍。

5.什么是峰值感应模式?
答:峰值感应模式是用通过影像亮点代替整个影像的平均值来决定曝光指数,使用规则系统的用户能应对最苛刻的要求,如在黑夜抓取一个白点的影像,而且还要看到这个小亮白点的细节和色彩。
这对于在夜晚使用摄像机抓取车牌号码同时还要看到交通灯的颜色非常有用。

6.什么是星光摄像机
星光CCD摄影机,光子在CCD传感器上比普通CCD摄像机最大曝光时间(1/60 或 1/50 秒)长2到128倍(1~2秒)的聚集。因此,摄像机产生可用影像的最低照度就降低了2到128倍。使用带有帧累积技术的星光摄像机,用户可以在星光照度情况(0.0035Lux)下看到彩色影像,而在多云的星光照度情况(0.0002Lux)下看到黑白影像,城市中散布的背景光(比如光污染)足够产生良好的彩色曝光。
7. 问:什么是超高感度摄像机?它的优点和缺陷在哪里?
答:"EX-View"是索尼公司研发用来提高其CCD感光度的一个感光度提高技术,一是两个可见光的因素,二是四倍近红外波的波长。

        EX-View是索尼专有技术,每个CCD基础光电二极管的P/N接口特殊组装来获得更好的光子到电子的转换效率。另外,每个光电二极管(描绘影像上的一个像素)有一个覆盖在上面的微型镜头能够较好的记录和聚焦光线到有效的半导体接口。它的结果对比于索尼提供的CCD可视范围提高了可见光的2倍和近红外光(800~900纳米)的4倍感光度。EX-View的Lux效率比优质的"Super HAD"可见光和近红外光波场高出了2倍。

         EX-View技术的缺陷在于,因为CCD芯片制造过程的难度本质和芯片灵敏的本质,索尼公司只有有限的传感器部分供货。

         按照索尼的讲法,相比于Super HAD传感器,EX-View芯片的光电二极管还有一些潜在的不完美的地方。这些很少的有缺陷的CCD元素可能会有故障,因此会导致"死亡像素",会在影像留下一些无法去除的得白点或黑点。CCD芯片已知不管是在储存或使用中死点都会不断增长。

         举个例子,一个从索尼工厂出来的EX-View CCD只有3个死点,但是在运输的过程中可能增加到5个,到了摄像机厂商的仓库时可能增长到7个并会继续增长,比如,当安装在CCD摄像机上时增长到12个。到摄像机到达用户时数量可能增长到15到30个。这个过程会一直持续到有缺陷的光电二极管都稳定下来。索尼认为死点数量增长的原因是由于宇宙射线破坏了一些CCD矩阵的缺陷接口。

         由于制造过程的感光本质,EX-View CCD芯片的产量是比较低的,可以使用的单位也是有限的产量。制造过程的高成本组合使得EX-View CCD芯片更适合应用于特殊领域(如科研、工业),这里使用高亮感光度的芯片是非常重要的,但是在普通的监控摄像机应用上使用却是不划算的。

8. 问:什么是超高解析CCD摄像机
答: 目前市场上的索尼CCD摄像机几乎都使用了超高解析技术。超高解析能比传统旧型号的CCD提高2倍的感光度和6dB的漏光排斥比。

        松下认为他们的最新37个系列和索尼超高解析一样的好,而39个系列和索尼EX-View在可见光范围有同样的效果。

        索尼Ex-view CCD相比于超高解析在近红外光区域(800~900纳米)有4倍的感光度,然而这个优点只有需要在夜视时能取得很好的效果。如果不能正确地使用,这个优点几乎没有用处,因为红外线会导致色彩失真,由于红外线聚焦较深的物理特性导致影像模糊,特别在使用某些镜头的时候会导致全息影像。

9.问:什么是超宽动态?
         超宽动态是在非常强烈的对比下让摄像机看到影像的特色。

         宽动态摄像机比传统只具有3:1动态范围的摄像机超出了几十倍。自然光线排列成从120,000Lux到星光夜里的0.00035Lux。当摄像机从室内看窗户外面,室内照度为100Lux,而外面风景的照度可能是10,000Lux,对比就是10,000/100=100:1。这个对比人眼能很容易地看到,因为人眼能处理1000:1的对比度,然而传统的闭路监控摄像机处理它会有很大的问题,传统摄像机只有3:1的对比性能,它只能选择使用1/60秒的电子快门来取得室内目标的正确曝光,但是室外的影像会被清除掉(全白);或者换种方法摄像机选择1/6000秒取得室外影像完美的曝光,但是室内的影像会被清除(全黑)。这是一个自从摄像机被发明以来就一直长期存在的缺陷。

10. 问:什么是星光模式?
         星光模式能让CCD摄像机在非常弱的光线情况下,比如0.0002Lux照度等级,看到清晰的彩色影像。

        所有的CCD摄像机都是设计工作在1/50,1/60~1/2000秒的快门速度,因此最低照度等级或者称为感光度在使用 F1.2 和5600k条件下限制在3到6Lux。星光模式CCD摄像机专有数字讯号处理器能使得CCD的快门速度低到 1~10 秒,因为长时间快门打开的物理原理,CCD可以收集到更多的光子,因此比传统摄像机提高100到600倍的感光度。

11.问:什么是背光补偿?
背光补偿能提供在非常强的背景光线前面目标的理想的曝光,无论主要的目标移到中间、上下左右或者荧幕的任一位置。

        一个不具有超强动态特色的普通摄像机只有如1/60秒的快门速度和F2.0的光圈的选择,然而一个主要目标后面的非常亮的背景或一个点光源是不可避免的,摄像机将取得所有近来光线的平均值并决定曝光的等级,这并不是一个好的方法,因为当快门速度增加的时候,光圈会被关闭导致主要目标变得太黑而不被看见。为了克服这个问题,一种称为背光补偿的方法通过加权的区域理论被广泛使用在多数摄像机上。影像首先被分割成7块或6个区域(两个区域是重复的),每个区域都可以独立加权计算曝光等级,例如中间部分就可以加到其余区块的9倍,因此一个在画面中间位置的目标可以被看得非常清晰,因为曝光主要是参照中间区域的光线等级进行计算。然而有一个非常大的缺陷,如果主要目标从中闲移动到画面的上下左右位置,目标会变得非常黑,因为现在它不被区别开来已经不被加权。

12.问:什么是无色滚动?
答:数字讯号处理器视频摄像机使用在荧光灯下时,只能产生严重色滚动的影像。影像会从白色转变成蓝色、粉红色再回到白色,如此循环。这是因为交流电源运行在50/60赫兹所引起的问题。白热灯泡能提供稳定的光线,而日光灯的光线由于交流电的强度和色彩以8.3ms的速度在变换而波动。传统摄像机计算出白平衡需要 100~150ms(0.1~0.15) ,比交流电慢了8.5ms,因此永远不能赶上。对当前影像通过8次循环周期才能清楚地产生色滚动。

13.问:什么是垂直同步、彩色视频复合信号同步、外同步、直流线锁定和完全同步?
答:这是摄像机之间不同的同步方法。

        全体锁定是两部用于精密的应用如广播摄影棚摄像机之间完全同步最好的方法。它将同步:水平,垂直,偶数/奇数区域,色彩触发频率和阶段。

         垂直同步是最简单的方法来同步两部摄像机,通过垂直驱动频率来保证视频能够采用老式的切换期或者四分割机器,在同一个监视器上显示几个影像源。垂直驱动信号通常由重复频率20/16.7毫秒(50/60赫兹)和脉冲1~3毫秒宽度的脉冲组成。

         彩色视频复合信号代表视频和彩色触发信号,意味着摄像机能和外部的复合彩色视频信号同步。然而尽管称作彩色视频复合信号同步,实际上只进行水平同步和垂直同步,而没有色彩触发同步。

        外同步非常类似于彩色视频复合信号同步。一个摄像机能够同步于另一个摄像机的视频信号,一个外同步摄像机能使用输入的彩色视频复合信号,提取水平和垂直同步信号来做同步。

        直流线锁定是一种古老的技术,利用直流50/60赫兹电源线电流来同步摄像机。因为直流24伏电源广泛使用于多数建筑物防火警报系统,由于非常容易获得。由于老型号的切换器和分割系统没有数字记忆功能,要保持稳定的影像,摄像机之间的同步非常必要,直流线锁定就是摄像机同步于交流50/60赫兹,彩色信道之间时间的关联和水平/垂直信号没有约束会导致糟糕的色彩转换(色彩阶段设计),因此所有使用交流线锁定的用户不可避免地失去很好的色彩转换。幸运的是,现在的分割器和16通道复合处理器以及硬盘录象机都有内部记忆体来克服这个问题,不再需要同步信号,因此交流线锁定可能若干年后会被淘汰掉。

14. CCD摄像机最小能到什么程度?是11.5X50毫米或者22X23毫米的极限吗?
答:CCD摄像机尺寸主要依赖于4个主要的部件,CCD传感器的尺寸,数字讯号处理器,CDS和垂直驱动。因为这些芯片必须由不同的半导体技术制造,所以不可能合并到一个单IC中,CCD传感器作为主要的部分,已经大幅缩小了,从2/3英寸到1/2英寸到1/3英寸到1/4英寸和1/6英寸及1/7英寸,然而CCD尺寸越小感旋旋光性能就越差,因此1/6英寸CCD就已经比1/4英寸差了很多,因此1/4英寸CCD多年来一直是主流。一个1/4英寸CCD具有10X10毫米的尺寸成为主要部件,数字讯号处理器如果采用15X15毫米QFPGA封装将大于CCD,进一步加大摄像机单板的尺寸。当今多数公司只能缩减CCD摄像机板机尺寸到44X44毫米。



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