CCD摄像知识

CCD摄像机分类
安全防范系统中，图像的生成当前主要是来自CCD摄像机,CCD是电荷耦合器件（charge coupled deice)的简称，它能够将光线变为电荷并将电荷存储及转移，也可将存储之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、部受磁场影响、具有抗震东和撞击之特性而被广泛应用。

CCD摄像机大致可分为下列几大类：
依成像色彩划分
(1)彩色摄像机：适用于景物细部辨别，如辨别衣着或景物的颜色。

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。

(2)黑白摄像机：是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。

依摄像机分辨率划分
(1)影像像素在25万像素（pixel）左右、彩色分辨率为330线、黑白分辨率420线左右的低档型。

(2)影像像素在25万~38万之间、彩色分辨率为420线、黑白分辨率在500线上下的中档型
(3)影像在38万点以上、彩色分辨率大于或等于480线、黑白分辨率，570线以上的高分辨率。

依摄像机灵敏度划分
(1)普通型：正常工作所需照度为1~3Lux
(2)月光型：正常工作所需照度为0.1 Lux左右
(3)星光型：正常工作所需照度为0.01 Lux以下
(4)红外照明型：原则上可以为零照度，采用红外光源成像。

按摄像元件的CCD靶面的大小划分
(1)l inch 靶面尺寸为宽12.7mmX高9.6mm,对角线16mm
(2)2/3inch靶面尺寸为宽8.8mmX高6.6mm,对角线11mm
(3)1/2inch靶面尺寸为宽6.4mmX高4.8mm,对角线8mm
(4)1/3inch靶面尺寸为宽4.8mmX高3.6mm,对角线6mm
(5)1/4inch靶面尺寸为宽3.2mmX高2.4mm,对角线4mm
(6)1/5inch正在开发之中，尚未推出正式产品
此外CCD摄像机有PAL制和NTSC制之分，还可以按图像信号处理方式划分或按摄像机结构区分。

1. 什么是CCD摄像机？
CCD是Charge 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.
4。

参考环境照度：
夏日阳光下100000Lux 阴天室外10000Lux
电视台演播室1000Lux 距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(宽X高) 对角线 1/2
6.4x4.8mm 8mm 1/3 4.8x3.6mm 6mm
CCD摄像机质量对网络摄像机的影响
提要：网络摄象机(网络摄象服务器、视频服务器、网络视频转换器等)采用的CCD摄像机的质量对带宽的影响很大，采用优质的CCD摄像机可以大大减少网络摄象机的带宽。

1. 问题的提出
网络摄象机技术的发展，特别是宽带网络的普及，使得基于网络的网络监控应用正在普及。

灵活的监视和控制配置、与信息网络紧密融合、长距离远程监控等优势都是传统监控所不可比拟的。

如何正确掌握及合理应用网络摄象机是用户面临的新课题。

网络摄象机实际应用中的主要问题，第一是图像压缩技术问题：第二就是网络带宽数据传输问题。

所谓解决带宽问题的实质就是如何在有限的带宽上传输更高质量的图像，当然还有计算机操作系统软件管理能力的提高（解压）问题；图像数据压缩技术的发展以及高速中央处理器的应用等都是解决网络摄象机图像压缩问题的基础技术，许多技术（特别是MPEG4）的发展，无疑使我们今天的网络摄象机能够比以前取得更大的图像压缩比。

但是否有了这些就足够了呢？答案是否定的。

2. 提高原始参考图像质量是图像压缩的关键
在一定的压缩技术和一定的应用环境下，是什么因素影响网络摄象机的带宽呢？这就是系统前端使用的CCD摄像机是否能够送出稳定干净的图像，即每一帧都作为新增加原始参考图像呢，还是作为不变的可压缩的变异图像，这个因素往往被大家忽视。

不稳定不干净的图像输入到网络摄象机后，网络摄象机识别为新增加的原始参考图像而被重新传输。

本来不变的可压缩的变异图像被误判成新增加原始参考图像，表现为带有色偏、色滚、画面扭曲或滚动、干扰条纹、噪点等等。

实践证明，网络摄象机传输的这些不稳定不干净的图像本来应该作为没有变异的图像传输，那么这些图像数据所占用的传输带宽就一定很大。

为什么会出现这个结果呢？这要从图像数据压缩原理去理解。

图像数据压缩通常主要通过两个环节来实现：第一个环节是对图像尺寸的压缩，图像尺寸越小，图像数据就越短，从而达到压缩数据量的目的。

第二个环节是对图像形成过程的压缩，就是在连续图像传输的过程中，我们只传输图像中变化的部分，而使相对静止的部分不传输，这样使图像数据变短而实现了压缩，也就减少占用过多的带宽，。

比如，我们监控一个房间里的情况。

在房间里没有人或动物走动时，我们看到的图像是静止的，此时网络摄象机没有必要重复传输那么多相同的画面，所以静止状态所占用的带宽很小。

而当有人或动物走动时，网络摄象机只需传输图像变化的部分，这样就使整个图像数据大为减短。

图像数据虽然减短了，但是仍然忠实的记录了房间内的全部情况。

网络摄象机在识别图像是静止还是活动的依据主要是检测图像的灰度（或色阶）是否发生变化，没变化就是静止的，反之就是活动的。

可是影响灰度变化的因素不仅是移动的人和物体，而且还有光线的变化和我们上面提到的不稳定和不干净图像噪声信号的影响，在网络摄象机的眼里，即使是静止的房间，对于这些不稳定不干净的图像它也认为是变异的画面而增加了图像的数据，而这些是我们不需要的。

3. 采用优质CCD摄像机确保变异图像减少
采用优质CCD摄像机可以提高信噪比和实现高速追踪白平衡是确保变异画面减少，从而减少网络摄象机带宽的关键。

没有噪声的画面就是干净的画面，表现的指标就是信噪比高，相反，信噪声比不好的CCD摄像机的画面中充满噪点，而噪点在画面中的位置是没有重复性的，每一祯画面都不一样，在网络摄象机看来每幅都是全屏变化的图像，压缩后数据最大，占用的带宽也最多。

实验表明，这样的画面数据比干净画面的数据要大30%以上甚至更多，这就是我们很多用户的网络摄象机带宽增大的主要原因之一。

另外一个参数是CCD摄像机的追踪白平衡的速度，这个参数实际上反映的是CCD摄像机中所用的DSP芯片的运算速度指标，普通CCD摄像机的DSP的运算速度为10万次/秒，优质CCD摄像机中的DSP的运算速度可达1000万次/秒，整整差100倍。

DSP快了有什么好处呢？比较容易想到的是色彩漂移问题，因为运算速度快慢直接影响到它对白平衡跟踪的速度。

我们可以用日光灯环境来说明这个问题。

一般的CCD摄像机白平衡速度通常是在120毫秒到160毫秒之间，也就是说大致需要6—8个图场（PAL制为50场/秒）才能完成1个白平衡的变化，这样的速度肯定跟不上日光灯光源的变化。

日光灯1秒钟亮灭的变化为100次，也就是20毫秒就要变化一次，显然一般摄像机是跟不上这个变化
速度的，因此在日光灯照明的环境下，所摄图像就会产生色偏和色漂移的现象，原本静止的画面就会变成颜色周期性变化的“活动“图像，这样受骗的自然又是网络摄象机了。

但是如果CCD摄像机的DSP的运算速度快，如仅用1毫秒就可以平衡一次白平衡的变化，就完全可以得到非常稳定的图像。

这个例子的启示是：随着环保和节能要求的不断提高，脉冲式照明的应用也会日益广泛，而在这样的形势下，网络摄象机对采用的CCD摄像机的DSP的运算速度的要求就会变成必须了，也就是说，对CCD摄像机DSP的运算速度的要求将成为网络监控（硬盘录像机也一样）的一项指标。

从以上的分析可以看出，优质CCD摄像机（提供52db-60db的信噪比指标和1000万次/秒DSP运算速度）可以大大提高网络摄象机的应用质量。

当然，影响CCD摄像机画质的指标还有CCD的灵敏度指标，灵敏度指标高的CCD摄像机可以提高照度低时的信噪比。

值得说明的是，CCD摄像机的清晰度指标对画质的影响不大，而对网络摄象机的带宽的利用有极大影响。

清晰度越高的图像占用存储空间越大，盲目追求网络摄象机的高清晰度不仅提高了使用造价，而且增加了图像的传输、处理和存储数据，这是不科学的选择。

电视监控系统前端设备选择
在电视监控系统中，由于设备选择不当，导致图像质量下降或是大量资金浪费的现象屡
见不鲜。

合理选择电视监控设备、集成较高性能价格比的系统，是安全防范行业同仁一直追
求的目标。

文章从实际应用的角度介绍了如何合理选择电视监控系统的前端设备，为系统的
集成提供了可借鉴的经验。

关键词电视监控系统设备选择
电视监控系统前端设备主要包括：摄像机、镜头、云台、防护罩、支架、控制解码器、
射灯等。

目前，这些设备生产厂家很多，其品牌、型号、功能各异。

因此，合理选择这些设
备，对提高电视监控系统图像质量颇为重要。

下面结合工程实际谈些体会。

1摄像机的选择
摄像机是电视监控系统核心设备，根据用户要求，合理选择非常重要。

现在安全防范用
的电视监控系统一般都采用CCD摄像机，因为它与真空管摄像机相比具有体积小、重量轻；
惰性小；灵敏度高；图像均匀性好；抗冲击性好；寿命长等优点。

在实际工程中，如果监视
目标照度不高，而用户对监视图像清晰度要求较高时，宜选用黑白CCD摄像机；如果用户
要求彩色监视时，应考虑加辅助照明装置，或选用彩色�黑白自动转换的CCD摄像机，
这种摄像机当监视目标照度不能满足彩色摄像要求时自动转为黑白摄像。

在确定用黑白摄像机还是用彩色摄像机之后，进而要考虑的问题是摄像机的技术指标。

主要考虑的指标如下所述。

1.1分辨率(清晰度)
表示摄像机分辨图像细节的能力，通常用电视线(TVL)表示。

它取决于CCD芯片的像素数、镜头的分解力和摄像系统的带宽。

黑白摄像机水平清晰度一般要选择450TVL左右的，考虑到施工等因素，系统的最终清晰度能满足我国行业标准GB/T16676－1996中规定的380TVL。

彩色摄像机水平清晰度一般要选择大于350TVL的，因为人眼对彩色难于分辨更细，这样选择也能满足GB/T16676－1996中对彩色监视系统270TVL的要求。

1.2灵敏度
在镜头光圈大小一定的情况下，获取规定信号电平所需要的最低靶面照度。

例如：使用F1.2的镜头，当被摄物体表面照度为0.04Lx时，摄像机输出信号的幅值为350mV，即最大幅值的50％，则称此摄像机的灵敏度为0.04Lx/F1.2。

如果被摄物体表面照度再低，监视器屏幕上将是一幅很难分辨层次的灰暗图像。

根据经验一般所选摄像机的灵敏度为被摄物体表面照度的1/10时较为合适。

1.3信噪比
即信号电压与噪声电压的比值。

CCD摄像机信噪比的典型值在45～55dB之间。

一般的电视监控系统中要选50dB左右的，这样不仅能满足行业标准中规定系统信噪比不小于38dB 的要求，更重要的是当环境照度不足时，信噪比越高的摄像机图像就越清晰。

1.4工作温度
－10～＋50℃是绝大多数摄像机生产厂家的温度指标。

视使用地区的温度变化加防护或特别防护。

1.5电源电压
国外摄像机交流电压适应范围一般是198～264V抗电源电压变化能力较强；国内摄像机交流电压适应范围一般是200～240V，抗电源电压变化能力较弱，在系统中使用时一般需稳压电源。

2镜头的选择
镜头种类繁多，分类方式就有好几种，我们只从控制方式上谈谈如何选择摄像机镜头。

2.1手动光圈定焦镜头
这种镜头用于监视固定目标，且光照度变化较小的场合。

这种镜头价格比较便宜。

所需焦距大小可用下式估算。

f=A·L/H
式中：f—镜头焦距
A—摄像机成像面高度
L—被摄物体到镜头距离
H—被摄物体高度
焦距越大，视场角越小，监视范围越窄；焦距越小，视场角越大；监视范围越宽。

2.2自动光圈定焦镜头
当进入镜头的光通量变化时，摄像机CCD成像面上产生的电荷也相应变化，使视频信号电平发生变化，产生一个控制信号，驱动镜头内的微型电机正向或反向转动，从而调整光圈的大小。

当视场照度变化在100倍以上时，选这种镜头。

但需注意的是：如果视场照度不均匀，特别是监视目标与背景光反差较大时，采用这种镜头摄像效果不理想。

2.3自动光圈电动变焦镜头
此镜头与自动光圈定焦镜头相比增加了两个微型电机，其中一个电机与镜头的变焦环啮合，受控转动时，可改变镜头的焦距；另一个电机与镜头的聚焦环啮合，受控转动时完成镜头的聚焦。

由于增加了两个微型电机，这种镜头的价格较贵。

2.4电动三可变镜头
与自动光圈变焦镜头相比只是对光圈的调整由自动控制方式改为遥控器控制。

它也含三个微型电机，通过一组6芯控制线与控制器相连。

目前这种镜头应用较多。

在选择镜头时，除根据不同场合、不同要求选择不同控制方式的镜头外，还要考虑下面问题。

(1)镜头尺寸要与摄像机成像面尺寸一致。

例如：1/3″摄像机要选1/3″镜头。

在难以一致时，可用大尺寸镜头配小尺寸摄像机；反之不行。

(2)镜头接口与摄像机接口要一致，不一致时要加连接圈。

例如：C型镜头安装在CS型摄像机上时，必须在C型镜头上加连接圈，如果不加连接圈就可能碰坏CCD成像面的保护玻璃，造成CCD摄像机的损坏。

3云台、防护罩、支架、控制解码器的选择
3.1云台
云台可以简单理解成安装摄像机的底座，只是这个底座可以全方位(水平和垂直两个方向)或(水平方向)转动。

因此，云台的使用扩大了摄像机的视野。

在电视监控系统中，需要巡
回监视的场所(如大厅等)都要使用云台。

选用云台时要注意以下几点。

(1)所选云台的负荷能力要大于实际负荷的1.2倍。

就是说云台上所有设备重量之和应小于云台的负荷能力，如果让云台满负荷或是超负荷运行，虽能免强工作，但启动时惰性大，特别是垂直转动时更困难，极大的影响了巡视效果。

(2)云台转动停止时应有较好的自锁性能，刹车时回程角应小于1
(3)室内云台在最大负荷时，噪声应小于50dB。

3.2防护罩
用于保护摄像机的装置叫防护罩。

有室内、室外之分，室内防护罩主要作用是防尘；而室外防护罩除防尘之外，更主要的作用是保护摄像机在较恶劣自然环境(如雨、雪、低温、高温等)下工作。

这不仅要求严格的密封结构，还要有雨刷、喷淋装置等，同时具有升温和降温功能。

由此决定了室外防护罩的价格远高于室内防护罩。

选择防护罩时还应注意的是：防护罩的标称尺寸与摄像机标称尺寸一致，即1/3″摄像机选用1/3″防护罩。

若难于一致时，可用大尺寸防护罩配小尺寸摄像机；反之不行。

3.3支架
用于固定摄像机的部件，有壁装、吊装等型式。

支架的选择比较简单，只要其负荷能力大于其上所装设备总重量即可，否则易造成支架变形，云台转动时产生抖动，影响监视图像质量。

3.4控制解码器
在有云台、电动镜头和室外防护罩的电视监控系统中，必须配有控制解码器。

这样在控制室中操纵键盘相应按键即可完成对前端设备各动作及功能的控制。

控制解码器必须与系统主机同一品牌，这是因为不同厂家生产的控制解码器与系统主机的通信协议、编码方式一般都不相同，除非某控制解码器在说明书中特别说明该设备与某个品牌的主机兼容，否则绝不可选用。

4射灯的选择
目前绝大多数电视监控系统均配置随摄像机转动的射灯以辅助照明，其最大好处是灵活、方便，且价格不贵。

黑白电视监控系统宜配置高压水银灯；彩色电视监控系统宜配置碘钨灯。

当需夜间隐蔽监视时应用红外射灯。

红外射灯一种是在普通照明灯前加滤光片，另一种是由红外发光二极管阵列构成。

前者耗能较大，且常产生“红暴”(由于滤光不净，有少量红光被人眼看到)；后者极少产生“红暴”，但照射距离较近。

另外，还需提醒的是：红外射灯对彩色电视监控系统不起作用，这是由于红外光被彩色摄像机中的彩色滤色器滤掉的缘故。

防护罩
防护罩是监控系统中重要的组件。

它是使摄像机在有灰尘、雨水、高低温等情况下正常使用的防护装置。

防护罩一般分为两类。

一类是室内用防护罩，这种防护罩结构简单，价格便宜。

其主要功能是防止摄像机落灰并有一定的安全防护作用，如防盗、防破坏等。

另一类是室外用防护罩，这种防护罩一般为全天候防护罩，即无论刮风、下雨、下雪、高温、低温等恶劣情况，都能使安装在防护罩内的摄像机正常工作。

因而这种防护罩具有降温、加温、防雨、防雪等功能。

同时，为了在雨雪天气仍能使摄像机正常摄取图像，一般在全天候防护罩的玻璃窗前安装有可控制的雨刷。

目前较好的全天候防护罩是采用半导体器件加温和降温的防护罩。

这种防护罩内装有半导体元体，既可自动加温，也可自动降温，并且功耗较小。

另外，还有半球形、球形防护罩，这种防护罩内置万向可调支架，造型美观。

室外防护罩密封性能一定要好，保证雨水不能进入防护罩内部侵蚀摄像机。

有的室外防护罩还带有排风扇、加热板、雨刮器，可以更好的保护设备。

当天气太热时，排风扇自动工作；太冷时加热板自动工作；当防护罩玻璃上有雨水时，可以通过控制系统启动雨刮器。

摄象机防护罩的选择，首先是要包容所使用的摄象机加镜头，并留有适当的富余空间，其次是依据使用环境选择适合的防护罩类型，在此基础上，将包括防护罩及云台在内的整个摄像前端之重量累计，选择具有相应承重值的支架。

还要看整体结构，安装孔越少越利于防水，再看内部线路是否便于联接，最后还要考虑外观、重量、安装座等等。

在防护罩中，除了用于一体化摄像系统的球形防护罩外，还有圆柱形、长方形等不同形状，应用场合有室内型和室外型两大类。

室内摄象机防护罩以装饰性、隐蔽性和防尘为主要目标，而室外型因属全天候应用，要能适应不同的使用环境。

防护罩的材料主要有铝质、合金、挤压成型、不锈钢等。