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摄像机产品知识

摄像机介绍

摄像机产品知识一1

摄像机的分类：

1

1、以不同图像传感器分类：

CCD相机与CMOS相机1

2、以不同图像颜色分类：

单色相机与彩色相机2

3、按像元排列方式划分：

面阵摄像机与线阵摄像机2

4、以输出图象信号分类：

模拟信号相机与数字信号相机3

5、按CCD靶面大小划分4

６、按同步方式划分4

7、按照度划分，CCD又分为：

4

摄像机产品知识二5

一、常用摄象机的感光芯片。

5

CCD摄像机5

CCD摄像机的选择和分类5

CMOS摄像机6

二、几个概念7

1、像素7

2、信噪比8

3、灵敏度8

4、图像清晰度9

5、噪点9

6、几何失真9

7、重合精度9

8、调节10

9、最低照度10

摄像机产品知识一

摄像机的分类：

1、以不同图像传感器分类：

CCD相机与CMOS相机

CCD相机：

使用CCD式感光芯片为图像传感器的相机。

CMOS相机：

使用CMOS式感光芯片为图像传感器的相机。

CCD相机，是目前绝大多数机器视觉系统中所使用的相机。

现在市场上公开销售的CCD相机，无论是在图像格式、分辨率还是敏感度等各个方面都有着广阔的选择空间。

可以这样说：

CCD相机所提供给我们的优越性能，可以满足99％的项目要求。

与CCD相机相比，虽然CMOS相机有着如：

工艺简单、成本低廉、低功耗、系统整合性好、区域读取图像灵活等诸多优点。

但由于生产工艺上的差距，CMOS目前在除噪及灵敏度方面仍逊于CCD，因此使得CMOS相机现在处于民用阶段，尚无法达到工业应用领域的要求。

2、以不同图像颜色分类：

单色相机与彩色相机

单色相机：

输出图像为单色图像的相机。

彩色相机：

输出图像为彩色图像的相机。

多数彩色CCD相机所采用的技术，是在单一传感器前装置一系列彩色滤片，从而令不同色彩的光进入到不同CCD点象素中去，也就是说不同象素中所感受到的只是某一种单色光的灰度。

就目前的生产工艺来说，由于使用滤片使得彩色相机的灵敏度远低于单色相机。

同时由于彩色相机中的象素只“存放”一种色光的灰度值，因此彩色相机的分辨率也远远不及单色相机。

这便使得彩色相机只能用于需要“色彩认识”的系统，还不能被普通使用于高精度的测量、定位等系统。

3、按像元排列方式划分：

面阵摄像机与线阵摄像机

面阵摄像机是我们常见的形式，其像元是按行列整齐排列的，每个像元对应图像上的一个像素点，我们一般所说的分辨率就是指像元的个数。

需要指出的是我们计算机中的彩色图像一般是每个像素点由R、G、B三个值来表示，但我们一般的彩色摄像机却并不是这样的，下面分别进行介绍：

黑白摄像机，每个像素点对应一个像元，该像元对于各种波长的光具有较一致的敏感度，采集得到的只是每个像素点的灰度值。

采用BAYER转化的单片彩色摄像机，这种摄像机的每个像素点实际只对应R、G、B三种之一的像元，R、G、B三种像元按一定的规律排列，我们实际所得到的每个像素点的R、G、B三原色的数值是根据该像素点及其周围若干点的三色数值进行BAYER插分计算而来的，所以这种摄像机所得到的图像往往不能得到很好的彩色效果，尤其是对应边缘位置会有较明显的色彩失真和细节的丢失。

目前我们常见的彩色摄像机一般是这种形式的，其价格和同档次的黑白摄像机相近。

3CCD彩色摄像机，这种摄像机每个像素点对应有R、G、B三个感光元件，采用分光棱镜将入射光线分别折射到三个CCD靶面上，分别进行光电转换得到R、G、B三色的数值（见下图）。

这种摄像机得到的图像质量好，没有细节丢失的问题，但由于摄像机结构复杂，所以一般较昂贵。

另外由于这种摄像机采用了分光棱镜的方式，光线到达每个CCD靶面的光程是不一样的，所以需要镜头做针对性的设计才能达到比较好的图像效果，所以使用3CCD的摄像机还需要配备专用的镜头。

线阵摄像机是一种比较特殊的形式，其像元是一维线状排列的，即只有一行像元，每次只能采集一行的图像数据，只有当摄像机与被摄物体在纵向相对运动时才能得到我们平常看到的二维图像。

具体为，CCD感光芯片上的点阵呈线状（一行或两行）分布的，其所成图像为一维“线”图像。

线阵摄像机里的CCD感光芯片，只是一条线（或是两条线），但这条线却很长：

1K，2K，4K甚至更长。

也就是说线阵摄像机一次拍出的图像，只是一条线。

为了得到整个二维图像，通常需要移动被测物或相机本身，同时间断地拍照。

线阵摄像机需要多次成像后，将所成的“线”象拼成一幅完整的图像。

因此，线扫描相机更多地被用于分辨率要求极高的项目里。

同时还需要大口径镜头、强亮度灯源以及大光圈，以适应其非常高的成像速度。

黑白摄像机，也是最常用的线阵摄像机，每个像素点对应一个像元，采集得到的是灰度图像。

3Line彩色摄像机，该摄像机的具有R、G、B三行像元，分别对红、绿、兰三种波长的光敏感，所以每个像素点都会对应R、G、B三个通道的数值，形成彩色的图像数据。

需要注意的是，由于R、G、B三行像元在同一时刻所采集的并非同一位置的信息（见图），在实际应用中需要进行运动校正才能得到所需的彩色图像。

一般的摄像机都提供内部进行运动校正处理的功能，但对于对比度非常高的图像边缘还是容易出现色彩失真的现象。

3CCD彩色摄像机，与面阵的3CCD摄像机原理相同，采用分光棱镜将入射光线分别折射到三个CCD靶面上，分别进行光电转换得到R、G、B三色的数值。

图像质量好，但需配备专用镜头。

4、以输出图象信号分类：

模拟信号相机与数字信号相机

模拟信号相机：

在模拟信号相机中，从传感器中传出的信号，被转换成模拟电压信号，即普通视频信号，后再传到图像采集卡中。

数字信号相机：

在数字信号相机中，信号自传感器中的每一个象素输出后，在相机内部就被数字化了，数字化之后的图像可直接被计算机所接受。

模拟信号相机的成本一般上低于数字信号相机。

但是在除噪、速度方面则比数字信号相机来得差。

数字信号相机除了在除噪及速度方面优于模拟信号相机外，由于是数字信号传输方式，因此在计算机中所得到的由数字信号相机拍出的图像，更加“逼真”。

而且，数字信号相机在分辨率及成像速度方面有更多选择。

CameralInk和Firewire是数字信号相机最常见的传输标准。

数字信号相机取代模拟信号相机，是不可逆转的大趋势。

不过目前我们常见的数字信号相机，多是家用CMOS数字相机。

模拟摄像机所输出的信号形式为标准的模拟量视频信号，需要配专用的图像采集卡才能转化为计算机可以处理的数字信息。

模拟摄像机一般用于电视摄像和监控领域，具有通用性好、成本低的特点，但一般分辨率较低、采集速度慢，而且在图像传输中容易受到噪声干扰，导致图像质量下降，所以只能用于对图像质量要求不高的机器视觉系统。

常用的摄像机输出信号格式有：

PAL（黑白为CCIR），中国电视标准，625行，50场

NTSC（黑白为EIA），日本电视标准，525行，60场

SECAM

S-VIDEO

分量传输

数字摄像机是在内部集成了A/D转换电路，可以直接将模拟量的图像信号转化为数字信息，不仅有效避免了图像传输线路中的干扰问题，而且由于摆脱了标准视频信号格式的制约，对外的信号输出使用更加高速和灵活的数字信号传输协议，可以做成各种分辨率的形式，出现了目前数字摄像机百花齐放的形势。

常见的数字摄像机图像输出标准有：

IEEE1394

USB2.0

DCOM3

RS-644LVDS

ChannelLinkLVDS

CameraLinkLVDS

千兆网

5、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12.8mm*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。

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

摄像机产品知识二

一、常用摄象机的感光芯片。

我们知道感光芯片是摄像机的核心部件，目前摄像机常用的感光芯片有CCD和CMOS两种：

CCD摄像机

1．CCD称为电荷耦合器件，CCD实际上只是一个把从图像半导体中出来的电子有组织地储存起来的方法。

按照CCD的数量分为单片和三片CCD

摄像头的主要传感部件是CCD，它具有灵敏度高、畸变小、寿命长、抗震动、抗磁场、体积小、无残影等特点，CCD是电耦合器件（ChargeCoupleDevice）的简称，它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。

CCD的工作原理是：

被摄物体反射光线，传播到镜头，经镜头聚焦到CCD芯片上，CCD根据光的强弱积聚相应的电荷，经周期性放电，产生表示一幅幅画面的电信号，经过滤波、放大处理，通过摄像头的输出端子输出一个标准的复合视频信号。

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。

在闭路监控系统中，摄像机又称摄像头或CCD（ChargeCoupledDevice）即电荷耦合器件。

严格来说，摄像机是摄像头和镜头的总称，而实际上，摄像头与镜头大部分是分开购买的，用户根据目标物体的大小和摄像头与物体的距离，通过计算得到镜头的焦距，所以每个用户需要的镜头都是依据实际情况而定的，不要以为摄像机（头）上已经有镜头。

CCD摄像机的选择和分类

CCD芯片就像人的视网膜，是摄像头的核心。

目前我国尚无能力制造，市场上大部分摄像头采用的是日本SONY、SHARP、松下、LG等公司生产的芯片，现在韩国也有能力生产，但质量就要稍逊一筹。

因为芯片生产时产生不同等级，各厂家获得途径不同等原因，造成CCD采集效果也大不相同。

在购买时，可以采取如下方法检测：

接通电源，连接视频电缆到监视器，关闭镜头光圈，看图像全黑时是否有亮点，屏幕上雪花大不大，这些是检测CCD芯片最简单直接的方法，而且不需要其它专用仪器。

然后可以打开光圈，看一个静物，如果是彩色摄像头，最好摄取一个色彩鲜艳的物体，查看监视器上的图像是否偏色，扭曲，色彩或灰度是否平滑。

好的CCD可以很好的还原景物的色彩，使物体看起来清晰自然；而残次品的图像就会有偏色现象，即使面对一张白纸，图像也会显示蓝色或红色。

个别CCD由于生产车间的灰尘，CCD靶面上会有杂质，在一般情况下，杂质不会影响图像，但在弱光或显微摄像时，细小的灰尘也会造成不良的后果，如果用于此类工作，一定要仔细挑选。

CCD摄像机采用CCD电子藕合器件替代摄像管,实行光电转换、电荷储存与电荷转移。

CCD的功能相当于摄像管摄像机内的摄像管。

CCD摄像器件具有小型、轻重量、长寿命、低工作电压、图像无几何失真、抗灼伤等摄像管无可比拟的优点。

目前,广播电视系统用的摄像机绝大多数为CCD摄像机。

CCD摄像机拍摄的图像质量与CCD的数量、CCD的感光面积、CCD的工作方式合很大关系。

按CCD数量可分为:

单片、三片式摄像机，三片的质量最好，广播电视系统均采用三CCD摄像机。

CCD摄像机还可以按CCD电子藕合器件的工作方式分为：

IT（行间转移型）方式FT（帧间转移型）方式和FIT（帧行间转移型）方式。

一般FIT方式图像质量最好。

那些是模拟的摄像机。

CMOS摄像机，

２．CMOS称为“互补金属氧化物半导体”，CMOS实际上只是将晶体管放在硅块上的技术，没有更多的含义。

　　尽管CCD表示“电荷耦合器件”而CMOS表示“互补金属氧化物半导体”，但是不论CCD或者CMOS对于图像感应都没有用，真正感应的传感器称做“图像半导体”，CCD和CMOS传感器实际使用的都是同一种传感器“图像半导体”，图像半导体是一个PN结合半导体，能够转换光线的光子爆炸结合处成为成比例数量的电子。

电子的数量被计算信号的电压，光线进入图像半导体得越多，电子产生的也越多，从传感器输出的电压也越高。

　　因为人眼能看到1Lux照度（满月的夜晚）以下的目标，CCD传感器通常能看到的照度范围在0.1~3Lux，是CMOS传感器感光度的3到10倍，所以目前一般CCD摄像机的图像质量要优于CMOS摄像机。

　　CMOS可以将光敏元件、放大器、A/D转换器、存储器、数字信号处理器和计算机接口控制电路集成在一块硅片上，具有结构简单、处理功能多、速度快、耗电低、成本低等特点。

CMOS摄像机存在成像质量差、像敏单元尺寸小、填充率低等问题，1989年后出现了“有源像敏单元”结构，不仅有光敏元件和像敏单元的寻址开关，而且还有信号放大和处理等电路，提高了光电灵敏度、减小了噪声，扩大了动态范围，使得一些参数与CCD摄像机相近，而在功能、功耗、尺寸和价格方面要优于CCD，逐步得到广泛的应用。

CMOS传感器可以做得非常大并有和CCD传感器同样的感光度，因此非常适用于特殊应用。

CMOS传感器不需要复杂的处理过程，直接将图像半导体产生的电子转变成电压信号，因此就非常快，这个优点使得CMOS传感器对于高帧摄像机非常有用，高帧速度能达到400到100000帧/秒。

二、几个概念

1、像素

　　无论是摄像头还是数码相机，像素都是主要性能指标之一。

所谓像素，是指摄像头感光组件上的光敏单元的数量，光敏单元越多，摄像头捕捉到的图像信息就越多，图像分辨率也就越高，相应的屏幕图像就越清晰。

利用像素值，可以计算出最大像分辨率，例如一款摄像头的最大分辨率为640X480，那么像素就是640X480=307200，即30万象素。

　目前常见的摄像头像素有：

10万、30万、50万甚至是80万、130万（1280X1024=1312720）。

分辨率是衡量成像器件与成像系统优劣的一个重要参数，面就简要叙述一下分辨率的含义、表示法以及CCD摄像机（含其他固体摄像机，如CMOS摄像机）的常用分辨率的测试及一般计算公式，分辨率有时也称清晰度，对CCD摄像机来说，则应有垂直方向的清晰度和水平方向的清晰度，两者的比值可称为清晰度比。

由于垂直清晰度是固定的，所以摄像机的清晰度主要指水平清晰度。

下面分别介绍一下。

①垂直清晰度

垂直清晰度是由一帧图像的扫描行数决定的。

由于在场消隐期间看不到扫描线，对于我国625行50场的扫描制式来说，画面的有效扫描行数约为575行；而对于美国525行60场的扫描制式来说，画面的有效扫描行数约为490行。

由于水平扫描线之间是离散的，所以两条相邻的水平扫描线之间一定会丢失部分细节（或说对与扫描线相同的黑白水平线摄像时，扫描线与黑白水平线正好重合的概率不等于一）。

一般，约有30%（凯尔系数）的细节会丢失。

所以认为，垂直清晰度RV等于有效扫描行数n乘以经验值0.7（即70%），即RV=0.7n。

所以，对625行的扫描制式来说，实际有效的清晰度为575×0.7=402TVL；对525行的扫描制式来说，其垂直清晰度为490×0.7=343TVL。

因此垂直清晰度对同一电视制式来说，基本上是固定的。

②水平清晰度

水平清晰度是当用与画面高度相等的黑白相间的垂直平行线作被摄物时，在水平方向上所能够再现的线数。

而黑白条图形都是一定频率的方波信号，所以根据行扫描速度和传送带宽也可确定水平清晰度的值。

水平清晰度用RH表示，如果一条扫描线上能够再现m个象素，则可用下式来表示水平清晰度：

RH=0.75m

式中，m为水平方向的象素数，V是画面的垂直高度，H为水平长度，V/H也叫做光栅高宽比。

一般V/H=3/4=0.75。

因此，对象素数为500（H）×582（V）的摄像机来说，其水平清晰度RH=0.75×500=375TVL，所以对分辩率无特殊优化处理等功能的一般摄像机来说，不可能有420TVL（当前市场没有规范，应统一）。

在一条扫描线上能够再现m个象素时，所要求信号的最大频率fmax可由下式表示：

fmax=m/2tntk

式中，tn是行扫描时间（S）；tk是行扫描时间的有效系数，其值为o

当一帧图像的扫描行数为n，一秒的帧数为F帧，且tn=1/nF帧时，水平清晰度RH还可用下式表示

2、信噪比

信噪比是在标准照明度（2000Lx）下，摄像机图像（亮度或绿路）信号的峰峰值与视频噪波的有效值之比。

信噪比的数值与测量条件有关。

信噪比是不同档次摄像机的主指标，该指标越高越好，例如信噪比为60dB比58dB要好

3、灵敏度

灵敏度是在同一照度下，拍摄同一景物得到额定输出时所用的光圈大小来衡量的。

通常在照度为20001x（勒克斯），色温3200K，拍摄白反射系数为89．9％的景物，信号输出为700毫伏。

此时使用的光圈越小，表示摄像机的灵敏度越高。

例如，光圈为F5.6就比光圈为F4的灵敏度要低。

4、图像清晰度

图像清晰度是指摄像机分解黑白细线条的能力，通常用图像中心部分水平分解力表示。

如水平分解力700线则表示在拍摄一幅水平方向具有700线条黑白相间垂直线条的图像时，监视器上重现图像的中心部分还能看清楚黑白线条。

水平分解力越高，图像的清晰度就越高。

对于CCD图像传感器，全图像内的水平清晰度都是一致的。

5、噪点

图像噪点是指图像中的杂点与正常像素的比例。

通常来说图像噪点越多，摄像头所捕捉到的图像所含有的杂点就越多。

图像噪点是指图像中的杂点与正常像素的比例。

通常来说图像噪点越多，摄像头所捕捉到的图像所含有的杂点就越多。

6、几何失真

几何失真表示重现图像与原图像的几何形状的差异，表现为枕形、桶形、菱形等多种失真形式。

它主要是摄像管摄像机的一大指标，对于广泛使用的CCD摄像机来讲几何失真很小，几乎很难测量出来。

7、重合精度

三片或三管式摄像机重现的彩色图像是由红、绿、蓝三个基色图像混配出来的，三者在空间位置和几何位置必须一致，否则混合出的图像必然有红、绿、蓝等色边出现。

摄像管摄像机一般要求：

l区内的重合误差小于0．l％；11区内的重合误差小于0．2％；Ill区内的重合误差小于0．5％。

图像技术区域的划分如图2－3所表示。

对于CCD摄像机，整个画面的重合误差均小于0．05％。

8、调节

　　摄像头的调节参数主要有亮度、白平衡、色彩补偿和调焦。

其中白平衡的含义是摄像头调节颜色的能力，质量好的摄像头具有较佳的自动白平衡调整功能，也就是在光源颜色并非纯白的时候，摄像头调整三原色的比例而达到色彩的平衡，使被拍摄对象不至于因为光源颜色而产生偏色

9、最低照度

最低照度是指在一定的信噪比条件下，比较被摄景物所需照度的大小。

照度越低，说明摄像机灵敏度越高。

光照度是表明物体被照明程度的物理量。

光照度与照明光源、被照表面及光源在空间的位置有关，大小与光源的光强和光线的入射角的余玄成正比，而与光源至被照物体表面的距离的平方成反比。

光照度可用照度计直接测量。

光照度的单位是勒克斯，英文lux的音译，也可写为lx。

被光均匀照射的物体，在1平方米面积上所得的光通量是1流明时，它的照度是1勒克斯。

有时为了充分利用光源，常在光源上附加一个反射装置，使得某些方向能够得到比较多的光通量，以增加这一方向被照面上的照度。

例如摄像、摄影照明灯、手电筒和汽车前灯等都装有反光镜。

以下是各种环境照度值：

单位lux

黑夜0.001-0.02

月夜0.02-0.3

阴天室内5-50

阴天室外50-500

晴天室内100-1000

夏季中午太阳光下的照度约为109

阅读书刊时所需的照度50-60

电视演播室所需照度300–2000

家用摄像机所需最小照度0.3-1

家用摄像机标准照度1400

最常用的测量最低照度的方法称为目标照度法，目标照度表示有多强光线到达CCD表面放置的位置。

尽管清晰的定义不同，然而有三项主要的参数决定结果。

就是：

F停止（用来测试摄影机用的镜头F停止）

色温（光源的色温，也就是光谱内容）

IRE（视频振幅的IRE等级）

反射率（目标的反射率和背景）

F停止

F停止是测量镜头采集光线能力的方法，一个好的镜头能采集更多的光线并集中放射到CCD传感器上，F1.4的镜头比F2.0的镜头能采集2倍的光线，换句话讲，F1.0的镜头比F10的镜头能多采集100倍的光线，因此在测量中标出F停止是非常重要的，否则结果都是没有意义的。

色温

色温是表述光源中光线波长内容的方法，一个3200k的光源多数波长都在600纳米和900纳米之间，而一个9300k的光源多数波长都在300到500纳米之间，因此不同的色温将彻底改变测试结果。

在一个典型的CCD传感器上，一个有600纳米波长的光源将比波长为900纳米波长的光源多产生10倍的电子。

这就是为什么色温特别标注对结果的意义。

IRE等级

CCD摄影机的视频输出最大振幅一般设置在100IRE或者700毫伏，一个100IRE的视频表示可以完全驱动一个监视器表现最好亮度和对比度的优质影像，只有50IRE的视频表示只有一半的对比度，30IRE或者210毫伏表示只有原始振幅的30%，通常30IRE是最低的表现可用影像的数值，一个标准的摄影机当自动增益提高到最大增益时噪度等级应该在10IRE，因此能提供3:

1或10dB信噪比可以接受的影像。

一个在10IRE下测量的结果可以比在100IRE下测量的结果高出10倍，因此没有标出IRE等级的结果实际上是没有意义的。

反射比

目标的反射比和背景能彻底改变测量的结果，一个有100%反射率的目标平面上能产生比只有1%反射率的目标高出100倍的光线。

一般参数的设置：

一般信誉好的公司会在以下标准下测量感光度。

F停止F1.2

色温5600K

视频等级30IRE

反射率80%

因此一个真诚的摄影机生产商会如下标注最低照度

3lux（F1.45600K30IRE80%）

如果任何一个参数被省略了，结果可能就会有10到1000倍的差别。

例如一个同样的摄影机能标注的完全不同

1lux（F1.45600K30IRE80%）

0.001lux（F0.755600K10IRE1%）

一些不负责任的生产商会标注如下测量的超高感度摄影机

1lux（F1.45600K30IRE80%）但是被标注为0.0001lux.

现在你该知道原因了！

！

！

因为他们是在以下情况下作标注

（F0.755600K10IRE0.1%）

想知道这（F0.75560