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 摄像机基础知识

 

      摄像机基础知识1. 什么是CCD摄像机?

  CCDCharge Coupled Device(电荷耦合器件)的缩写,它是一种半导体成像器件,因而具有灵敏度高、抗强光、畸变小、体积小、寿命长、抗震动等优点。 2. CCD摄像机的工作方式   被摄物体的图像经过镜头聚焦至CCD芯片上,CCD根据光的强弱积累相应比例的电荷,各个像素积累的电荷在视频时序的控制下,逐点外移,经滤波、放大处理后,形成视频信号输出。视频信号连接到监视器或电视机的视频输入端便可以看到与原始图像相同的视频图像。 3. 分辨率的选择   评估摄像机分辨率的指标是水平分辨率,其单位为线对,即成像后可以分辨的黑白线对的数目。常用的黑白摄像机的分辨率一般为380-600,彩色为380-480,其数值越大成像越清晰。一般的监视场合,用400线左右的黑白摄像机就可以满足要求。而对于医疗、图像处理等特殊场合,用600线的摄像机能得到更清晰的图像。 4. 成像灵敏度   通常用最低环境照度要求来表明摄像机灵敏度,黑白摄像机的灵敏度大约是0.02-0.5Lux(勒克斯),彩色摄像机多在1Lux以上。0.1Lux的摄像机用于普通的监视场合;在夜间使用或环境光线较弱时,推荐使用0.02Lux的摄像机。与近红外灯配合使用时,也必须使用低照度的摄像机。另外摄像的灵敏度还与镜头有关,0.97Lux/F0.75相当于2.5Lux/F1.2相当于3.4Lux/F1.

参考环境照度:

  夏日阳光下 100000Lux 阴天室外 10000Lux

  电视台演播室 1000Lux 60W台灯60cm桌面 300Lux

  室内日光灯 100Lux 黄昏室内 10Lux

  20cm处烛光 10-15Lux 夜间路灯 0.1Lux 5. 电子快门   电子快门的时间在1/50-1/100000秒之间,摄像机的电子快门一般设置为自动电子快门方式,可根据环境的亮暗自动调节快门时间,得到清晰的图像。有些摄像机允许用户自行手动调节快门时间,以适应某些特殊应用场合。 6. 外同步与外触发   外同步是指不同的视频设备之间用同一同步信号来保证视频信号的同步,它可保证不同的设备输出的视频信号具有相同的帧、行的起止时间。为了实现外同步,需要给摄像机输入一个复合同步信号(C-sync)或复合视频信号。外同步并不能保证用户从指定时刻得到完整的连续的一帧图像,要实现这种功能,必须使用一些特殊的具有外触发功能的摄像机。 7. 光谱响应特性

  CCD器件由硅材料制成,对近红外比较敏感,光谱响应可延伸至1.0um左右。其响应峰值为绿光(550nm),分布曲线如右图所示。夜间隐蔽监视时,可以用近红外灯照明,人眼看不清环境情况,在监视器上却可以清晰成像。由于CCD传感器表面有一层吸收紫外的透明电极,所以CCD对紫外不敏感。彩色摄像机的成像单元上有红、绿、兰三色滤光条,所以彩色摄像机对红外、紫外均不敏感。 8. CCD芯片的尺寸

  CCD的成像尺寸常用的有1/2"1/3"等,成像尺寸越小的摄像机的体积可以做得更小些。在相同的光学镜头下,成像尺寸越大,视场角越大。 芯片规格 成像面大小(X) 对角线 1/2 6.4x4.8mm 8mm 1/3 4.8x3.6mm 6mm

摄像机镜头选购指南

在电视监控系统中如何根据现场被监视环境,正确选用摄像机镜头是非常重要的,因为它直接影响到系统组成后在系统末端监视器上所看到的被监视面画的效果能否满足系统的设计要求(就画面范围或图像细节而言),所以正确的选用摄像机镜头可以使系统得到最优化设计并可获得良好的监视效果。

摄像机镜头就光圈而言可分为手动光圈镜头及自动光圈镜头两种,就焦距而言又可分为定焦镜头及变焦镜头两种。

下面就以使用环境的不同谈如何正确选用摄像机镜头。

1 手动、自动光圈镜头的选用

    手动、自动光圈镜头的选用取决于使用环境的照度是否恒定。

对于在环境照度恒定的情况下,如电梯轿箱内、封闭走廊里、无阳光直射的房间内,均可选用手动光圈镜头,这样可在系统初装调试中根据环境的实际照度,一次性整定镜头光圈大小,获得满意亮度画面即可。

  对于环境照度处于经常变化的情况,如随日照时间而照度变化较大的门厅、窗口及大堂内等,均需选用自动光圈镜头(必须配以带有自动光圈镜头插座的摄像机),这样便可以实现画面亮度的自动调节,获得良好的较为恒定亮度的监视画面。

对于自动光圈镜头的控制信号又可分为DCVIDEO控制两种,即直流电压控制及视频信号控制。这在自动光圈镜头的类型选用上,摄像机自动光圈镜头插座的连接方式上,以及选择自动光圈镜头的驱动方式开关上,三者注意协调配合好即可。

 

2、定焦、变焦镜头的选用

 

  定焦、变焦镜头的选用取决于被监视场景范围的大小,以及所要求被监视场景画面的清晰程度。

  镜头规格(镜头规格一般分为1/3″、1/2″和2/3″等)一定的情况下,镜头焦距与镜头视场角的关系为:镜头焦距越长,其镜头的视场角就越小(见图1所示);在镜头焦距一定的情况下,镜头规格与镜头视场角的关系为:镜头规格越大,其镜头的视场角也越大。所以由以上关系可知:在镜头物距一定的情况下,随着镜头焦距的变大,在系统末端监视器上所看到的被监视场景的画面范围就越小,但画面细节越来越清晰;而随着镜头规格的增大,在系统末端监视器上所看到的被监视场景的画面范围就增大,但其画面细节越来越模糊。在镜头规格及镜头焦距一定的前提下,CS型接口镜头的视场角将大于C型接口镜头的视场角。

  镜头视场角可分为图像水平视场角以及图像垂直视场角,且图像水平视场角大于图像垂直视场角,通常我们所讲的视场角一般是指镜头的图像水平视场角。

  在狭小的被监视环境中如电梯轿箱内,狭小房间均应采用短焦距广角或超广角定焦镜头,如选用镜头规格为1/2″,CS型接口,镜头焦距为3.6mm2.6mm镜头,这些镜头视场角均不小于99°或127°,这对于摄像机在狭小空间里一般标高为2.5m左右时,其镜头的视场角范围足以覆盖整个近距离狭小被监视空间。也可根据现场实际情况选用手动变焦镜头如日产Computar T2Z2814CS2镜头,这种镜头为1/3CS型接口手动光圈镜头,其焦距2倍可调(手动调焦)。调焦范围为2.86.0mm,视场角变化范围为96°~47.2°,这种镜头非常适合在狭小的被监视环境中使用,在使用时可方便地根据实际需要,灵活实现对被监视场景的“点”或“面”的监视效果。

  对于一般变焦()镜头而言,由于其最小焦距通常为6.0mm左右,故其变焦()镜头的最大视场角为45°左右,如将此种镜头用于这种狭小的被监视环境中,其监视死角必然增大,虽然可通过对前端云台进行操作控制,以减少这种监视死角,但这样必将会增加系统的工程造价(系统需增加前端解码器、云台、防护罩等),以及系统操控的复杂性,所以在这种环境中,不宜采用变焦()镜头。

  在开阔的被监视环境中,首先应根据被监视环境的开阔程度,用户要求在系统末端监视器上所看到的被监视场景画面的清晰程度,以及被监视场景的中心点到摄像机镜头之间的直线距离为参考依据,在直线距离一定且满足覆盖整个被监视场景画面的前提下,应尽量考虑选用长焦距镜头,这样可以在系统末端监视器上获得一幅具有较清晰细节的被监视场景画面。在这种环境中也可考虑选用变焦()镜头(电动三可变镜头),这可根据系统的设计要求以及系统的性能价格比决定,在选用时也应考虑两点:(1)在调节至最短焦距时(看全景)应能满足覆盖主要被监视场景画面的要求;(2)在调节至最长焦距时(看细节)应能满足观察被监视场景画面细节的要求。通常情况下,在室内的仓库、车间、厂房等环境中一般选用6倍或者10倍镜头即可满足要求,而在室外的库区、码头、广场、车站等环境中,可根据实际要求选用10倍、16倍或20倍镜头即可(一般情况下,镜头倍数越大,价格越高,可在综合考虑系统造价允许的前提下,适当选用高倍数变焦镜头)

 

3、正确选用镜头焦距的理论计算

 

  摄取景物的镜头视场角是极为重要的参数,镜头视场角随镜头焦距及摄像机规格大小而变化(其变化关系如前所述),覆盖景物镜头的焦距可用下述公式计算:

(1)f=u·D/U

(2)f=h·D/H

f:镜头焦距、U:景物实际高度、H:景物实际宽度、D:镜头至景物实测距离、u:图像高度、h:图像宽度

 

举例说明:

  当选用1/2″镜头时,图像尺寸为u=4.8mmh=6.4mm。镜头至景物距离D=3500mm,景物的实际高度为U=2500mm(景物的实际宽度可由下式算出H=1.333·U,这种关系由摄像机取景器CCD片决定)

  将以上参数代入公式(1)中,可得f=4.8·3500/2500=6.72mm,故选用6mm定焦镜头即可