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摄像机基础知识大全


一、光和颜色 1 光和颜色 可见光是波长在 380 nm~780 nm 之间的电磁波,我们看到的大多数光不是 一种波长的光,而是由许多不同波长的光组合成的。如果光源由单波长组成,就 称为单色光源。该光源具有能量,也称强度。实际中,只有极少数光源是单色的, 大多数光源是由不同波长组成,每个波长的光具有自身的强度。这称为光源的光 谱分析。 颜色是视觉系统对可见光的感知结果。研究表明,人的视网膜有对红、绿、 蓝颜色敏感程度不同的三种锥体细胞。红、绿和蓝三种锥体细胞对不同频率的光 的感知程度不同,对不同亮度的感知程度也不同。 自然界中的任何一种颜色都可以由 R,G,B 这 3 种颜色值之和来确定,以这 三种颜色为基色构成一个 RGB 颜色空间,基色的波长分别为 700 nm(红色)、546.1 nm(绿色)和 435.8 nm(蓝色)。 颜色=R(红色的百分比)+G(绿色的百分比)+B(蓝色的百分比) 可以选择不同的三基色构造不同的颜色空间,只要其中一种不是由其它两种 颜色生成。例如 Y(Yellow,黄色) ,C( Cyan,青色) ,M(Magenta,品红) 。 2 颜色的度量 图像的数字化首选要考虑到如何用数字来描述颜色。国际照明委员会 CIE (International Commission on Illumination )对颜色的描述作了一个通用 的定义,用颜色的三个特性来区分颜色。这些特性是色调,饱和度和明度,它们 是颜色所固有的并且是截然不同的特性。 色调(hue)又称为色相,指颜色的外观,用于区别颜色的名称或颜色的种类。 色调用红、橙、黄、绿、青、蓝、靛、紫等术语来刻画。用于描述感知色调的一 个术语是色彩(colorfulness)。 饱和度(saturation)是相对于明度的一个区域的色彩,是指颜色的纯洁性, 它可用来区别颜色明暗的程度。完全饱和的颜色是指没有渗入白光所呈现的颜 色,例如仅由单一波长组成的光谱色就是完全饱和的颜色。 明度(brightness)是视觉系统对可见物体辐射或者发光多少的感知属性。它 和人的感知有关。由于明度很难度量,因此国际照明委员会定义了一个比较容易 度量的物理量,称为亮度(luminance) 来度量明度,亮度(luminance)即辐射的 能量。明度的一个极端是黑色(没有光),另一个极端是白色,在这两个极端之间 是灰色。 光亮度(lightness)是人的视觉系统对亮度(luminance)的感知响应值,光亮 度可用作颜色空间的一个维,而明度(brightness)则仅限用于发光体,该术语用 来描述反射表面或者透射表面。 3 颜色空间 颜色空间是表示颜色的一种数学方法,人们用它来指定和产生颜色,使颜色 形象化。颜色空间中的颜色通常使用代表三个参数的三维坐标来指定,这些参数 描述的是颜色在颜色空间中的位置,但并没有告诉我们是什么颜色,其颜色要取 决于我们使用的坐标。 使用色调、饱和度和明度构造的一种颜色空间,叫做 HSB(hue, saturation and brightness)颜色空间。RGB(red,green and blue)和 CMY(cyan, magenta and yellow)是最流行的颜色空间,它们都是与设备相关的颜色空间,前者用在显示 器上,后者用在打印设备上。

RGB(red,green and blue)和 CMY(cyan, magenta and yellow)是最流行的 颜色空间,前者用在显示器上,后者用在打印设备上。 从技术上角度区分,颜色空间可考虑分成如下三类: RGB 型颜色空间/计算机图形颜色空间:这类模型主要用于电视机和计 算机的颜色显示系统。例如,RGB,HSI, HSL 和 HSV 等颜色空间。 XYZ 型颜色空间/CIE 颜色空间:这类颜色空间是由国际照明委员会定 义的颜色空间,通常作为国际性的颜色空间标准,用作颜色的基本度量方法。例 如,CIE 1931 XYZ,L*a*b,L*u*v 和 LCH 等颜色空间就可作为过渡性的转换空 间。 YUV 型颜色空间/电视系统颜色空间:由广播电视需求的推动而开发的颜 色空间,主要目的是通过压缩色度信息以有效地播送彩色电视图像。例如,YUV, YIQ,ITU-R BT.601 Y'CbCr, ITU-R BT.709 Y'CbCr 和 SMPTE-240M Y'PbPr 等颜 色空间。 4 颜色空间的转换 不同颜色可以通过一定的数学关系相互转换: 有些颜色空间之间可以直接变换。例如,RGB 和 HSL,RGB 和 HSB, RGB 和 R'G'B', R'G'B'和 Y'CrCb,CIE XYZ 和 CIE L*a*b*等。 有些颜色空间之间不能直接变换。例如,RGB 和 CIE La*b*, CIE XYZ 和 HSL,HSL 和 Y'CbCr 等,它们之间的变换需要借助其他颜色空间进行 过渡。 R'G'B'和 Y'CbCr 两个彩色空间之间的转换关系用下式表示: Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B Cr = (0.500R - 0.4187G - 0.0813B) + 128 Cb = (-0.1687R - 0.3313G + 0.500B) + 128 二、彩色电视的制式及其颜色空间 1、彩色电视制式 目前世界上现行的彩色电视制式有三种:NTSC 制、PAL 制和 SECAM 制。这里 不包括高清晰度彩色电视 HDTV (High-Definition television)。 NTSC(National Television Systems Committee)彩色电视制是 1952 年美国 国家电视标准委员会定义的彩色电视广播标准,称为正交平衡调幅制。美国、加 拿大等大部分西半球国家,以及日本、韩国、菲律宾等国和中国的台湾采用这种 制式。 NTSC 彩色电视制的主要特性是: (1) 525 行/帧, 30 帧/秒(29.97 fps, 33.37 ms/frame) (2) 高宽比:电视画面的长宽比(电视为 4:3;电影为 3:2;高清晰度电视为 16:9) (3) 隔行扫描,一帧分成 2 场(field),262.5 线/场 (4) 在每场的开始部分保留 20 扫描线作为控制信息,因此只有 485 条线的 可视数据。Laser disc 约~420 线,S-VHS 约~320 线 (5) 每行 63.5 微秒,水平回扫时间 10 微秒(包含 5 微秒的水平同步脉冲), 所以显示时间是 53.5 微秒。 (6) 颜色模型:YIQ 一帧图像的总行数为 525 行,分两场扫描。行扫描频率为 15 750 Hz,周 期为 63.5μs;场扫描频率是 60 Hz,周期为 16.67 ms;帧频是 30 Hz,周期 33.33

ms。每一场的扫描行数为 525/2=262.5 行。除了两场的场回扫外,实际传送图像 的行数为 480 行。 由于 NTSC 制存在相位敏感造成彩色失真的缺点,因此德国(当时的西德)于 1962 年制定了 PAL(Phase-Alternative Line)制彩色电视广播标准,称为逐行倒 相正交平衡调幅制。德国、英国等一些西欧国家,以及中国、朝鲜等国家采用这 种制式。 PAL 电视制的主要扫描特性是: (1) 625 行(扫描线)/帧,25 帧/秒(40 ms/帧) (2) 长宽比(aspect ratio):4:3 (3) 隔行扫描,2 场/帧,312.5 行/场 (4) 颜色模型:YUV 法国制定了 SECAM (法文:Sequential Coleur Avec Memoire)彩色电视广播标 准,称为顺序传送彩色与存储制。法国、苏联及东欧国家采用这种制式。世界上 约有 65 个地区和国家试验这种制式。 这种制式与 PAL 制类似,其差别是 SECAM 中的色度信号是频率调制(FM),而 且它的两个色差信号:红色差(R'-Y')和蓝色差(B'-Y')信号是按行的顺序传输 的。法国、俄罗斯、东欧和中东等约有 65 个地区和国家使用这种制式,图像格 式为 4:3,625 线,50 Hz,6 MHz 电视信号带宽,总带宽 8 MHz。 2、彩色电视的颜色空间 在彩色电视中,用 Y、C1, C2 彩色表示法分别表示亮度信号和两个色差信号, C1,C2 的含义与具体的应用有关。在 NTSC 彩色电视制中,C1,C2 分别表示 I、 Q 两个色差信号;在 PAL 彩色电视制中,C1,C2 分别表示 U、V 两个色差信号; 在 CCIR 601 数字电视标准中,C1,C2 分别表示 Cr,Cb 两个色差信号。所谓色 差是指基色信号中的三个分量信号(即 R、G、B)与亮度信号之差。 NTSC 的 YIQ 颜色空间与 RGB 颜色空间的转换关系如下: Y=0.30R+0.59G+0.11B I=0.74(R-Y)-0.27(B-Y) = 0.60R+0.28G+0.32B Q=0.48(R-Y)-0.27(B-Y) = 0.21R+0.52G+0.31B PAL 的 YUV 颜色空间与 RGB 颜色空间的转换关系如下: Y=0.30R+0.59G+0.11B U=0.493(B-Y) = -0.15R-0.29G+0.44B Q=0.877(R-Y) = 0.62R-0.52G-0.10B 三、视频图像采样 模拟视频的数字化包括不少技术问题,如电视信号具有不同的制式而且采用 复合的 YUV 信号方式,而计算机工作在 RGB 空间;电视机是隔行扫描,计算机显 示器大多逐行扫描;电视图像的分辨率与显示器的分辨率也不尽相同等等。因此, 模拟视频的数字化主要包括色彩空间的转换、光栅扫描的转换以及分辨率的统 一。 模拟视频一般采用分量数字化方式,先把复合视频信号中的亮度和色度分 离,得到 YUV 或 YIQ 分量,然后用三个模/数转换器对三个分量分别采样并进行 数字化,最后再转换成 RGB 空间。 1、图像子采样 对彩色电视图像进行采样时,可以采用两种采样方法。一种是使用相同的采 样频率对图像的亮度信号(Y)和色差信号(Cr,Cb)进行采样,另一种是对亮

度信号和色差信号分别采用不同的采样频率进行采样。如果对色差信号使用的采 样频率比对亮度信号使用的采样频率低,这种采样就称为图像子采样 (subsampling)。由于人的视觉对亮度信号的敏感度高于对色差的敏感度,这样 做利用人的视觉特性来节省信号的带宽和功率,通过选择合适的颜色模型,可以 使两个色差信号所占的带宽明显低于 Y 的带宽,而又不明显影响重显彩色图像的 观看。 目前使用的子采样格式有如下几种: (1) 4:4:4 这种采样格式不是子采样格式,它是指在每条扫描线上每 4 个连 续的采样点取 4 个亮度 Y 样本、4 个红色差 Cr 样本和 4 个蓝色差 Cb 样本,这就 相当于每个像素用 3 个样本表示。 (2) 4:2:2 这种子采样格式是指在每条扫描线上每 4 个连续的采样点取 4 个亮度 Y 样本、2 个红色差 Cr 样本和 2 个蓝色差 Cb 样本,平均每个像素用 2 个 样本表示。 (3) 4:1:1 这种子采样格式是指在每条扫描线上每 4 个连续的采样点取 4 个亮度 Y 样本、1 个红色差 Cr 样本和 1 个蓝色差 Cb 样本,平均每个像素用 1.5 个样本表示。 (4) 4:2:0 这种子采样格式是指在水平和垂直方向上每 2 个连续的采样点上 取 2 个亮度 Y 样本、1 个红色差 Cr 样本和 1 个蓝色差 Cb 样本,平均每个像素用 1.5 个样本表示。 2、CIF、QCIF 和 SQCIF 格式 为了既可用 625 行的电视图像又可用 525 行的电视图像,CCITT 规定了称为 公用中分辨率格式 CIF(Common Intermediate Format),1/4 公用中分辨率格式 (Quarter-CIF,QCIF)和(Sub-Quarter Common Intermediate Format,SQCIF) 格式对电视图像进行采样。 CIF 格式具有如下特性: (1) 电视图像的空间分辨率为家用录像系统(Video Home System,VHS)的分辨率,即 352×288。 (2) 使用非隔行扫描(non-interlaced scan)。 (3) 使用 NTSC 帧速率,电视图像的最大帧速率为 30000/1001≈29.97 幅/秒。 (4) 使用 1/2 的 PAL 水平分辨率,即 288 线。 (5) 对亮度和两个色差信号(Y、Cb 和 Cr)分量分别进行编码,它们的取值范围同 ITU-R BT.601。即黑色=16, 白色=235,色差的最大值等于 240,最小值等于 16。 下面为 5 种 CIF 图像格式的参数说明。参数次序为“图象格式亮度取样的 象素个数(dx) 亮度取样的行数 (dy) 色度取样的象素个数(dx/2) 色度取样的行 数(dy/2)”。 sub-QCIF 128; 96;; 64; 48 QCIF; 176; 144; 88; 72 CIF;; 352; 288; 176 144 4CIF; 704; 576; 352 288 16CIF 1408 1152 704 576 4CIF 即我们经常说的 D1 格式, 目前我们开发的 HB-1514 卡可以支持双 CIF, 即分辨率为 PAL 528X384, NTSC 528X320,Half D1 为 PAL 704X288,NTSC 704X240,作为图像质量和图像压缩比折中的一个方案。 1.关于制式: PAL,NTSC,还有 SECAM,这是全球现行的三种模拟技术彩色电视的制式。所谓制式,就是电视台和电

视机共同实行的一种处理视频和音频信号的技术标准,只有技术标准一样,才能够实现电视机的信号正常 接受。犹如家里的电源插座和插头,规格一样才能插在一起,中国的插头就不能插在英国规格的电源插座 里,只有制式一样,才能顺利对接。 彩色电视机的图像显示是由红绿蓝三基色信号混合而成,三种颜色信号不同的亮度构成了缤纷的彩色画面。 而如何处理三基色信号,并实现广播和接收,需要一定的技术标准,这就形成了彩色电视的制式。目前, 全球范围内存在有三种模拟技术的彩色电视制式,即 NTSC 制(又称 N 制,或美国制式) 、PAL 制(又称 帕尔制或西德制式、 英国制式) SECAM 制 、 (又称塞康制或法国制式) 制式的区分主要在于其帧频 。 (场频) 的不同、分解率的不同、信号带宽以及载频的不同、色彩空间的转换关系不同等等。 NTSC(National Television System Committee)制是最早的彩电制式,1952 年由美国国家电视标准委员 会制订。它采用正交平衡调幅的技术方式,故也称为正交平衡调幅制。美国、加拿大等大部分西半球国家 以及中国的台湾、日本、韩国、菲律宾等均采用这种制式。其优点是解码线路简单、成本低。 SECAM 制,SECAM 是法文的缩写,意为顺序传送彩色信号与存储恢复彩色信号制,是由法国在 1956 年 提出、1966 年制订的一种彩电制式。它克服了 NTSC 制式相位失真的缺点,采用时间分隔法来传送两个色 差信号。使用 SECAM 制的国家主要集中在法国、东欧和中东一带。其优点是在三种制式中受传输中的多 径接收的影响最小,色彩最好。 PAL(Phase Alternation Line)制,它是当时的西德在 1962 年制订的彩色电视广播标准,它采用逐行倒相 正交平衡调幅的技术方法, 也克服了 NTSC 制相位敏感造成色彩失真的缺点。 西德、 英国等一些西欧国家, 新加坡、中国大陆及香港、澳大利亚、新西兰等国家采用这种制式。其优点是对相位偏差不敏感,并在传 输中受多径接收而出现重影彩色的影响较小,是最成功的一种彩电制式,但电视机电路和广播设备比较复 杂。 但问题还是有更复杂的一面。因为黑白电视发明在前,彩色电视发明在后,当彩色电视出现的时候,黑白 电视仍在广播,新的彩电一定要能够兼容黑白电视信号才有市场,所以,当各国开始彩电广播的时候,都 一制认为要能够接收黑白电视信号并播放由彩色显像管显示的黑白图像,这就涉及了黑白电视制式的问题。 其实黑白电视的视频部分只播送一个亮度信号,画面是由不同区域的亮度形成的。黑白电视制式的主要规 范是图像和伴音的调制方式、图像信号的极性、图像和伴音的载频差、频带宽度、频道间隔、扫描行数等 等。目前世界各国所采用的黑白电视制式有:A、B、C、D、E、F、G、H、I、K、K1、L、M、N 等,共 计 13 种,其中 A、C、E 已不采用,三种彩电制式加上 10 种黑白电视制式,就形成了约 39 个电视制式组 合。 准确标识一种电视制式,是由彩电制式+/+黑白制式而成,如我国内地采用的是 PAL/D、K 制,香港采用 PAL/I 制。内地和香港虽然彩电制式一样,但由于黑白制式不一样,所以还是不能完全兼容接收,用内地电 视机看香港电视,伴音是噪声,图像也有一些干扰,像调谐不准的样子。 电视的制式是从拍摄记录节目信号时就开始的,所以电视台、录像带、录像机、影碟片、影碟机也都是有 制式的。过去,我们的电视机只能有一种制式,由于大规模集成电路的发展,电视机的主电路芯片可以做 得很小,为了接收方便,上世纪 90 年代起,全球研制生产了全制式彩电,就是什么制式的电视信号都能接 收和播放,并且能自动判断制式自动切换电路。目前我国销售的全制式电视机,基本是 N 制和 PAL 制全能 的,并不包含 SECAM 制,这是因为法国、东欧和非洲等 SECAM 制地区的节目内容很少,而这些地方输 出的电影会主动提供 N 制版本,为了降低造价,全制式的电视机和影碟机往往不含 SECAM 制。如果你想

包罗万象,就得买真正全制式的电视机,就是三种彩电制式加上 10 种黑白电视制式共 39 个电视制式组合 的电视机。 顺带说,数字电视也是有制式的,目前主要有 2 种,即美国 ATSC 和欧洲 DVB。我国的数字彩电制式并没 有制订,大约明年可以出台,据说中国数字制式倾向于欧盟的标准,但又不同。所以现在国内市场上并没 有真正意义上的适合中国的全数字彩电, 因为我国连制式都没有制订出来, 哪来的合乎国标的数字彩电呢? 传输线脉冲 TVL 即 Transmission Line Pulsing 信息只用一条线传输,且采用脉冲方式 摄像机一般使用分解力一词来衡量它“分解被摄景物细节”的能力。单位是“电视行(TVLine)”也称线。意 思是从水平方向上看,相当于将每行扫描线竖立起来,然后乘上 4/3(宽高比),构成水平方向的总线,称水 平分解力。因其文件生成的体积小而广泛应用于监控摄像领域。 编辑本段图像构成方式与像素的区别 TVL 的意思是“电视行”,用来衡量“分解被摄景物细节”的能力。 像素则是各种颜色的一个一个小点,像素越多,图可以放得越大越清晰。 二者都可以形成图像, 但看到的图像形成原理是不同的。 前者是由线构成,后者则是由点构成。 打个形象的比方: TVL 就像是刺绣,由各种颜色的线编织而成,TVL 图像你如果仔细观看的话,会 发现上面一条一条的!像素(数码相机)成的像,像是马赛克拼成的墙壁图画,有各种颜色的点排列而成, 仔细放大观看,你会发现上面一块一块的! TVL 照比像素而言, 生成的体积更小, 拍摄的时间可以更长,缺点是不如相机照出来的照片清晰。 TVL 文件通常是 MPG,而相机拍出来的是 AVI(通常情况下)。因而摄像机用的 TVL 线成像可以产生较小的体 积,拍摄更长的时间! 总结:TVL 以线成像,像素代表的是以点成像。

高清,英文为“HighDefinition”,意思是“高分辨率”。一般所说的高清,有四个含义:高清电视,高清设 备,高清格式,高清电影等。 目前,高清的定义只出现在广电行业,按照有关的标准,一般显示比例为 16:9,至少能解析 1080i(分 辨率 1920×1080)的数字信号,或扫描线数垂直和水平方向都必须达到 720P 的数字信号,只有满足或超到 以上标准的产品才能被归类为高清产品。 而在安防行业内,我们对高清摄像机的概念则分为两种,一种为模拟高清摄像机,一种为数字高清摄 像机。 模拟摄像机受其本身性能的限制, 其分辨率达到 D1 或 4CIF 的产品(4CIF 分辨率: PAL 制 704×576, NTSC 制 704×480;D1 分辨率:PAL 制 720×576,NTSC 制 720×480)我们便可以称之为高清。而对于数字 摄像机而言,目前安防行业内所说的高清监控摄像机主要指分辨率为 720P 与 1080P 两种格式,其画面宽 高比定义为 16:9。720P 即是 1280*720 分辨率,而 1080P 则是 1920*1080,其中后缀“P”代表的是逐行 扫描。对于移动目标的图像采集,相对隔行扫描,逐行扫描可以获得更好的动态图像,对于快速移动的目 标,隔行扫描将产生拖尾现象。 比 如 我 们 常 说 的 高 清 百 万 网 络 摄 像 机 , 就 是 指 能 按 大 于 12FPS 连 续 采 集 最 大 分 辨 率 大 于 720P(1280*720), 甚至超过 Full HD(1080P, 分辨率 1920*1080)到更高的 2048×1536 画面的网络摄像机。 满足上文高清定义中提及的高清指标扫描线数垂直和水平方向都达到 720P 数字信号要求, 可被理解为高清

产品中百万像素级别。

存储及带宽占用 图像分辨率的提升,必然会消耗更大的带宽和存储空间。以 1920X1080@30 帧为例,利用 H.264 的 编码算法,为保证清晰度,码流需要控制在 6Mbps 左右,这样每小时的存储空间需要 2.7GB。在普通局域 网环境中,100M 带宽只能可靠传输 10 路编码后的视频,1T 的硬盘也只能存储 400 小时左右。如何平衡 存储和带宽是摆在厂商面前的一个难题。 自动对焦、白平衡,自动曝光等 3A 前端传感器对接 在模拟和标清网络时代,摄像机 CCD 基本上都采用统一的 BT.656 转 CVBS 的接口,视频压缩芯片只 要对应接驳 BT656 的芯片就能满足 sensor 接入的问题。但是在百万像素的时代,不管是前端是 CCD 还 是 CMOS,各厂家都有自己的接口标准,例如通过 LVDS,YCbCr 等,即使表面上物理接口是一样,可内 部数据都不相同,所以设备生产厂商需要具有能与广大 sensor 厂商对接技术的能力。这个也是在百万像 素 sensor 还没有统一数字接口前,芯片厂家必须要做的基础性功课,这样才能支持百万像素网络摄像机的 多样化和产业化。 另外由于目前互联网网络状况比较差,经常会有丢包,延时等现象发生,如何保证视频在较差的网络环境 图 2 单片 Hi3512 的高清 IP CAMERA 应用中也可以很好的传输音视频数据,也是一个需要解决的难题, 这部分就需要看厂商的信号传输的网络协议是否健壮,是否使用 TCP/UDP/multicast 等多种协议进行数据 传输,方便用户根据不同的环境选择不同的协议。

监控摄像机 CCD 比拼 CMOS

感光度不同 CCD 监控摄像机和 CMOS 监控摄像机最大的不同在于它们的感光度不同。由于制作材料的不同, CMOS 传感器通常比 CCD 传感器低 10 倍的感光度。 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,大约能看到在 0.1~3Lux 照度以下的目标,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 到 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, 因此在工业场所、高端会所等重要监控点监控摄像机都是用了 CCD 传感器。CMOS 传感器一般用于非常 低端的家用产品。在市场上,CCD 材料的监控摄像要比 CMOS 材料的监控摄像贵很多,在价格上已经把 它们严格区分了。 那么,是什么造成了早期的 CMOS 在感光度上不如 CCD 呢,我们得从它的构造说起。 CCD 与 CMOS 的第一个区别体现在感光单位即像素结构不同。 前者的感光元件除了感光二极管之外, 还包括一个用于控制相邻电荷的存储单元,感光二极管占据了绝大部分面积。而 CMOS 感光元件的构成比 较复杂,除处于核心地位的感光二极管之外,它还包括放大器与模数转换电路,每个成像点构成为一个感 光二极管和三颗晶体管,而感光二极管占据的面积只是整个元件的一小部分。 相较于 CMOS 传感器,CCD 感光元件中的有效感光面积大,在同等条件下可接收较强的光信号,对 应的输出电信号也更强;从输出结果方面来讲, 就是 CMOS 传感器捕捉到的图像内容不如 CCD 传感器丰富、 锐度较差、 图像细节丢失情况严重且噪点明显。 这就是为什么早期 CMOS 传感器大多不如 CCD 的原因了。 不过,随着科技的发展,现在新兴的 CMOS 已经在感光度上有了很大的提高,在价格优势的情况下, 通过改变自身的不足,已经开始对 CCD 的高端市场产生了挑战。 ADC 位置和数量不同

CCD 与 CMOS 的第二个区别体现在 ADC(模数转换器)位置和数量的不同。CCD 每行像素点只对应着 一个 ADC,感光元件每曝光一次,在快门关闭后进行像素转移处理,由控制电路以串行的方式依序传入" 缓冲器"中,由底端的线路引导输出至 CCD 旁的放大器进行放大,再串联 ADC 输出;相对地,CMOS 的设 计中每个像素点旁连着一个 ADC,信号直接放大并转换成数字信号。 也正是由于这点不同,CCD 传感器中每一个感光元件的信号能形成统一的输出,这些输出数据经放大 器统一处理之后, 每个像点的电信号强度都获得同样幅度的增大;而 CMOS 每一个感光元件携带一个 ADC, 无法保证每个像点的放大率严格一致,致使放大后的图像数据无法很好的还原拍摄物体的原貌。最终体现 在输出结果上就是图像中不可避免地出现噪点,图像品质、抗噪性远低于 CCD 传感器。 信号采集上不同 CCD 摄像机与 CMOS 摄像机在信号采集上有很大的不同,前者采集的是模拟信号,以线数来区分, 后者采集的是数字信号以像素区分。基于这个基础,通过网络传输的监控摄像机都是采用 CMOS 镜头的, 而传统的模拟监控摄像机则都采用 CCD 为感光元件。再者,CMOS 由于构造上的不同,在价格上比 CCD 更加的优惠,在制作工艺上没有 CCD 那么复杂。加上高科技使得后起之秀 CMOS 在感光、成像上不输于 现在的 CCD。所以,CMOS 发展的前景一片大好。就目前的市场上的产品来看,CCD 摄像机的优势在于 夜间感光度好,但是 CMOS 摄像机可以获得 100 万以上像素的高清画面,这是 CCD 摄像机无法比拟的。 由此可以得出结论,目前在行业内 CCD 摄像机和 CMOS 摄像机各有千秋。 总结: CCD 和 CMOS 在视频监控领域就像双子座一样是孪生兄弟,就目前的市场形势看来,二者的可谓是 各有千秋。但随着监控摄像机的发展,未来 CMOS 除了占有价格和制造工艺两块优势以外,在成像很抗噪 能力及时提升,会慢慢地脱颖而出,将在视频监控领域独占鳌头。 (a)信息读取方式不同 CCD 传感器存储的电荷信息需在同步信号控制下一位一位的实施转移后读取,电荷信息转移和读取输 出需要有时钟控制电路和三组不同的电源相配合,整个电路较为复杂。CMOS 传感器经光电转换后直接产 生电流(或电压)信号,信号读取十分简单。 (b)速度有所差别 CCD 传感器需在同步时钟的控制下以行为单位一位一位的输出信息,速度较慢;而 CMOS 传感器采集 光信号的同时就可以取出电信号,还能同时处理各单元的图象信息,速度比 CCD 快很多。 (c)电源及耗电量 CCD 传感器电荷耦合器大多需要三组电源供电,耗电量较大;CMOS 传感器只需使用一个电源,耗电 量非常小,仅为 CCD 电荷耦合器的 1/8 到 1/10,CMOS 光电传感器在节能方面具有很大优势。 (d)成像质量 CCD 传感器制作技术起步较早,技术相对成熟,采用 PN 结合二氧化硅隔离层隔离噪声,成像质量相 对 CMOS 传感器有一定优势。由于 CMOS 传感器集成度高,光电传感元件与电路之间距离很近,相互之间 的光、电、磁干扰较为严重,噪声对图象质量影响很大。 CCD 与 CMOS 两种传感器在“内部结构”和“外部结构”上都是不同的。 内部结构(传感器本身的结构) CCD 的成像点为 X-Y 纵横矩阵排列,每个成像点由一个光电二极管和其控制的一个邻近电荷存储区 组成。光电二极管将光线(光量子)转换为电荷(电子),聚集的电子数量与光线的强度成正比。在读取 这些电荷时,各行数据被移动到垂直电荷传输方向的缓存器中。每行的电荷信息被连续读出,再通过电荷/

电压转换器和放大器传感。这种构造产生的图像具有低噪音、高性能的特点。但是生产 CCD 需采用时钟信 号、偏压技术,因此整个构造复杂,增大了耗电量,也增加了成本。

滤光片在摄像头中的原理
一、光的特性 光是由一种称为光子的基本粒子组成, 具有粒子性与波动性, 或称为波粒二象性。 它的物理特性有直进性、 反射、折射、干?h、衍射、偏振及光电效应等等。光又是能量的一种传播方式。 光源之所以发出光,是因为光源中原子的运动,包括热运动、跃迁辐射、受激辐射三种,前者为生活中最 常见的,如灯光和火焰,后者多应用于激光。在光的产生过程中,因为跃迁能级的不同,释放出不同频率的光子 (爱因斯坦能量方程),即产生电磁波辐射,其波长范围为 1nm(1nm=10-9m)至 1mm(1mm=10-3m),根据波长不同, 可以把光分成γ 射线区、X 射线区、紫外光区、可见光区、红外光区、微波区、无线电波区等几个部分。按红外 射线的波长范围,可粗略地分为近红外光谱(波段为 780nm-2526nm)、中红外光谱(波段为 2526nm-4000nm)和 远红外光谱(波段为 5000nm-14um),可见光通常指波长范围为:390nm-780nm 的电磁波。但人眼实际可见范围 是:312nm-1050nm。 而可见光区不同频率的光会呈现不同的颜色, 依次为红:605nm-700nm,橙:595-605,黄:580-595, 绿:500-560,青:480nm-490nm,蓝:435nm-480nm,紫:400-435。 白光为所有这些光谱的综合。 如果用棱镜折射白光, 就能够观察到上述可见光光谱,我们将复色光(如白光)被色散系统(如棱镜)分类后,按波长的大小依次排到 的图案称为光谱。 光沿直线传播,也就是说,光是直线运动的,也不需要任何介质,但在其他物体的重力场的影响下,光的 传播路径会发生偏折。光线遇另一介质反射的情况是指入射光返回原介质的情形,反射定律可按下列三原则来解 释: 入射线、反射线与法线在同一平面上。 入射线与反射线在法线的两侧。 入射角等于反射角:∠θ i=∠θ r 光从不同密度的介质穿过时发生的偏折现象称为折射,不同介质可以出现不同的折射角,由该介质的折射 率 n=sim∠θ 1?usim∠θ 2 来决定,并遵从斯涅尔定律:n1sim∠θ 1=n2sim∠θ 2。物质吸收光子并激发出自由电 子的行为称为光电效应,也就是一种光游离作用(光子将电子撞出原子,使之游离的过程)。正是由于光具有光 电效应,科学家因此发明了光偶合成像技术,包括 CCD:全称 ChargeCoupledDevice 即电荷耦合器件的缩写,它 是一种特殊半导体器件,上面有很多一样的感光元件,每个感光元件叫一个像素;和 CMOS:全称 ComplementaryMetalOxideSemiconductor,即互补金属氧化物半导体。它们被广泛应用于数码照相机、DV、监控 摄像机、电子显微镜等等。

二、滤光片的作用 1、镀膜和蓝玻璃的作用 普通监控摄象机的光偶合成象 IC 可感应到所有可见光区和部分红外光区。红外发射二级管由红外辐射效率 高的材料 (常用砷化镓) 制成 PN 结, 外加正向偏压向 PN 结注入电流激发红外光。 光谱功率分布为中心波长 830~ 950nm,半峰带宽约 40nm 左右,它是窄带分布于近红外光谱波段范围内,为普通 CCD 和 CMOS 可感受的范围。这 样, 不论在白天还是在夜晚, 都能进行实时监控。 由于任何在绝对零度 (-273℃) 以上的物体都对外发射红外线, 也就是说在白天,CCD 或 CMOS 同时感应到可见光和红外光,根据光的折射原理和定律可得出:波长越长,折射 率越小;波长越短,折射率越大。因此,当这些光线同时进入摄像机镜头,被镜头透镜折射后,可见光和红外光 就会在不同的靶面成象,而可见光的成像为彩色图像、红外光的成像为黑白图像,当我们将可见光所成图像调试 好, 也就是所谓图像聚焦和后焦调整, 这时红外光就会在这个靶面形成虚像, 从而影响图象的颜色和质量。 对此, 我们可以用镀膜的方法或蓝玻璃来滤除红外光,还原物体的真实颜色,从而解决图像色彩失真的问题。 镀膜分真空镀膜和化学镀膜两种,化学镀膜是将石英片侵入溶剂中加以电镀,成本低但镀膜厚度不均匀且 容易脱落, 真空镀膜是用真空蒸镀法, 镀膜厚度均匀且不容易脱落, 但成本较高。 这两种我们都称之为 IRCoating。 IRCoating 能滤除 650nm 波长以上的光,能够满足一般要求不高的 CCD 摄像机的要求;而对于不同品牌、规格、 型号的 CMOS,由于存在红外半峰带宽的问题,它们感应红外光的条件是不一样的,因此必须针对每一款产品, 镀与之相适应、截止不同波长波段的膜,以达到最佳效果。蓝玻璃是用“吸收”的方式过滤红外光,可过滤 630nm 波长以上的光, 并且过滤比较彻底; IRCoating 镀膜是用 而 “反射” 的方式滤掉红外光, 而反射光容易造成干扰, 因此,蓝玻璃是比较好的选择。有时,在实际应用中遇到需滤除强光照射的情况,例如汽车大灯(远光灯)灯光 的强光对摄像机 CCD 具有强烈影响,必须滤除这部分光,才能使强光周围物体清晰成像。我们可以改变膜系,使 强光所在波长范围的光全部滤除以达到目的。 另外,滤光片还要加上所谓的 ARCoating 的镀膜,目的是增加透光率,因为光线在透过不同介质(比如从 空气进入石英片)时,会产生部分的折射和反射,当加上单面 ARCoating 后,滤光片会提升 3-5%的透光率,如 果加上双面 ARCoating 镀膜,滤光片可达到 98%以上的透光率,否则只有不到 90%的透光率,这对 CCD 或 CMOS 的感光度就有很大的影响,也就是说,不用 ARCoating 就会降低摄像机的感光度,而使用双面 ARCoating,就会 使图像更清晰。同时,滤光片有 ARCoating 的保护也就不容易起雾了。 2、水晶的作用与选择 众所周知, 和 CMOS 两者都是利用矽感光二极管进行光与电转换的图像传感器, CCD 由一颗颗的感光体 (CELL) 构成,它要求光线最好是直射进来,斜射进来的光会干扰到邻近感光体,而产生色漂(伪彩),这就需要对光线 加以修整。我们利用水晶的物理偏光特性,把射进来的光线,保留直射部分,反射和折射斜射部分,避免斜射光 去影响旁边的感光点。但是,斜射光存在不同的角度,一片水晶只能处理一个方向的斜射光,从理论上来说,不 同方向的水晶片叠加的层数越多,解决色漂(伪彩)的效果就越好。但考虑到实际需求和成本,一般都只用 1 到 3 片水晶片,来解决水平、垂直和 45°角的色漂(伪彩)问题。也就有所谓“两片式”、“三片式”滤光片,其

中 IRCoating 膜或蓝玻璃用来滤除红外光,而水晶用来修整光线,在水晶片上还需 ARCoating 镀膜,用来增加透 光率。 水晶修整光线是物理方式的,而不同 CCD 的品牌、规格、型号及不同像素还有 N 制、P 制的不同,水晶的厚 度都要配合 CCD 上感光点而变化,不能错误搭配使用。例如 8.8X8.2X3.07mm 的三层滤光片是 SONY409CCD 高清摄 像机的最佳选择, 8.8X8.2X2.85mm 的三层滤光片是专为 SONY405CCD 设计的,大家还常常将 1.08 的水晶错误地 而 用在 SONY405CCD 上,等等。 3、单滤光片的应用和不足 滤光片在修整光线和还原图像真实色彩的同时,将红外线也滤除了。因此,在夜晚无可见光的情况下,就 无法成像,也就没有了夜视功能。为了解决这一问题,便开发出双峰值高的单滤光片并加以运用,这种摄像机就 有了夜视功能。但这种单滤光片,虽然成本低廉,又能兼顾白天与晚上的波长吸引,由于开放了波长频率,从而 在白天,由于自然界的光线中含有较多的红外光,其中一部分也能进入 CCD 或 CMOS 并干扰图像色彩还原,例如 绿色植物变得灰白,红色衣服变成灰绿色等等(有阳光的室外环境尤其明显),而且为了综合考虑白天和晚上的 效果不至于难以接受,滤光片的波形就很难完全适应,在白天任然有一些红外光干扰图像色彩还原;在晚上由于 双峰玻璃片的过滤作用,使 CCD 或 CMOS 不能充分利用所有光线从而产生雪花点现象,并降低红外摄像机的图像 清晰度和低照性能。 三、IRCUT 双滤光片技术 双滤光片技术,即 IRCUT 双滤光片切换器,它能让普通日夜型摄像机在晚上和白天分别使用不同的滤光片 工作,因而能有效解决双峰单滤光片日夜不能兼顾而产生的问题。IRCUT 双滤光片切换器由一个红外截止低通滤 光片和一个全光谱光学玻璃构成,它通过一块电路控制板和切换装置来进行切换、定位。当白天的光线充分时, 电路控制板驱使切换器切换并定位到红外截止滤光片工作, CCD 或 CMOS 还原出真实色彩; 当夜间可见光不足时, 红外截止滤光片自动移开,全光谱光学玻璃开始工作,这时,它能感应红外灯的红外光,使 CCD 或 CMOS 充分利 用到所有光线,从而大大提高了红外摄像机的夜视性能,整个画面也就清晰自然了。 IRCUT 双滤光片技术的应用,不论对于晚上还是白天的效果,都有极大的改善,但 IRCUT 双滤光片切换器过 去由于技术、认识等多种因素,存在着各种各样的问题,并非所有工厂的 IRCUT 双滤光片切换器的产品都成熟而 有效。 深圳市福田区圣普豪威致力于 IRCUT 双滤光片切换器的研发、生产与销售,并成功开发出三大系列几十个 品种,以满足市场对 IRCUT 双滤光片切换器高品质和低价格的需求,可全面提升图像品质,使各种摄像机达到它 应有的性能:

IR-CUT

&什么叫 IR-CUT IR=infrared=红外线 CUT=滤、减 监控摄像机领域:过滤红外线,让其截止或通过,形象称其:双滤光片切换器 &IR-CUT 双滤光片切换器对于摄像机的作用 修正白天偏色问题,提升夜晚亮度。 &IR-CUT 双滤光片切换器的原理 IR-CUT 双滤光片切换器是由:滤光片(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(可以是电磁、电机或其他动力源)构成。 自然界存在着各种波长的光线,人眼识别光线的波长范围在 320nm-760nm 之间, 超 过 320nm-760nm 的光线人眼就无法见到,比如红外光、紫外线等 3w IR-CUT c0m(1 张) 摄像机的成像元器件 CCD 或 CMOS 可以看到绝大部分波长的光线, 由于各种光线的参 与,摄像机所还原出的颜色与肉眼所见在色彩上存在偏差,为尽力解决色偏问题:现行 方案是在 CCD 前贴一块单层或多层(同时让可见光和红外光通过)双峰滤光片。在白天 由于红外及其他杂光进入 CCD 会干扰色彩还原,如绿色植物变得灰白,红色衣服变淡等 等(有阳光室外环境尤其明显);在夜间由于双峰滤光片的过滤作用,使 CCD 不能充分利 用所有光线,噪点及其低照性能难以令人满意。 IR-CUT 双滤光片切换器在白天的光线充分时,红外截止滤光片工作, 还原出真实 CCD 彩色,当夜间光线不足时,红外截止/吸收滤光片自动移开,全透光谱滤光片开始工作, 使 CCD 充分利用到所有光线,从而大大提高了低照性能。 &IR-CUT 双滤光片切换器好坏区分 IR-CUT 的好坏来自于三个方面: 1,滤光片 2,动力驱动部分 3,控制电路 深圳家贺光电有限公司 IR-CUT 双滤光片切换器 (ICR 双滤光片切换模组 双滤光 片切换装置) TM:23985976 配备:多款底座,镜头座,驱动板。 用途:适用于网络摄像机,百万像素高清摄像机,红外摄像机,枪机等多种摄像机 及设备 主要特色: 1、 采用磁吸式,脉冲供电, 日夜自动切换, 自动定位。 来电自检,日照环境色彩逼真, 夜视红外通透无噪点。 2、装置在摄像机 CCD/COMS 机板上,来补正偏色,失焦的问题,促使撷取影像画面不 失焦,不偏色。 3、能够过滤红外光让画面色彩更柔和,达到人类眼睛视觉色彩一致。

4、目前市场上最稳定的双滤光片切换器,解决了市场上其他同类型双滤光片切换器 卡位,不切换,安装难,错误切换,来电不可自检等问题。抗震动,安装方位勿需水平, 可任意方位安装。 5、市面最薄,最薄处只有 1.8mm 启动电压 1.8V±10%, 应用电压 3.3V(3.3V,5V,12V 可选) 驱动脉波宽 50ms 可调, 工作电流 40mA~160mA 可选 工作检测:-20℃至+80℃ 15000 次,常温 25-35 度 200000 次。 IR-CUT 双滤光片切换器 IR-CUT 电磁式/电机式滤光片切换器 马达式滤光片切换器 电磁式/电机式滤光片切换器 IR-CUT 电磁式滤光片切换器 滤光片切换器 双滤光片切换器 ICR 电机式滤光片切换器

滤光片,CCD,红外线监控摄像头滤光片,正确名称叫“光学低通滤波器” (OLPF)! 滤光片的功用:1.滤除红外线. 2.修整进来的光线 滤除红外线

彩色 CCD 也可感应红外线,就是因为会感应红外线,会导致 D.S.P 无法算出正 确颜色,,因此须加一片滤光片,把光线中红外线部份隔开,所以只有彩色 CCD 需要 装滤光片,黑白就不用了 修整进光 因为 CCD 上是一颗颗的感光体(CELL)构成,最好光线是直射进来,但为了怕干 扰到邻近感光体,就需要对光线加以修整,因此那片滤光片不是玻璃,而是石英片,利 用石英的物理偏光特性,把进来的光线,保留直射部份,反射掉斜射部份,避免去影响 旁边的感光点

光学低通滤波器 了解了基本功能,再谈谈怎样做到 1滤除红外线 可用镀膜方式及蓝玻璃,镀膜分真空镀膜及化学镀膜方式,化学镀膜是将石英片 浸入溶剂中加以电镀,成本低但镀膜厚度不平均且容易脱落,真空镀膜是用真空蒸镀 法,镀膜均匀且不易脱落,但成本高.以上我们称 IR Coating , 目地在滤除红外线,

另外还要加上所谓的 AR-Coating 的镀膜,目地是增加透光率,因为光线在透过不同 介质时(比如从空气进入石英片),会产生部分的折射及反射,加上 AR-Coating 后, 滤光片可达到98-99%的穿透率,否则只有90-95的穿透率,这对 CCD 的感光度当 然有影响 另外是用蓝玻璃,蓝玻璃是用”吸收”的方式过滤红外线,而 IR-Coating 是用反 射的方式滤掉红外线,但反射光容易造成干扰,如果只考虑滤除红外线,蓝玻璃是比 较好的选择. 但上文说玻璃无法修整光线,因此就有一片蓝玻璃加一片石英片的所 谓”两片式”滤光片.其中蓝玻璃用来滤红外线,而石英片修整光线用,因此石英片上只 需做 AR-Coating 就行了 2.修整光线 上文说到, 利用石英的物理偏光特性,把进来的光线,保留直射部份,反射掉斜射 部份,但只能对一个方向修整,通常摄像机只考虑到水平分辨率,因此只对光线做水平 修整,因此在贴滤光片时方向要对,不可弄反了.那如果垂直光线也要修整的话怎办? 很简单,就黏两片,把其中一片转90度就行了,因此就有这种也叫”两片式”的滤光片, 一片用在水平修整,一片用在垂直修整,其中一片再做 IR-Coating 来滤红外线 那更高级的呢?就是两片石英中间夹片蓝玻璃,那就各项优点就有了,这种”三片 式常见于日本进口机 说了那么多,还是没什么概念的话,可做个小测试,道具很简单—一条领带,而且 是又细又密横纹会发亮的那种,一片石英式的因为在垂直面上没修整,摄像机照着它 就会产生花花的一片色干扰,两片式就不会了,如果横纹领带没色干扰反而是直纹领 带有,哈哈!滤光片贴反了 还有我们常在电视上看到访问来宾,有的带交叉斜纹的领带,摄像机照起来也是

花花一片,不是摄像机烂,一台得十几万!而是滤光片只有两片,只能对水平及垂直面 修整,遇到45度角的密斜纹就没辄了,除非再加两片对左45度及右45度做修整,这样 迭那么多片就变千层糕了. 因此,电视台主播决不会带斜纹领带上镜头,各位万一有 机会上电视可得要记得 再说些有关知识 l 石英片整光效果是物理方式的,要配合 CCD 上感光点而变,因此理论上不同 CCD 厂牌及不同画素还有 N 制 P 制,石英片厚度都不同,但现在大部分厂家都不管, 抓来就用了,谁知道是啥回事 黏贴方式 1.直接就夹在遮光片上,再锁在 CCD 上,好处是方便,须注意防尘 2.用 UV 胶黏,在照紫外线灯,优点是稳固,但须在无尘室或无尘箱中弄,如果不 管那么多就硬干了……那我也没办法 4.用双面胶带,一黏就好了,这个最方便又省钱,但常常一段时间后就掉下来了, 尤其是被太阳晒久了,被客户骂事小,万一出到国外就麻烦了 好了,做个总结 从成本上讨论 最便宜的: 找个玻璃镀个膜, 一两块就搞定了,便宜就好,品质就不管了 稍有良心的: 就用块蓝玻璃吧 有点良心的: 就用一片石英吧,什么石英?再说吧 算是有良心的:单片石英,正规厂出的晶振级石英,非工业级石英 有良心的: 二片式,但只有高解析机种,420线的,算了吧 三片式的: 不多见了

一.摄像机方案 既然从事安防行业,首先我们来了解摄像机方案,摄像机方案简单说就是指 DSP 和 CCD 的搭配(根据 DSP 的型号和高解或低解的 CCD 搭配)。摄像机方案目前都弄得神神秘 秘的,资料也不多见,相信大家一听说摄像方案就觉得头大,是高手才能掌握的知识,市场也 鱼目混珠。现在先弄清楚摄像机的结构:如下图:

图中的每个部分就是一个零器件,组合起来就是一个整体,一个可用的“机器”,也就是一 个“方案”。下面解析各个部分的功能: CCD:CCD 就相当与人的眼睛,它的主要工作就是把光影像转成电子信号。CCD 上 有感光点,每一点就像一颗太阳能电池,被光照到后会产生电能,依照光的照度不同,会产生 不同的电能。 V-Driver:CCD 里头每一点被光照到产生电能,那如何取出来?就是靠这颗 V-DRIVER,它 会产生不同的脉波,把 CCD 每点的讯号“打”出来。我们通常说是 CCD 的驱动。 CDS/AGC:CCD 出来的讯号,在这颗晶片内做处理后,送进 DSP(数字信号处理器)。 DSP:DSP 是 DigitalSignalProcessor 的缩写,也就是数字信号处理器,主要针对算法运 算而产生的一种 MCU,不只是在摄像机设计中用到 DSP,现在好多行业都用到 DSP,特别 是在算法方面,DSP 的应用是相当广的,是比较流行的 MCU。从 DS/AGC 出来的模拟信号 传送到 DSP 进行处理,顺便说一下,DSP 是数字信号处理器,怎么能处理模拟信号呢?因为 DSP 内部有一个 A/DConverter(模数转换器)把模拟转换成数字后再进行运算,在摄像机中 主要是进行颜色,亮度,白平衡等运算。运算后又把信号转换成模拟信号输出,也就是视频输

出了。 T.G:控制整个处理过程快慢用的,一般都包含在 DSP 里的,就不多说了。以上部分再 加上镜头,就是整个摄像机了。 了解了摄像机结构后,现在来讲讲摄像机的方案,方案主要是针对 DSP 来说的,把 DSP 和 CCD 搭配起来就是我们所说的方案了,目前摄像机市场上应用比较多,占主流地位的是 S ONY 和 SHARP 生产的 DSP。SONY 主要有以下几种方案:

(1)SS-1;CXD2163BR。

SONY 公司推出这颗 DSP 之前已推出了 CXD2163,当初把 CXD2163 这个方案叫做 SS -1,用 CXD2163 做出来的机子一直有问题,所以不久就推出 CXD2163BR,用来代替 CXD2 163,方案人们也一直叫做 SS-1。

SS-1 可接高解 CCD(ICX408AK/超低照度 ICX258AK(NTSC)和 ICX409AK/超低照度 ICX259AK(PAL)),还可以接低解 CCD(ICX404AK(NTSC)和 ICX405AK(PAL)) (注意:以上 CCD 尺寸是 1/3,还有好多型号的 CCD 没有列出,可参考有关方面的书籍)这 颗 DSP 能够做到电源同步(电源同步——也称之为线性锁定或行锁定,是利用摄像机的交流 电源来完成垂直推动同步,即摄像机和电源零线同步)。所以现在好多厂家都在用来做高解的 机子。

(2)SS-11;CXD3141 或 CXD3142。

这颗 DSP 是 1999 年推出的,这款 DSP 只能接低解的 CCD,3142 比 3141 多了镜像功 能,如果 SS-11 也做到电源同步,就会产生很大的噪讯。所以目前还没做成电源同步, SONY 目前 420 线的机子几乎就是这个方案。

(3)SS-HQ1;CXD3172AR。

这颗 DSP 是 SONY2004 年推出的, 就是 520 线机子用的 DSP, 3172 目前的技术还不是 特别成熟,存在许多问题,其中发热太大,发热量比其他 DSP 大好多,致使一些工程师并不 喜欢用。SS-HQ1 能接高低解的 CCD,而且电源也能做到同步,总体上还是比 SS-1 好,就 是发热问题还没解决。 (4)SS-11X;CXD4103R。 这颗 DSP 是 2005 年推出的,是 SONY 目前最新的 DSP,它解决了 SS-HQ1 的发热 问题,但是电源同步时噪讯大。可接高低解的 CCD。

SHARP 公司目前有 D4(38603A),D5 也已经出来了(38627)

接 SHARP 低解 CCD,被业内人士作为低档机使用,最近又出了 D5(38627)。听 说效果可以跟 SONY 蓖美,除了 SONY,SHARP 外,还有松下,韩国的 NEXTCHIP,Tai Wan 的 A-NOVAADPXXXX 等,其中韩国 NEXTCHIP 公司推出的 DSP,主要接 SHARP 低解 或 SONY 低解 CCD。 二.CCD 信号处理和辨别方法。 介绍 CCD 信号处理和怎么去辨别 CCD 之前,我们简单介绍 CCD,CCD(ChargeCou pledDevices)电荷耦合器件。 CCD 是 20 世纪 70 年代初发展起来的新型半导体集成光电器件。 由于 CCD 器件具有诸多优点:灵敏度高、光谱响应宽、动态范围大、空间自扫描,抗震动、 抗磁场、体积小、无残影等,CCD 能够将光线变为电荷并可将电荷储存及转移,也可将储存 之电荷取出使电压发生变化,因此是理想的摄像元件,是代替摄像管传感器的新型器件。近 30 年来,CCD 从当时的 20 万像素发展到目前的 500—800 万像素,CCD 器件及其应用技术的 研究取得了惊人的进展,特别是近几年来,在消费领域,图像传感和非接触测量领域中的应用发 展速度更快。 目前,CCD 应用技术已成为集光学、电子学、精密机械及微计算机为一体的综合性技 术,在现代光子学、光电检测技术和现代测量技术中成果累累。随着 CCD 技术的迅猛发展, 针对 CCD 信号的采集及采集之后的信号如何与计算机进行信息通信就成为 CCD 应用的一个 重要问题,而能够针对 CCD 每一个像素进行高速采集并实时地传输给计算机处理,将会大大

的提高采集到的 CCD 信号的精度并解决实时处理的问题,这在 CCD 信号采集和处理领域都 将有非常广阔的前景。 目前我们就用 DSP 作为 MCU 对 CCD 的信号进行采集和处理。DSP 内置高速的 AD 转换器,用于采集 CCD 的信号,DSP 有先进先出的存储器(FIFO)作为数据高速缓冲区, 用于存储 AD 转换后的数据,把采集的数据进行运算(这里主要是颜色,亮度,白平衡),运算后 把信号转换成模拟再输出,其中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,经周期性放电,产生表示一幅幅画面的电信号,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。 这个标准的视频信号同家 用的录像机、VCD 机、家用摄像机的视频输出是一样的,所以也可以录像或接到电视机上观 看。另外 CCD 部分需要个驱动,为 CCD 工作提供”能量”,视频信号要经过放大再输出,经过 DS P 的软件和硬件相结合对整个系统控制。 在 CCD 的广阔发展前景下,市场上就难免出现“假货”,把 SHARP 的说成是 SONY 的,或把松下的说成是 SONY 的,这样不但价格上受骗,效果上也就成了 SHARP 的或松下 的了, 这里介绍个简单好用的方法去辨别 SONY 和 SHARP 的 CCD, 价格上当然是 SONY 贵 好多,毕竟 SONY 的 CCD 是目前摄像效果最好的,我们看 CCD 的外表就可以辨别出是那家 生产的,如图:

注意看两个 CCD 的表面, 上下两排金属的接点, 其中一个中间少了两个门牙 (左边) , 另外一个没缺(右边),缺门牙是 SONY 的特征,没缺门牙的是 SHARP 的 CCD,松下的也 没有缺门牙,只是金属线条比 SHARP 粗,在 SONY 和 SHARP 摄像机的大潮下,认准了 CC D 的外型就不会把两种机子混淆。有条件拿两种 CCD 来对比一下,加深印象。 三.红外线和 CCD。

上面已简单介绍了 CCD 的一些知识,现在来说说 CCD 和红外线。CCD 为什么能看 到红外线?回答就是 CCD 本来就可以看到红外线,它本来就对红外光有感应,可以拿个黑白 摄像机,关掉电灯,拿红外灯一照,影像就会出来,那么彩色的 CCD 能否看到红外线呢?答 案是肯定的,彩色也可以看到红外线,就是感应到了红外,会对 DSP 处理信号时有干扰,导 致图像显示不正常(偏色),因此要想办法让彩色的 CCD 不接受红外线,所以就在 CCD 上 加了滤光片,滤光片的穿透一般是 380nm~645nm,刚好是可见光的范围,波长在这个范围外 的光就不能穿透,只有可见光能进来。大于 650nm 就进入红外光范围了,小于 380nm 就是 紫外光的范围了,这样滤光片就使 CCD 感觉到红外光大大减少,这样一来彩色 CCD 就感应 不到红外光,DSP 不会被干扰,图像显示就不会“偏色”。黑白的为什么就没加滤光片呢?图像 显示不会干扰吗?原因很简单,黑白本来就没有颜色,没必要加滤光片,DSP 也不会遭到干 扰。日夜型红外彩色摄像机就是这个原理,白天有光线时就用彩色的,晚上没有光线时就把 C CD 上头的滤光片“拿掉”,再加上红外灯。现在有普通型和感红外的滤光片,用普通型的滤光 片盖住 CCD 的情况下在晚上是看不到图像的,感红外的滤光片可以感应一定范围的红外光, 在晚上就可以看到图像, 当然在晚上效果不比黑白机的效果好, 毕竟滤光片滤去了部分红外光。 目前日夜型的摄像机用感红外的滤光片,使白天是彩色的,晚上也能看到图像。 四.温度对 CCD 的影响 摄像机工作时, 都会产生温度, 当温度过高时, 就会影响到 CCD, 画面开始就发白了, 看起来白蒙蒙这是因为 CCD 过热,暗电流增加,白底上浮的原因。温度再高,CCD 就会烧坏。 应该做好温度控制工作,在有 LED 灯板时,最好用恒流设计,控制好 LED 的电流,既能延长 LED 的寿命,又能控制好温度。由于 LED 是正温度系数,也就是温度越高电流越大,电流越大 温度就越高。当然功率大的 LED 能打的距离就远,但电流也会变大,相应的温度会升高,所 以在设计完整的机子时要充分考虑相互之间的关系。 五.CCD 的尺寸 CCD 的尺寸也即摄像机靶面。目前采用的芯片大多数为 1/3”和 1/4”。在对摄像角度有 比较严格要求的时候,CCD 靶面的大小,CCD 与镜头的配合情况将直接影响视场角的大小和 图像的清晰度。在相同的光学镜头下,成像尺寸越大,视场角越大。 1 英寸——尺寸为宽 12.7mm*高 9.6mm,对角线 16mm。 2/3 英寸——尺寸为宽 8.8mm*高 6.6mm,对角线 11mm。 1/2 英寸——尺寸为宽 6.4mm*高 4.8mm,对角线 8mm。

1/3 英寸——尺寸为宽 4.8mm*高 3.6mm,对角线 6mm。 1/4 英寸——尺寸为宽 3.2mm*高 2.4mm,对角线 4mm。 六、水平分辨率 分辨率是用电视线(简称 TVLines)来表示的。彩色摄像机的典型分辨率是在 320 到 520 电视线之间,主要有 330 线、380 线、420 线、480 线、520 线等不同档次。 分辨率与 CCD 和镜头有关,还与摄像头电路通道的频带宽度直接相关,通常规律是 1mHz 的频带宽度相当于清晰度为 80 线。频带越宽,图像越清晰,线数值相对越大。

七.扫描制式。 根据各国供电所采用的频率不同,有 PAL 制和 NTSC 制之分。欧洲和我国都采用 P 制,日本等国采用 NTSC 制式。 50hz:PAL 制,隔行扫描(PAL)制式(黑白为 CCIR),标准为 625 行,50 场。 60hz:NTSC 制式,525 行,60 场(黑白为 EIR)。 八.信噪比 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;而取较暗场景时,监视器显示的画面就比较昏暗,观察者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的信噪比指标有直接关系,即信噪比越高,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。在一般情况下,信号电压 远高于噪声电压,比值非常大,信噪比的单位用 db 来表示。一般摄像机给出的信噪比值均是 在 AGC(自动增益控制)关闭时的值,因为当 AGC 接通时,会对小信号进行提升,使得噪声 电平也相应提高。 信噪比的典型值为 45~55db,若为 50db,则图像有少量噪声,但图像质量良好;若 为 60db, 则图像质量优良, 不出现噪声一般都是根据需求来调 AGC, 使得到满意的结果, AGC 也是有限度的,不是想怎么调就怎么调。 九.同步方式 对单台摄像机而言,主要的同步方式有下列三种: 内同步——利用摄像机内部的晶体振荡电路产生同步信号来完成操作。 外同步——利用一个外同步信号发生器产生的同步信号送到摄像机的外同步输入端来 实现同步。 电源同步——也称之为线性锁定或行锁定,是利用摄像机的交流电源来完成垂直推动 同步,即摄像机和电源零线同步。 关于背光补偿,电子快门,自动增益控制,白平衡等介绍参照摄像机参数知识,这里 略去。 十.摄像机在工程中的应用

负责采集视频图像的摄像机一直是监控中最重要的组成部分,摄像机目前应用比较广 泛,比如交通运输,娱乐场所,网吧,政府部门等。在工程应用中选择怎么样的摄像机是很重要的, 既有好的效果,又节省资金。目前摄像机种类繁多,根据不同划分叫法又不一样,比如按色彩 划分有彩色 CCD 摄像机,黑白 CCD 摄像机;按功能有日夜两用型 CCD 摄像机;按照度划分 有普通照度摄像机, 超低照度摄像机; 按外观划分有半球摄像机, 枪机摄像机, 一体化摄像机; 监控范围的角度有有固定点摄像机,匀速球型摄像机和高速球型摄像机等。 具体选择用那种摄像机, 那就要根据实际情况和个人喜欢去选择用哪种类型的摄像机, 并没有限定。比如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。黑白摄像机 适用于光线不充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 选用黑白摄像机。 现在我们按监控范围的角度划分去选择摄像机作为例子。它们各有优势,固定点摄像 机是指摄像机安装方式固定,不能转动,不能控制,优势就是它可以长期监视一个地点,适合 用于比如高速公路途中监控,收费站出入口,楼道,公交车上及各种入口等固定的场所。匀速 球型摄像机是指在球型防护罩里面内置云台和解码器,摄像机可以匀速低速的转动,可以水平 360 上下 90° 转动,优势就是监控的范围较大,适合用于高速公路路口、广场、收费站全场, 商场等需大范围监视的场所。 高速球型摄像机也是在球型防护罩里面内置高性能云台和解码器, 摄像机可以高速转动,可以达到 0.1° -360° /秒高速转动,可以迅速的移动和定位到需要监视的 场所,这种摄像机现在被大量用于高速公路、城市路口监控、收费站广场等场所。 在选择摄像机要注意以下几个重要的技术指标: (1) 清晰度 清晰度是一个摄像机的最重要指标,在监控系统中对图像的清晰度有很高的要求,如在交 通监控中,对车辆要能看清车牌号码,对行人要能看清脸部特征,如果这些都看不清楚,那么 监控将失去意义。线数的多少决定着清晰度,线数越高看到的图像也就越清晰,与 CCD 芯片及 尺寸也是有一定关系的。高速球型摄像机一定要达到 480 线清晰度才能满足要求。在普通的 商场,酒店,学校等一般用 420 线的清晰度就能达到要求。 (2) 最低照度 摄像机的最低照度是指当被拍摄物体的光亮度降低到一定程度时,摄像机输出的视频信号 仍能清晰可见。如果是在户外,需要 24 小时监控,在夜晚光线很暗,通常要求摄像机的最低照 度要达到 0.01LUX。比如在交通监控中。目前解决摄像机低照度问题,主要是采用超感度 CCD (即 EXviewHADCCD),这种超感度 CCD 要比普通 CCD 接收到更多的光线,从而使物体在很 暗的光线下仍能清晰成像。 (3) 宽动态功能 在光线的变化很大,前景和背景及其光线反差也很大的情况下(如交通监控),为了能拍摄 到高质量的画面,就需要摄像机具备宽动态功能。在前景物体暗,背景亮的情况下,拍下的物 体图像就非常黑而看不清楚,目前市场上的摄像机解决方法是采用背光补偿(BLC),但是因

为背光补偿是采用中央光线补偿的技术来处理图像, 所以采用背光补偿技术处理的图像前景物 体因光线补偿可以看清楚, 但是背景因光线补偿太亮而看不清楚。如果需要同时看清前景物体 和背景,这时候就要用到具有宽动态功能的摄像机。宽动态技术是图像经过两次曝光,通过内 部处理电路, 合成一幅前景物体和背景都清晰明亮的图像。一般宽动态摄像机的动态范围能达 到 80 倍。目前高速球型摄像机已具有此功能。 (4) 安装调试及维护的方便性 选用结构设计的简便性, 方便的安装调试及维护的摄像机,对工程安装公司和用户来说也是 比较重要的,在安装调试阶段,可以节约大量的时间和精力,方便工程公司的安装;对用户来 说,简单及时产品维护,无疑是监控系统正常运作的保障。 以上指标中,清晰度和最低照度是首要考虑的,宽动态功能目前并不是所有摄像机都有, 只是少部分有。 我们在监控系统工程中还有一个距离问题,监控距离与镜头的焦距有关,镜头越大焦 距越大,看的距离就越远,但是看到的范围就会小,比如只要求看 10 米,那用 3.6mm 的镜 头就可以满足,3.6mm 属于广角镜头,看的范围要广一些。如果要求看 100 米,那 3.6m 的 镜头明显的不能满足要求,应该用 25mm 的镜头。看的范围就要小些。当然选择多大焦距的 镜头还得看要监控的距离来定了。 焦距大一些,相应看到的图像范围就要比焦距小的看到的范 围小一些了。


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