摄像机知识

 一、摄像机的分类

    按光电转换器件可分为光电导摄像管、固体光电传感器CCD、互补金属氧化物半导体CMOS。

 

二、CCD摄像机

1、定义

CCD是电荷耦合器件（Charge Coupled Device)的简称，它能够将光线变为电荷并将电荷存储及转移，也可将存储的电荷取出使电压发生变化，因此是理想的摄像机元件。以其构成的CCD摄像机具有体积小、重量轻、不受磁场影响、具有抗震动和撞击之特性而被广泛应用。

2、分类

(1)按成像色彩划分

u         彩色摄像机：适用于景物细部辨别，如辨别衣服或景物的颜色。因有颜色而使信息量增大，信息量一般认为是黑白摄像机的10倍。

u         黑白摄像机：用于光线不足地区及夜间无法安装照明设备的地区，在仅监视景物的位置或移动时，可选用分辨率通常高于彩色摄像机的黑白摄像机。

(2)按分辨率划分

u         低档型：25万像素左右、彩色分辨率为330线、黑白分辨率400线左右。

u         中档型：25～38万像素之间、彩色分辨率为420线、黑白分辨率在500线上下。

u         高档型：38万像素以上、彩色分辨率大于或等于480线、黑白分辨率600线以上。

(3)按灵敏度划分

u         普通型：正常工作所需照度为1～3 LUX。

u         月光型：正常工作所需照度为0.1 LUX左右。

u         星光型：正常工作所需照度为0.01 LUX以下。

u         红外照明型：原则上可以为零照度，采用红外光源成像。

夏日阳光下

100,000 Lux

阴天室外

10,000 Lux

电视台演播室

1,000 Lux

黄昏室内

10 Lux

室内日光灯

100 Lux

夜间路灯

0.1 Lux

(4)按摄像元件CCD靶面的大小划分

    摄像元件CCD靶面的大小分为1 英寸、2/3英寸、1/2 英寸、1/3 英寸、1/4 英寸等，其中以1/3 英寸和1/2 英寸最为常见，1/5 英寸靶面的CCD 正在开发中。

CCD尺寸

水平（mm）

垂直（mm）

对角线（mm）

1英寸

12.7

9.6

16

2/3英寸

8.8

6.6

11

1/2英寸

6.4

4.8

8

1/3英寸

4.8

3.6

6

1/4英寸

3.2

2.4

4

3、主要技术性能

(1)清晰度

    清晰度数是衡量摄像机优劣的一个重要参数，它指的是当摄像机摄取等间隔排列的黑白相间条纹时，在监视器上能够看到的最大线数。当超过这一线数时，屏幕上只能看到灰蒙蒙的一片而不能再辨出黑白相间的线条。

工业监视用摄像机的分辨率通常在380～460 线之间。

清晰度是由摄像器件像素多少决定的，摄像器件的像素越多，清晰度越高，摄像机的档次越高。

(2)最低照度

最低照度是当被摄景物的光亮度低到一定程度而使摄像机输出的视频信号电平低到某一规定值时的景物光亮度值。

一般彩色摄像机的最低照度为2～3 Lux，照度的测定是以在一定的镜头光圈系数为前提，因此，不能只看摄像机说明书中标明的最低照度。最低照度越小，摄像机档次越高。

相对于彩色摄像机而言，黑白摄像机由于没有色度处理而只对光线的强弱（亮度）信号敏感，所以黑白摄像机的照度比彩色摄像机照度要低，在F1.4 时一般可做到0.1 Lux，至于微光摄像机则更低。

(3)信噪比

    信噪比也是摄像机的一个重要的性能指标。当摄像机摄取较亮场景时，监视器显示的画面通常比较明快，观察者不易看出画面中的干扰噪点；而当摄像机摄取较暗的场景时，监视器显示的画面就比较昏暗，观察者此时很容易看到画面中雪花状的干扰噪点。干扰噪点的强弱与摄像机信噪比指标的好坏有直接关系，即摄像机的信噪比越高，干扰噪点对画面的影响就越小。

    信噪比是信号电压对于噪声电压的比值，通常用符号S/N 来表示。由于在一般情况下，信号电压远高于噪声电压，且比值非常大。因此，实际计算摄像机信噪比的大小，通常都是对均方信号电压与均方噪声电压的比值取以10 为底的对数再乘以系数20，单位用dB表示。

    一般摄像机给出的信噪比值均是在自动增益控制关闭时的值，因为当增益接通时，会对小信号进行提升，使得噪声电平也相应提高。CCD 摄像机信噪比的典型值一般为45～55dB。测量信噪比参数时，应使用视频杂波测量仪直接连接于摄像机的视频输出端子上。

(4)自动增益控制（AGC）

    所有摄象机都有一个将来自 CCD 的信号放大到可以使用水准的视频放大器，其放大量即增益，等效于有较高的灵敏度，可使其在微光下灵敏，然而在亮光照的环境中放大器将过载，使视频信号畸变。为此，需利用摄象机的AGC电路去探测视频信号的电平，适时地开关AGC，从而使摄象机能够在较大的光照范围内工作，此即动态范围，即在低照度时自动增加摄象机的灵敏度，从而提高图像信号的强度来获得清晰的图像。具有AGC 功能的摄像机，在低照度时的灵敏度会有所提高，但此时的噪点也会比较明显，这是由于信号和噪声被同时放大的缘故。

(5)背光补偿（BLC）

    也称作逆光补偿或逆光补正，它可以有效补偿摄像机在背光环境下拍摄时画面主体黑暗的缺陷。通常，摄象机的AGC 工作点是通过对整个视场的内容作平均来确定的，但如果视场中包含一个很亮的背景区域和一个很暗的前景目标，则此时确定的AGC 工作点有可能对于前景目标是不够合适的，背光补偿有可能改善前景目标显示状况。

    当引入背光补偿功能时，摄像机仅对整个视场的一个子区域进行检测，通过求此区域的平均信号电平来确定AGC电路的工作点。由于子区域的平均电平很低，AGC放大器会有较高的增益，使输出视频信号的幅值提高，从而使监视器上的主体画面明朗。此时的背景画面会更加明亮，但其与主体画面的主观亮度差会大大降低，整个视场的可视性得到改善。

    当背光补偿为开启时，摄象机仅对整个视场的一个子区域求平均来确定其AGC 工作点，此时如果前景目标位于该子区域内时，则前景目标的可视性有望改善。

(6)电子快门（ES）

电子快门是对比照相机的机械快门功能提出一个术语，它相当于控制CCD 图像传感器的感光时间。由于CCD 感光的实质是信号电荷的积累，感光时间越长，则信号电荷的积累时间就越长，输出信号电流的幅值也就越大。通过调整光信号电荷的积累时间（即调整时钟脉冲的宽度），即可实现控制CCD 感光时间的功能。

当电子快门关闭时，对NTSC 摄像机，其CCD累积时间为1/60 秒；对于PAL 摄像机，则为1/50 秒。当电子快门打开时，对于NTSC 摄像机，其电子快门以261 步覆盖从1/60 秒～1/10000 秒的范围；对于PAL 摄像机，其电子快门以311 步覆盖从1/50 秒～1/10000 秒的范围。

当电子快门速度增加时，在每个视频场允许的时间内，聚焦在CCD 上的光减少，结果将降低摄像机的灵敏度，然而，较高的快门速度对于观察运动图像会产生一个“停顿动作”效应，这将大大地增加摄像机的动态分辨率。

(7)白平衡（WB）

白平衡只用于彩色摄象机，其用途是实现摄象机图像能精确反映景物状况，有手动白平衡和自动白平衡两种方式。

自动白平衡分为连续白平衡和自动控制白平衡。

连续白平衡也称为自动跟踪白平衡，是随着景物色彩温度的改变而连续地调整，范围为2800～6000K。这种方式对于景物的色彩温度在拍摄期间不断改变的场合是最适宜的，使色彩表现自然，但对于景物中很少甚至没有白色时，如场景大部分是蓝天白云或夕阳等高色温物体及场景比较昏暗的场合下，连续的白平衡不能产生最佳的彩色效果。

自动控制白平衡需要先将摄象机对准诸如白墙、白纸等白色参考目标，然后将通过菜单或开关设置从手动改变为自动方式，保留在该位置几秒钟或者至图像呈现白色为止，在白平衡被执行后，将自动方式开关拨回手动位置以锁定该白平衡的设置，此时白平衡设置将保持在摄象机的存储器中，直至再次执行被改变为止，其范围为2300～10000K，在此期间，即使摄象机断电也不会丢失该设置。

(8)同步方式

摄像机的同步方式一般有内同步、电源同步和外同步。内同步（INT）是利用摄象机内部的晶体振荡电路产生同步信号来完成操作。电源同步（LL），也称之为线性锁定或行锁定，是利用摄象机的交流电源来完成垂直推动同步，即摄象机和电源零线同步。外同步（EXT）利用一个外同步信号发生器产生的同步信号送到摄象机的外同步输入端来实现同步。

同步信号可以是彩色复合视频或黑色突法信号（VBS）、黑白复合视频或复合同步信号（VS），也可以是如矩阵等外部设备的复用垂直驱动信号（VD2）和复合视频输出信号。

4、技术发展趋势

(1)CCD传感器的像面尺寸向集成化、轻量化、高像素、多制式发展

    制造CCD 传感器的硅片和加工成本很高。由于光刻机的进步，所以在仍保持具有很高灵敏度的特性下，CCD 传感器的尺寸向1/2 英寸、1/3 英寸、1/4 英寸、1/5 英寸的方向发展。

    各种CCD 传感器的像面尺寸在减少，但其像素数在增加，已由早期的512（H）×596（V）向795（H）×596（V）发展，甚至出现超过百万像素的CCD 传感器。为提高水平方向和垂直方向的分辨能力，已从通常的隔行扫描向逐行扫描格式发展。

(2)降低CCD 传感器的工作电压、减少功耗

    在初期研制的CCD 摄像机有+24V、+22V、+17V和+5V等，目前通用的为+12V。为配合PC摄像机和网络图像传输的应用，逐步以+12V和+5V两种工作电压为主。

(3)提高CCD 摄像机的制造效率

    为了降低CCD 摄像机的制造成本，实现高速自动化生产，制造厂家追求紧密性结构，致力于CCD 摄像机的小型化。到目前为止，已实现多层板的多芯片集成模组化制造技术（MCM）。

(4)CCD 摄像机的数字化

在制造CCD 摄像机时，从以往的Analog 模拟系统逐步实现DSP 数字化处理，可以借助电子计算机和专门软件系统实现对CCD 摄像机，特别是对彩色CCD 摄像机的各种参数的量化调整，可以确保CCD 摄像机性能指标的优化一致性以及在特殊使用条件下的参数量化修改。

 

三、CMOS摄像机

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。CMOS传感器的感光度一般在6～15Lux的范围内，CMOS传感器有固定比CCD传感器高10倍的噪音，固定的图案噪音始终停留在屏幕上好像那就是一个图案。因为CMOS传感器在10Lux以下基本没用，因此一般只用于非常低端的家庭安全方面。

CMOS传感器不需要复杂的处理过程，直接将图像半导体产生的电子转变成电压信号，比CCD传感器要快10到100倍。因此使得CMOS传感器对于高帧摄像机非常有用，高帧速度能达到400～2000帧/秒。这个优点对于眺望高速移动的物体非常有用。但由于没有高速的数字讯号处理器，所以市场上只有很少的高速摄像机，且一般价格都非常高。

　　CMOS传感器可以将所有逻辑和控制环都放在同一个硅芯片块上，可以使摄像机变得简单并易于携带，因此CMOS摄像机可以做得非常小。

　　CMOS摄像机尽管耗能同样或者高于CCD摄像机，但是CMOS传感器使用很少的圆环如CDS、TG和DSP环，所以同样尺寸的总能量消耗比CCD摄像机减少了1/2到1/4。