摄像机基础

Bayer pattern Sensor的结构
大部分的彩色摄像机都是使用单传感器获取图像信息。每个传 感器表面覆盖有一个CFA（Color Filter Array），使每个像素 只能获得R、G、B三基色中的一种彩色分量。
背照式（BSI）和前照式（FSI）Sensor
在传统CMOS感光元件中，感光二极管位于电路晶体管后方，
• 有效像素——Effective Pixels，指真正参与感光成像的像素
值。 • 总像素——Sensor的真实像素，这个数据通常包含了Sensor 的非成像部分。 • 像元尺寸（Pixel size）—— 单个像素的尺寸
• Sensor尺寸——指Sensor的靶面大小，常见的有1/2.5”、
1/2.8”、 1/2.7”、 1/3”等等。
镜头的常见问题
产生边角模糊可能的原因： 镜头边缘部分的解析力不够； 组装时镜头的光轴产生倾斜，与sensor表面不垂直； Sensor贴片没贴平； 镜头受力产生倾斜； 调焦手法问题，没有调至合适的焦点；
滤光片 （IR cut）
滤光片
滤光片的作用 —— 阻隔不需要的光波频段，修正白天图像偏色
进光量会因遮挡受到影响。所谓背照式CMOS就是将它掉转方 向，让光线首先进入感光二极管，从而增大感光量，显著提高 低光照条件下的拍摄效果。
NIR
传统近红外传感器在850nm波长处的量子效率（QE）为20%，
在940nm为8%。具有NIR功能的Sensor，通过新型的架构设计 和工艺，使得QE在近红外波段得到大幅提升。
噪点位置找出，对其进行处理，从而减少噪点。采用3D降噪的 摄像机，图像噪点会明显减少，图像会更透彻。
降噪（Noise Reduction）
2D降噪的优缺点： 优点：运动物体不会有拖影； 缺点：细节损失较多，对清晰度有很大的影响，不能消除噪声 跳动； 3D降噪的优缺点： 优点：对清晰度影响较小，能抑制噪声跳动，画面更干净； 缺点：运动物体会有拖影；
Sensor的性能评价
• 温度稳定性
• 灵敏度 • 色彩还原性 • 信噪比 • 动态范围
ISP
ISP模块功能介绍
ISP(Image Signal Processor)—— 图像信号处理器，其作用是
将Sensor输出的图像信号进行各种图像处理，如色彩插值、降 噪（Noise Reduction）、锐化（Sharpness）、白平衡 （AWB），自动曝光控制（AE），自动对焦（AF）亮度控制， Gamma调整等等。 公司现有产品使用的ISP平台： 海思、联咏、Nextchip、富瀚
镜头的参数
焦距—— 从镜头的中心点到传感器平面上所形成的清晰影像之
间的距离。镜头的焦距决定了该镜头拍摄的物体在传感器上所形 成影像的大小。假设以相同的距离面对同一物体进行拍摄，那么 镜头的焦距越长，视场角就越小；焦距越短，视场角就越大。
镜头的参数
同一台摄像机，相同拍摄距离，不同焦距时成像大小的对比
镜头的常见问题
镜头阴影 —— 也叫Lens Shading。镜头的物理结构决定了 sensor 的中心比外围能接收到更多的光，相对中心来说外围就 是阴影。
镜头的常见问题
镜头鬼影 /眩光 —— 镜头眩光是逆光摄影中
经常出现的一个问题，一般表现为耀斑、光线 甚至雾化现象，严重影响图像的质量。 产生眩光的原因：一般镜头由多个镜片组成， 每个镜片都有两个反射面，一个镜头会有多个 反射面。反射面越多，光线进入镜头后反射和 扩散次数就会越多，这种内部的反射最后出现
问题，提升夜晚图像亮度。目前安防摄像机基本上都是使用移
动滤光片，它由一片红外截止或吸收滤光片和一片全透光谱滤 光片 + 动力部分（电磁或电机）构成。
太阳光光谱
380nm —— 人眼识别范围 —— 780nm Sensor的光谱 响应曲线
滤光片
常用的IRcut有以下两种：
钟摆式
抽屉式
IR-Cut切换不良
坏点校正
坏点校正功能的实质是对坏点进行亮度补偿，用临近像素的平
均值替换掉坏点像素的值。所以坏点校正会对清晰度有一定的 损失，校正强度越高，坏点越少，清晰度下降越多。 目前IPC使用的都是动态坏点校正，只能处理单个坏点，对于连 在一起的多个坏点、大坏点无法校正。
宽动态（Wide Dynamic Range）
卷帘快门的缺陷
部分曝光
斜坡现象
Sensor的不良现象
干扰 —— 电源导致的横条纹干扰，在高增益/低照度下出现
Sensor的不良现象
FPN（Fixed pattern noise） —— 低照度下图像上有竖条纹
Sensor的不良现象
坏点 ——图像上亮度异常的点，有白点和黑点两种
Sensor的规格
变焦镜头（DC Iris）
CS型安装座摄像机上使用C型镜头的话，需要加一个高度为5mm 的转换接圈 10
安防镜头的分类
变焦镜头
锁紧钉 标签 前组 前压圈
M12定焦镜头
镜片
后组 自动光圈 IR-CUT
主镜筒
Φ 14直插接口
M12螺纹接口
镜头的参数
镜头靶面——也叫镜头的像面尺寸、像面大小，指镜头能清晰成
物体
枕形畸变
桶形畸变
镜头的常见问题
畸变示例图
镜头的常见问题
色散 —— 也叫色差， 俗称“紫边”，指摄像机镜头没有把不同 波长的光线聚焦到同一个焦平面（不同波长的光线的焦距是不同 的），或者和镜头对不同波长的光线放大的程度不同而形成的。
镜头的常见问题
典型场景：灯管、窗户、门口、建筑物、金属物体边缘，高对比 度的物体边缘等。
物理宽动态：运动鬼影
宽动态（Wide Dynamic Range）
物理宽动态：工频干扰
降噪（Noise Reduction）
降噪是指对摄像机图像上的噪点进行处理的过程，分为2D降噪
和3D降噪两种；
2D降噪：也叫空域降噪，是指对单幅图像的噪点进行处理，
将其减弱，处理后的图像会相对柔和；
3D降噪：通过对前后两帧的图像进行对比筛选处理，从而将
变焦镜头，AI镜头，在AZ镜头上多 了一个电机控制光圈开关
CS
定焦：4mm,12mm…… 变焦：2.8-12mm……
定焦CS镜头，通常用在拼接摄像机 中； 变焦CS镜头，通常用在枪机上，镜 头由客户自行采购；
安防镜头的分类
CS/C型镜头
清晰 度 焦距 镜头F 值 定焦镜头 成像靶 面
支持IR功 能
监控摄像机基础
目录 摄像机的构造 镜头 滤光片
P3-5 P6-28 P29-32
图像传感器 ISP
P33-44
P45-67
2
摄像机的构造
IPC的构造
镜头座（C/CS）
ISP
编码与 网络模 块
H.264/H.265 视频流
镜 头
滤光片
图像传感器（CCD/CMOS）
模拟高清摄像机的构造
镜头座（C/CS）
室外图像偏红，偏紫；
室内有自然光的地方偏红 黑色偏红/紫
图像传感器 （Sensor）
Sensor的种类
图像传感器的作用是将光信号转换成电信号。 分类： CCD——电荷耦合器件 优点：成像质量好，信噪比高
缺点：功耗较大，成本较高，制作工艺复杂
CMOS——互补金属氧化物半导体 优点：功耗较小，相同分辨率下成本比CCD低，工艺简单 缺点：噪点较大，成像质量相对较差 常用的传感器品牌：Sony，安森美，OV，思特威等
ISP模块功能介绍
• 坏点校正
• 宽动态 • 降噪 • AWB • AE
• 色彩还原
• Gamma • 锐化
坏点校正
• 坏点 —— 明显异于临近像素的点，分为静态坏点和动态坏点
两种。坏点又有白点和黑点，一般白点比较明显，容易看出。
坏点的多少跟以下因素有关：
Sensor的质量 使用环境和使用时间 温度 增益大小
卷帘快门与全局快门的区别
global shutter
所有像元同时曝光。
rolling shutter
不同行像元的曝光时间不同。
卷帘快门与全局快门的优缺点
Global shutter
优点：曝光时间更短 缺点：增加读出噪声 Rolling shutter
优点：可以达到更高的帧率，更低的噪声
缺点：当曝光不当或者物体移动较快时，会出现部分曝光，斜 坡图形等现象
像的尺寸大小，一般用以下方法表示：1/2.5”、1/3”、Ф 6.9பைடு நூலகம் 选用镜头时，镜头靶面尺寸要与Sensor的尺寸相匹配。
Sensor
Sensor
Sensor
正确
错误
鱼眼
镜头的参数
镜头解像力 —— 指镜头清晰分辨被摄景物细节的能力，单位是
线对（lp/mm）；镜头在中心分辨率是最高的，离中心越远， 清晰度下降越多; 可以用镜头投影仪测试镜头单体的解像力。
宽动态（Wide Dynamic Range）
宽动态（Wide Dynamic Range）
宽动态（Wide Dynamic Range）
宽动态（Wide Dynamic Range）
暗区比较
宽动态（Wide Dynamic Range）
亮区比较
宽动态（Wide Dynamic Range）
镜头
FOV与以下因素有关：
水平视场角
1、镜头设计 2、分辨率 3、Sensor像素尺寸（Pixel
垂直视场角
size）
4、焦距
对角线视场角
镜头
景深（DOF）—— 镜头拍摄景物的清晰范围。当镜头对准被摄 景物时，被摄景物前面的清晰范围叫前景深，后面的清晰范围叫 后景深。前景深和后景深加在一起，也就是整个画面从最近清晰
在图像上。
镜头的常见问题
关于眩光/鬼影需要知道的：
• 反射只能减弱，无法彻底消除 • 任何一颗镜头，在特定的焦距、角度，都有鬼影现象 • 摄像机的IR-CUT（反射式红外滤光片），它产生的鬼影是最 严重的 • CMOS表面的保护玻璃也会产生严重的反射
镜头的常见问题
边角模糊—— 表现为图像边缘、角落的清晰度相对中心来说偏 低，甚至不清晰。
宽动态技术分为物理宽动态和数字宽动态。
物理宽动态是指Sensor曝光两次或多次，产生长曝光和短曝 光图像，依据特定的算法，由Sensor或ISP合成为一幅图像。 支持物理宽动态的产品：E2-2MP/4MP/5MP/8MP、M22MP/3MP、M2H、A1系列。
数字宽动态是指ISP针对单帧图像内容，将暗区按照一定规则
镜头的原理
通过利用不同形状、不同材质的多片透镜组合，将所需视野中
所有物体的发出的光线汇聚到成像传感器上的光学系统
安防镜头的分类
镜头接口 图示 常用焦距 说明
M12
2.8mm,3.6mm,6mm,8mm…
定焦镜头，镜头模组包含了镜头、 镜头座、IRcut
φ14
2.8-12mm，3.3-10.5mm……
ISP
TX
AHD/TVI/CVI /CVBS信号
镜 头 滤光片
图像传感器（CCD/CMOS）
镜头
镜头的原理
安防镜头利用了几何光学的基本定律
• 直线传播定律：光线在均匀介质中沿直线传播 • 独立传播定律：不同光源发出的光线从不同方向通过某点时 ，彼此不影响 • 折射定律：当光线从一种介质进入另一种介质时，将会改变 传播方向 • 可逆定律：光线的传播轨迹是可逆的
进行亮度提升。
宽动态（Wide Dynamic Range）
物理宽动态的优缺点：
优点：动态范围宽，能同时兼顾亮区和暗区。 缺点：Sensor成本高、合成区域有噪声、有运动鬼影、工频干 扰更严重、颜色轻微偏。
数字宽动态的优缺点：
优点：对Sensor没有要求、没有运动鬼影、工频干扰不明显。 缺点：动态范围窄、亮区过曝无法抑制、噪声比较大。
镜头的参数
光圈系数（F值）—— 镜头焦距和镜头有效孔径的比值称为光圈
系数，也称为F值，光圈系数决定镜头的通光量；F 值越小，通
光量就越大，摄像机的低照效果更好；反之， F 值越大，通光量 就越小，摄像机的低照效果相对越差；
镜头
视场角（FOV）—— 镜头所能覆盖的范围，通常以角度来表示， 这个角度就叫镜头的视角FOV。镜头的焦距越长，视场角越小； 镜头的焦距越短，视场角越大； 视场角分为水平视场角、垂直视场角和对角线视场角。
点到最远清晰点的深度，叫全景深。一般所说的景深就是指全景
深。 影响景深的因素： 1、镜头焦距：焦距越长，景深越小 2、光圈：光圈越大，景深越小
F1.6 F32
3、对焦的距离
镜头的常见问题
畸变 —— 光学轴外的直线物体，呈现曲线时的镜头像差。镜头 失真也称为镜头畸变，即光学透镜固有的透视失真的总称，可 分为枕形畸变和桶形畸变；直线朝向中心的失真情况为枕形畸 变，向外扩张的失真称为桶形畸变。