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3、按CCD靶面大小划分
CCD芯片已经开发出多种尺寸:
目前采用的芯片大多数为1/3"
和1/4"
。
在购买摄像头时,特别是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。
1英寸--靶面尺寸为宽12.7mm*高9.6mm,对角线16mm。
2/3英寸--靶面尺寸为宽8.8mm*高6.6mm,对角线11mm。
1/2英寸--靶面尺寸为宽6.4mm*高4.8mm,对角线8mm。
1/3英寸--靶面尺寸为宽4.8mm*高3.6mm,对角线6mm。
1/4英寸--靶面尺寸为宽3.2mm*高2.4mm,对角线4mm。
4、按扫描制式划分PAL制。
NTSC制。
中国采用隔行扫描(PAL)制式(黑白为CCIR),标准为625行,50场,只有医疗或其它专业领域才用到一些非标准制式。
另外,日本为NTSC制式,525行,60场(黑白为EIA)。
5、依供电电源划分110VAC(NTSC制式多属此类),220VAC,24VAC。
12VDC或9VDC(微型摄像机多属此类)。
6、按同步方式划分内同步:
用摄像机内同步信号发生电路产生的同步信号来完成操作。
外同步:
使用一个外同步信号发生器,将同步信号送入摄像机的外同步输入端。
功率同步(线性锁定,linelock):
用摄像机AC电源完成垂直推动同步。
外VD同步:
将摄像机信号电缆上的VD同步脉冲输入完成外VD同步。
多台摄像机外同步:
对多台摄像机固定外同步,使每一台摄像机可以在同样的条件下作业,因各摄像机同步,这样即使其中一台摄像机转换到其他景物,同步摄像机的画面亦不会失真。
7、按照度划分,CCD又分为:
普通型
正常工作所需照度1~3LUX
月光型
正常工作所需照度0.1LUX左右
星光型
正常工作所需照度0.01LUX以下
红外型
采用红外灯照明,在没有光线的情况下也可以成像
8、按外观分:
有机板型、针孔型、半球型。
CCD彩色摄像机的主要技术指标
(1)CCD尺寸,亦即摄像机靶面。
原多为1/2英寸,现在1/3英寸的已普及化,1/4英寸和1/5英寸也已商品化。
(2)CCD像素,是CCD的主要性能指标,它决定了显示图像的清晰程度,分辨率越高,图像细节的表现越好。
CCD是由面阵感光元素组成,每一个元素称为像素,像素越多,图像越清晰。
现在市场上大多以25万和38万像素为划界,38万像素以上者为高清晰度摄像机。
(3)水平分辨率。
彩色摄像机的典型分辨率是在320到500电视线之间,主要有330线、380线、420线、460线、500线等不同档次。
分辨率是用电视线(简称线TVLINES)来表示的,彩色摄像头的分辨率在330~500线之间。
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。
(4)最小照度,也称为灵敏度。
是CCD对环境光线的敏感程度,或者说是CCD正常成像时所需要的最暗光线。
照度的单位是勒克斯(LUX),数值越小,表示需要的光线越少,摄像头也越灵敏。
月光级和星光级等高增感度摄像机可工作在很暗条件,2~3lux属一般照度,现在也有低于1lux的普通摄像机问世。
(5)扫描制式。
有PAL制和NTSC制之分。
(6)摄像机电源。
交流有220V、110V、24V,直流为12V或9V。
(7)信噪比。
典型值为46db,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。
(8)视频输出。
多为1Vp-p、75Ω,均采用BNC接头。
(9)镜头安装方式。
有C和CS方式,二者间不同之处在于感光距离不同。
2、CCD彩色摄像机的可调整功能
(1)同步方式的选择
A、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。
B、对于多摄像机系统,希望所有的视频输入信号是垂直同步的,这样在变换摄像机输出时,不会造成画面失真,但是由于多摄像机系统中的各台摄像机供电可能取自三相电源中的不同相位,甚至整个系统与交流电源不同步,此时可采取的措施有:
均采用同一个外同步信号发生器产生的同步信号送入各台摄像机的外同步输入端来调节同步。
调节各台摄像机的"
相位调节"
电位器,因摄像机在出厂时,其垂直同步是与交流电的上升沿正过零点同相的,故使用相位延迟电路可使每台摄像机有不同的相移,从而获得合适的垂直同步,相位调整范围0~360度。
(2)自动增益控制
所有摄像机都有一个将来自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,需利用摄像机的自动增益控制(AGC)电路去探测视频信号的电平,适时地开关AGC,从而使摄像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像机的灵敏度,从而提高图像信号的强度来获得清晰的图像。
(3)背景光补偿
通常,摄像机的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,背景光补偿有可能改善前景目标显示状况。
当背景光补偿为开启时,摄像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。
(4)电子快门
在CCD摄像机内,是用光学电控影像表面的电荷积累时间来操纵快门。
电子快门控制摄像机CCD的累积时间,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。
当摄像机的电子快门打开时,对于NTSC摄像机,其电子快门以261步覆盖从1/60秒到1/10000秒的范围;
对于PAL型摄像机,其电子快门则以311步覆盖从1/50秒到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。
(5)白平衡
白平衡只用于彩色摄像机,其用途是实现摄像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。
A、自动白平衡连续方式--此时白平衡设置将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,连续的白平衡不能产生最佳的彩色效果。
按钮方式--先将摄像机对准诸如白墙、白纸等白色目标,然后将自动方式开关从手动拨到设置位置,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像机的存储器中,直至再次执行被改变为止,其范围为2300~10000K,在此期间,即使摄像机断电也不会丢失该设置。
以按钮方式设置白平衡最为精确和可靠,适用于大部分应用场合。
B、手动白平衡开手动白平衡将关闭自动白平衡,此时改变图像的红色或兰色状况有多达107个等级供调节,如增加或减少红色各一个等级、增加或减少兰色各一个等级。
除次之外,有的摄像机还有将白平衡固定在3200K(白炽灯水平)和5500K(日光水平)等档次命令。
(6)色彩调整对于大多数应用而言,是不需要对摄像机作色彩调整的,如需调整则需细心调整以免影响其他色彩,可调色彩方式有:
红色-黄色色彩增加,此时将红色向洋红色移动一步。
红色-黄色色彩减少,此时将红色向黄色移动一步。
兰色-黄色色彩增加,此时将兰色向青兰色移动一步。
兰色-黄色色彩减少,此时将兰色向洋红色移动一步。
3、数字化式的调整控制方法
新型摄像机对前述各项可选参数的调整采用数字式调整控制,此时不必手动调节电位计而是采用辅助控制码,而且这些调整参数被储存在数字记忆单元中,增加了稳定性和可靠性。
DSP摄像机在模拟制式的基础上引入部分数字化处理技术,称为数字信号处理(DSP,DIGITALSIGNALPROCESSOR)摄像机。
该种摄像机具有以下优点:
1、由于采用了数字检测和数字运算技术而具有智能化背景光补偿功能。
常规摄像机要求被摄景物置于画面中央并要占据较大的面积方能有较好的背景光补偿,否则过亮的背景光可能会降低图像中心的透明度。
而DSP摄像机是将一个画面划分成48个小处理区域来有效地检测目标,这样即使是很小的、很薄的或不在画面中心区域的景物均能清楚地呈现。
2、由于DSP技术而能自动跟踪白平衡,即可以在任何条件检测和跟踪"
白色"
,并以数字运算处理功能来再现原始的色彩。
传统的摄像机因系对画面上的全部色彩作平均处理,这样如果彩色物体在画面上占据很大面积,那么彩色重现将不平衡,也就是不能重现原始色彩。
DSP摄像机是将一个画面分成48个小处理区域,这样就能够有效地检测白色,即使画面上只有很小的一块白色,该摄像机也能跟踪它从而再现出原始的色彩。
在拍摄网格状物体时,可将由摄像机彩色噪声引起的图像混叠减至最少。
初学者园地之摄象机
(一)
前端部分的主要设备
第一节、摄像机
摄像机的发展速度很快,从摄像管到CCD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、具有抗震动和撞击等特点,同时清晰度、照度、可靠性等指标大大提高而被广泛应用。
CCD是ChargeCoupledDevice(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。
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。
一、CCD摄像机的分类
㈠按照成像色彩划分
CCD摄像机按成像色彩划分为彩色摄像机和黑白摄像机两种。
除色度处理方面不同外,其它原理基本一致。
主要有光学系统、光电转换系统、信号处理系统组成。
其中光电转换系统是摄像机的核心。
自然图像通过光学镜头成像于摄像机的光靶面上,彩色摄像机的光学系统中使用相干分色棱镜或特殊条状滤色镜将光信号分成红、绿、蓝三色光信号,光电转换系统通过摄像管或CCD元件利用电视扫描方法把光图像信号转换成随时间变化的视频电信号,再经放大、处理、编码而成为全电视信号。
㈡按照分辨率划分
按照分辨率划分为25万像素左右,对应彩色330线/黑白400线的低档型;
25万至38万像素之间,对应彩色420线/黑白500线的中档型;
38万像素以上,对应彩色大于或等于460线黑白570线以上的高档型。
㈢按照摄像机灵敏度划分
按照灵敏度可分为最低照度1至3lux的普通型;
0.1lux左右的月光型;
0.01lux以下的星光型以及原则上可以为0Lux,采用红外光源成像的红外照明型。
㈣按照CCD靶面尺寸划分
摄像机摄像器件(CCD)的尺寸分为1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。
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
3.6
6
1/4英寸
2.4
4
1/5英寸的CCD摄像机正待开发之中,将来也会在市场上占有一定比例。
一般来说,大的CCD芯片,其相应的象素面积也较大,接收所摄光的面积增大,必然使象素输出电荷增多,灵敏度上升,在弱光条件下具有较好的拍摄能力,容易使摄像机整体质量提高,图像细部明显细腻自然。
而光学系统聚焦影像时的焦平面越小,则成像过程中丢失的细节就越多,得到的影像放大后细部过渡就可能有突变的现象,显得不自然。
另外小尺寸CCD拥有更多的象素和更高的分辨率也会导致单个像素的感光面积缩小,有曝光不足的可能。
单个像素的面积越小,其感光性能越低,信噪比越低,动态范围越窄。
每个象素上的信息趋于与在它附近的象素的信息混合(在电子学上这个概念叫做色度亮度干扰)。
二、CCD传感器的技术发展趋势
CCD是摄像机的核心器件,因此其性能高低将直接影响摄像机的品质,并且CCD的发展是摄像机更新换代的基础。
CCD传感器有两种,第一种是特殊CCD传感器,如红外CCD芯片(红外焦平面阵列器件)、高灵敏度背照式和电子轰击式CCD、EBCCD等,另外还有大靶面如2048×
2048、4096×
4096可见光CCD传感器、宽光谱范围(紫外光→可见光→近红外光→3-5μm中红外光→8-14um远红外光)焦平面阵列传感器等。
目前已有商业化产品,并广泛应用于各个领域。
第二种是通用型或消费型CCD传感器,在许多方面都有较大地进展,总的方向是提高CCD摄像机的综合性能。
㈠CCD传感器的像面尺寸向集成化、轻量化方向的发展。
由于制造CCD传感器的硅片和加工成本都很高,所以很希望一片6.5英寸的硅片上光刻出更多的CCD传感器芯片;
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。
在1993年,1/2英寸的CCD传感器占总产量的5%;
1/4英寸的CCD传感器占总产量的10%;
1/3英寸的CCD传感器占总产量的85%。
在1997年,在总产量比1993年增加200%以上的情况下,1/2英寸的CCD传感器仍有很大发展,已占总产量的15%(1/2英寸由于靶面较大仍有许多场合需要,尤其在科研领域中);
1/4英寸的CCD传感占总产量的60%。
也就是说,1/2英寸较大靶面尺寸CCD传感器仍有很大增长。
1/4英寸的CCD传感器的产量比1/3英寸的CCD传感器来说,占总产量的比例在减少。
㈡CCD传感器向高素数、多制式发展
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。
㈢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。
⑷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,即由DipOnBoard(DOB)过锡板工艺改进为ChipOnBoard(COB)板上连接IC芯片的贴片方式。
到目前为止,已实现多层板的MultiChipModule(MCM)多芯片集成模组化制造技术。
㈤CCD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
初学者园地之摄象机(三)
五、一体化摄像机
对于厂商而言,发展一体化特殊型摄像机的本意是为了提供消费者一个使用方便、安装简单、功能齐全的产品。
因此厂商将镜头内建于摄像机中,使客户免除另外购买镜头及装配的步骤。
此外,一般传统摄像机造型呆板,以小型或特殊设计的外观取代旧式机种,甚至以多种附加功能,例如∶防水、防弹或电脑遥控、电源自动侦测等,提高产品价格,皆是厂商推出一体化摄像机的目的。
㈠产品类型
就目前产品外型来看,一体化摄像机可大致分为特殊型以及一般型。
所谓特殊型,是强调产品具备特殊防护功能,以免除防护罩的使用为设计出发点,其产品外壳多为圆柱体,项目包括防水型、防暴(爆)型、防弹型摄像机等。
以防水型为例,采用特殊材质如铝合金,增强外壳防水等级,强调不须外加防护罩。
为了提升产品附加价值,进而发展自动对焦功能,或提供IR光源,在夜间也能提供清晰图像。
一般型则是从原有的传统摄像机造型而来,同样具备四方外表,而镜头内建,体积较小。
相较于特殊型或传统摄像机,目前一般型的一体化摄像机皆具备各式基本功能,如自动光圈、自动变焦、460电视线以上的清晰度、自动白平衡、背光补偿等等。
㈡镜头为发展关键
一体化摄像机的技术关键部分在于镜头以及摄像机内部的线路设计。
镜头决定其显像效果、光圈、对焦功能外,也是摄像机的最大成本。
而线路设计则是影响摄像机各项功能运作的关键。
镜头就镜头的形式来看,不论是机板型(BoardLens)或一般型镜头,可藉由手动调整光圈以及焦距的伸缩镜头(ZoomLens)发展已久,因此使用普及。
而近年来,在镜头制造商技术进步的情况下,变焦镜头(Vari-focalLens)以其自动对焦的优点而受摄像机制造商喜爱。
由于变焦镜头体积较小、可自动变焦,因此广泛应用于快速球型摄像机以及一体化摄像机中。
而伸缩镜头因体积大、价格较变焦镜头高出许多,因此一体化摄像机制造商多采用变焦镜头,使用率逐渐增加。
据了解,目前以3.5~8mm的镜头使用最为普及。
对一体化摄像机而言,由于体积较小,因此多半采用机板型镜头(BoardLens)。
相较于一般镜头,机板型镜头价格便宜、尺寸较小,但由于镜头与摄像机的空隙较小,因此安装制造较为困难。
在镜头尺寸部分,过去以1/3”镜头使用最多,但1/4”镜头较小更适用于一体化摄像机,加上近年来IC厂商大量生产晶片,带动1/4”晶片的成本降低,使用量逐渐凌驾1/3”镜头。
然而,1/3”镜头所摄取的图像效果最好,仍有不少一体化摄像机制造商使用,因此仍有相当大的发展空间。
㈢线路设计
线路设计关系着如何依现有摄像机结构,搭配镜头的自动光圈线路,以做到最佳效果。
一般而言,自动光圈有二种驱动方式,一是VideoDriver,另一种是DCDriver。
VideoDriver镜头是将光圈马达的驱动电路板安装于镜头内,利用摄像机输出图像信号到驱动电路板,再由驱动电路板来改变光圈马达,使光圈变化,成本与施工都比较贵。
DCDriver镜头是配合部分摄像机制造商,将原先安装于镜头中的驱动电路板转至摄像机中,因此镜头不需要驱动电路板,直接由摄像机输出DC电流来改变光圈马达,使光圈产生变化,由于接头固定,成本较低,施工也较为容易。
目前一体化摄像机市场上两种都有使用。
另外,线路设计也同时影响著摄像机的附加功能,例如快门速度调整可从1/60到1/100,000,自动白平衡、自动增益,或提供屏幕菜单功能,使用者可由OSD调整各项功能。
此外,图像放大(Zoom)也是厂商的强调重点之一。
简单来说,放大方式有数字放大以及光学放大两种,数字放大是以图像模拟的方式放大,容易有画面失真、模糊(马赛克)的情况出现,而光学式放大则不会有此问题。
因此,对使用者而言,在考虑图像放大的倍数时,应以光学式放大倍数为准。
㈣发展瓶颈
根据目前一体化摄像机发展情况来看,自动光圈镜头的控制、镜头与摄像机的搭配以及后续的扩充能力,仍是厂商的发展瓶颈。
所谓后续的扩充能力,在于产品新功能开发、如何与其他周边整合以及小系统的建置,是厂商在设计开发的重点。
目前主要镜头供应地为日本及韩国,其中以日本的制造量最大、销售量最高,然而日本镜头价格高,连带的提高一体化摄像机的制造成本。
㈤未来发展
一体化摄像机是为符合客户安装便利的需求所开发出的产品,未来也将继续朝此目标迈进,例如∶如何让图像品质更真实,开发能与电脑结合的使用介面等。
许多厂商表示,多工球型摄像机不但镜头内建,更能做到360度旋转监视、镜头、光圈、快门调整,以及定位点功能,当是“一体化摄像机”的发展极致。
六、球型摄像机
球型摄像机是指将摄像机、镜头等设备组合内置在球型防护罩内的摄像设备。
以球型防护罩区分,有全球型和半球型;
以球型摄像机的性能区分为定焦镜头球型摄像机或定焦镜头球罩型摄像机和内置摄像机、变焦镜头、云台、解码器等设备的一