攝像頭 的指標

一、不可小瞧的鏡頭


鏡頭是攝像機的眼睛，為了適應不同的監(jiān)控環(huán)境和要求，需要配置不同規(guī)格的鏡頭。比如在室內的重點監(jiān)視，要進行清晰且大視場角度的圖像捕捉，得配置廣角鏡頭；在室外的停車場，既要看到停車場全貌，又要能看到汽車的細部，這時候需要廣角和變焦鏡頭，在邊境線、海防線的監(jiān)控，需要超遠圖像拍攝。


1、鏡頭的主要參數(shù)


焦距（f）：焦距是鏡頭和感光元件之間的距離，通過改變鏡頭的焦距，可以改變鏡頭的放大倍數(shù)，改變拍攝圖像的大小。當物體與鏡頭的距離很遠的時候，我們可用下面公式表達：鏡頭的放大倍數(shù)≈焦距/物距。增加鏡頭的焦距，放大倍數(shù)增大了，可以將遠景拉近，畫面的范圍小了，遠景的細節(jié)看得更清楚了；如果減少鏡頭的焦距，放大倍數(shù)減少了，畫面的范圍擴大了，能看到更大的場景。


鏡頭的主要參數(shù)

視場角：在工程實際中，我們常用水平視場角來反映畫面的拍攝范圍。焦距f越大，視場角越小，在感光元件上形成的畫面范圍越??；反之，焦距f越小，視場角越大，在感光元件上形成的畫面范圍越大。


光圈：光圈安裝在鏡頭的后部，光圈開得越大，通過鏡頭的光量就越大，圖像的清晰度越高；光圈開得越小，通過鏡頭的光量就越小，圖像的清晰度越低。通常用F（光通量）來表示。F=焦距（f）/通光孔徑。在攝像機的技術指標中，我們可以常?？吹?mm/F1.4這樣的參數(shù)，它表示鏡頭的焦距為6mm，光通量為1.4，這時我們可以很容易地計算出通光孔徑為4.29mm。在焦距f相同的情況下，F(xiàn)值越小，光圈越大，到達CCD芯片的光通量就越大，鏡頭越好。


2、鏡頭的分類


按視角的大小分類


按光圈分類



二、提高圖像清晰的根本在于提高攝像機的感光能力


1、感光元件的作用


目前，主流監(jiān)控攝像機的感光元件采用CCD元件，實際上就是光電轉換元件。和以前的CMOS感光元件相比，CCD的感光度是CMOS的3到10倍，因此CCD芯片可以接受到更多的光信號，轉換為電信號后，經視頻處理電路濾波、放大形成視頻信號輸出。接受到的光信號越強，視頻信號的幅值就越大。視頻信號連接到監(jiān)視器或電視機的視頻輸入端便可以看到視頻圖像。提高圖像清晰的根本就在于提高攝像機的感光能力。


2、鏡頭與CCD感光元件的配置


在圖一中我們可以看到，CCD傳感器上形成的圖像比原始圖像小，CCD芯片成像面的尺寸規(guī)格不同，形成的圖像大小也不同。


CCD的成像尺寸常用的有1/2英寸、1/3英寸，CCD的尺寸規(guī)格決定了攝像機的規(guī)格。




鏡頭與CCD感光元件的配置

CCD的成像尺寸，也就是攝像機畫面寬度和高度的比例與電視機畫面寬度和高度比例一樣，通常為4：3。這樣保證了攝像機的視頻圖像在顯示器上的圖像不變形。


鏡頭的規(guī)格也分為1/2英寸、1/3英寸等，1/2英寸的鏡頭可用于1/2英寸、1/3英寸的攝像機；而1/3英寸的鏡頭只能用于1/3英寸的攝像機，不能用于1/2英寸的攝像機，這是因為1/3英寸鏡頭光通量只有1/2英寸鏡頭光通量的44%，不能滿足1/2英寸的攝像機的光通量要求。


鏡頭焦距的配置我們還是以圖一來說明。確定合適的焦距，是決定圖像質量重要因素。f=vD/Vf=hD/H。其中，f代表焦距，v代表CCD成像尺寸的高度，V代表被觀測物體高度，h代表CCD成像尺寸的寬度，H代表被觀測物體寬度，D代表物體到鏡頭的距離。假設用1/3”CCD攝像頭觀測，被測物體寬500毫米，高400毫米，鏡頭焦點距物體5000毫米。由公式可以算出：焦距f=4.8×5000/500≈48毫米或焦距f=3.6×5000/400≈45毫米。


三、如何在光照條件很差的環(huán)境中拍攝到清晰的圖像


監(jiān)控攝像機要求能在夜晚光照條件很差甚至是沒有光的環(huán)境中，也能拍攝到清晰圖像。在攝像機的指標中，我們常?？梢钥吹降驼斩冗@一項。


1、照度的概念


照度是測量攝像機感光度的單位，用勒克司（Lux）表示，也就是攝像機能在多暗的光照條件下拍攝到圖像。勒克司（Lux）的值越低，表明攝像機能在光照條件更低的情況下拍攝到清晰的圖像。我們知道攝像機產生的視頻信號標稱值為1v，標準值為700mv，比如采用光圈為F1.2的鏡頭，當被拍攝景物的照度值為0.02Lux時，攝像機輸出的視頻信號幅值為標準幅值700mv的33%-50%，這時攝像機的最低照度為0.02Lux/F1.2。測試最低照度值必須注意鏡頭光圈大小，F(xiàn)值越小，光圈越大，需要的照度越低。不同的光圈，最低照度值是不同的。


2、實現(xiàn)低照度攝象的方案


我們知道CCD攝像機可以分為彩色與黑白攝像機，普通攝像機的最低照度見下表。


普通攝像機的最低照度

可見光的波長范圍為380nm～780nm，可見光波長由長到短分為紅、橙、黃、綠、青、蘭、紫，波長比紫光短的稱為紫外光，波長比紅外光長的稱為紅外光。CCD傳感器表面有一層吸收紫外的透明電極，所以CCD不能接受紫外光。普通彩色攝像機的CCD芯片上有紅、綠、藍三色濾光條，所以彩色攝像機不能感受紅外光。而普通CCD黑白攝像機的光譜范圍很寬，不僅能感受可見光，而且可以感受紅外光。


根據以上原理，在光照條件很差的環(huán)境中，工程師們常常采用以下方案拍攝到清晰的圖像。


（1）、普通低照度CCD黑白攝像機+紅外燈


在監(jiān)控現(xiàn)場安裝紅外燈輻射“照明”，產生人眼看不見而普通攝像機能捕捉到的紅外光，通過CCD黑白攝像機可以實現(xiàn)夜間拍攝。


（2）、彩色轉黑白攝像機+紅外燈


所謂彩色轉黑白攝像機就是指白天是彩色攝像機，到了晚上光照條件很差的時候，利用黑白圖像對紅外線感度較高的特點，自動切換為黑白方式，在紅外線的配合下進行拍攝。和紅外燈配合時候，低照度攝像機必須滿足紅外燈支持的最低照度。


（3）、紅外低照度彩色攝像機


紅外低照度彩色攝像機的紅外感度比一般攝像機高4倍以上，可以在零照度（0Lux）下工作。


紅外低照度彩色攝像機

（4）低速快門攝像機

低速快門攝像機又稱畫面累積型攝像機，通過電腦連續(xù)存儲多幀（最多達128幀）因光線不足而較模糊的畫面，并累積起來，成為清晰的畫面，借助SLOWSHUTTER技術，實現(xiàn)在0.008LUX/F1.2照度下進行拍攝。這種低照度攝像機適用于禁止紅、紫外線破壞的博物館、夜間生物活動觀察、夜間軍事海岸線監(jiān)視等。


（5）、超低照度攝像機

超低照度攝像機采用EXVIEWHAD技術大大提高了感光度，其彩色照度可達0.05LUX，黑白則可達0.003-0.001LUX。當配用專用的紅外設備，可以得到高清晰度的黑白圖像，實現(xiàn)0Lux下拍攝。


四、攝像機的控制


為了擴大監(jiān)控范圍，要求監(jiān)控攝像機能實現(xiàn)旋轉、變焦、變放大倍數(shù)，自動聚焦等。這些功能的實現(xiàn)，需要數(shù)字硬盤錄象機通過控制器對攝像機進行控制。


1、旋轉控制


工程師們利用云臺來安裝和固定攝像機，云臺分為固定云臺和電動云臺。固定云臺適用于監(jiān)視范圍不大的情況，在固定云臺上安裝好攝像機后，調整攝像機的水平和俯仰角度，達到最好的工作狀態(tài)后鎖定調整機構就可以了。電動云臺安裝了步進電機，電機接受來自控制器的信號，帶動攝像機旋轉實現(xiàn)精確定位，適用于大范圍監(jiān)控。


云臺根據其回轉的特點可分為只能左右旋轉的水平旋轉云臺和既能左右旋轉又能上下旋轉的全方位云臺。一般來說，水平旋轉角度為0°～350°，垂直旋轉角度為+90°。恒速云臺的水平旋轉速度一般在3°～10°/s，垂直速度為4°/s左右。變速云臺的水平旋轉速度一般在0°～32°/s，垂直旋轉速度在0°～16°/s左右。在一些高速攝像系統(tǒng)中，云臺的水平旋轉速度高達480°/s以上，垂直旋轉速度在120°/s以上。


2、實現(xiàn)電動變焦、變倍、自動聚焦


（1）所謂一體化攝像機就是使鏡頭、CCD芯片、視頻處理電路、電源、機殼整合為一個整體，可以實現(xiàn)電動變焦、變倍、自動聚焦功能。能否快速、準確的實現(xiàn)自動聚焦是評價一體化攝像機品質的關鍵。好的產品可以一次性準確聚焦，而品質不好的產品，在聚焦時會來回往復，需要多次才能定焦。目前的一體化攝像機以16、18、20、22、27、32倍變倍為主流，發(fā)展趨勢是照度越來越低，光學倍數(shù)越來越高。注意這里的變焦倍數(shù)是指光學變倍。


一體化攝像機的關鍵技術是鏡頭、CCD和DSP處理模塊。高檔鏡頭主要被日本廠商所掌握，如Canon、Camputar、Avenir等。CCD芯片以日本Sony為主，SonyCCD分為SuperHAD和Exview兩種類型，其中Exview是最新技術，普遍采用1/4寸尺寸，性噪比高于SuperHAD；在DSP處理芯片上，Sony的DSP芯片可以很好的處理圖像色彩，使圖像看上去十分鮮艷。而Canon、Nikon的DSP在捕光模式和對焦上比較好。


（2）采用電動變焦鏡頭+普通攝像機


把電動變焦鏡頭和普通攝像機結合起來，利用普通攝像機視頻驅動的原理，實現(xiàn)鏡頭焦距、光圈、聚焦的自動控制。目前有些廠家開發(fā)出了超高倍率的60倍電動變焦鏡頭"D60×12.5"。其750mm（使用變焦擴展鏡時可達1500mm）的焦距可以鮮明地識別3公里遠處的人物。


五、視頻圖像的網絡傳輸


1、模擬攝像機+數(shù)字硬盤錄像機+計算機網絡系統(tǒng)


這是目前應用最廣泛的網絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)，通過設定端口、網關和路由，現(xiàn)場的數(shù)字硬盤錄像機作為服務器，在遠程客戶的計算機上安裝專用監(jiān)控軟件或插件，用戶便可以通過互聯(lián)網看到數(shù)千里之外的現(xiàn)場，實現(xiàn)單路、多路視頻遠程監(jiān)控和錄像。


2、模擬攝像機+網絡視頻服務器+計算機網絡系統(tǒng)


模擬攝像機輸出的信號是模擬信號，計算機處理的信號是數(shù)字信號，在網絡中傳輸?shù)囊彩菙?shù)字信號，網絡視頻服務器（VideoServer）把模擬攝像機的模擬信號轉換成數(shù)字信號，再經過高效壓縮芯片壓縮、編碼，輸出可以在計算機網絡中傳輸?shù)臄?shù)字信號，實現(xiàn)在計算機網絡中以數(shù)字信號的形式傳輸。因此，也可以把網絡視頻服務器稱為視頻編碼器（VideoCoder）。當視頻服務器的一端連接著模擬攝像機的輸出信號，另一端插上計算機網線，然后在互聯(lián)網中的任一臺計算機中設置好網關、路由，打開IE瀏覽器，輸入IP地址或者域名就可以在電腦中看到監(jiān)控的畫面了。如果模擬攝像機配置有云臺，我們還可以通過電腦對攝像機進行變焦、變倍、旋轉等控制操作。在網絡視頻服務器中還得嵌入實時操作系統(tǒng)，可以是Linux版本，也可以是Windows版本，從穩(wěn)定性上講，Linux版本更勝一籌。采用網絡視頻服務器可以選擇和配備不同的攝像機，具有更多的靈活性。


3、網絡攝像機+計算機網絡系統(tǒng)


網絡攝像機就是將模擬攝像機與網絡視頻服務器整合在一起。在攝像機里面內置模/數(shù)轉換、視頻服務器功能，和網絡視頻服務器一樣，按照網絡協(xié)議實現(xiàn)網絡通訊和數(shù)據傳輸，還可以接收報警信號及向外發(fā)送報警信號。這更方便了，只要把網絡攝像機安裝好，插上網線就可以瀏覽了。


4、CDMA無線網絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)


上面介紹的傳輸是有線傳輸，但是在移動的交通工具（汽車）、偏遠的礦山、山區(qū)，采用有線傳輸顯然是很困難的，我們可以利用成熟的無線通訊技術。這里的代表產品有中國聯(lián)通的移視通。移視通CDMA無線網絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)是把CDMA數(shù)據通訊功能和數(shù)字視頻編碼功能整合成一體的便捷式產品。它把攝像機圖像經過視頻壓縮編碼模塊壓縮，通過智能無線通訊終端發(fā)射到CDMA網絡，實現(xiàn)視頻數(shù)據的交互、發(fā)送/接收、加解密、編解碼，鏈路的控制維護等功能。該系統(tǒng)可以把實時動態(tài)圖像傳到距離用戶最近的聯(lián)通通信網絡。可以通過Internet從系統(tǒng)中控端得到實時圖像信息。系統(tǒng)整合了CDMA網絡和Internet網絡的優(yōu)勢，隨時隨地的進行遠程監(jiān)控管理。


六、常用技術指標解釋


1、分辨率


圖像分辨率簡單說就是指屏幕水平和方向垂直方向所顯示的點數(shù)。比如1024×728，其中“1024”表示屏幕上水平方向顯示的點數(shù)，“768”表示垂直方向顯示的點數(shù)。分辨率越高，圖像就越清晰。分辨率越高圖像的顯示越清晰。


2、清晰度


攝像機的清晰度用線表示，分為水平線和垂直線，在實際的工程應用中我們常常以水平線作為攝像機清晰度的評估指標，線數(shù)越多，則清晰度越高。常用的黑白攝像機的清晰度一般為450-600，而彩色攝像機的清晰度一般為330-480，其數(shù)值越大成像越清晰。一般的監(jiān)視場合，用450線左右的攝像機就可以滿足要求，對于醫(yī)療、圖像處理等特殊場合，用600線的攝像機能得到更清晰的圖像。


3、自動增益控制（AGC）


為了使攝像機能在不同的照度條件下輸出標準視頻信號，在視頻處理電路中引入了自動增益控制（AutoGainControl），通過檢測視頻信號的平均電平值而實現(xiàn)增益反饋控制。具有AGC功能的攝像機，在低照度時的靈敏度會有所提高，但同時也放大了干擾信號，使圖像看上去有雜波。


4、背光補償（BLC）


當攝像機處于逆光環(huán)境中拍攝時，畫面會出現(xiàn)黑色的圖像，然而在安防中逆光環(huán)境是難以避免的，這個時候就需要進行背光補償。當引入背光補償功能時，攝像機如果檢測到拍攝圖像一個區(qū)域中的視頻電平比較低，通過上面介紹的AGC電路改善和提升該區(qū)域的視頻電平，提高輸出視頻信號的幅值，使圖像整體清晰明亮。如果你想看的主題因明亮的背景而顯得暗淡，可以把BLC設置到ON狀態(tài)，從而補償強烈的背光。


5、電子快門（EE/AI）切換


在攝像機的后部端子我們常?？梢钥吹紼E/AI切換開關。EE就是指電子快門方式；AI就是指自動光圈鏡頭方式。攝像機的電子快門一般設置為自動電子快門方式，通過電子快門方式，根據入射光的強弱來調節(jié)CCD圖像傳感器的曝光時間，從而得到清晰的圖像，電子快門的時間在1/50-1/100000秒之間。


6、信噪比


指信號電平與雜波電平的比，雜波包括電源雜波、隨機雜波、單頻雜波等。常常用分貝（dB）表示。信噪比越高表明它產生的雜波越少，圖像信號質量越高。信噪比不得低于48dB。


7、白平衡（AWB）


彩色攝像機要還原被攝物體的顏色，必須保持白平衡正常。