1、9第三章 摄像机简 介一个 CCTV 系统最重要的部分是摄像机，摄像机有许多种类和许多使用方法。本章内容将仔细探究摄像机的不同类型及其工作的基本原理，还将解释描述摄像机性能的一些术语，以便使大家能够看明白对于可能要购买的各种各样摄像机将会是十分有用的数据表格。到目前为止，还没有统一的方法要求制造商提供明确表示摄像机性能的数据，因此，在做出选择之前，应该认真研究制造商的产品广告，并参照公共的标准作一下比较。摄像机的类型室内用摄像机室内用摄像机通常被指定用于不需要环境保护的室内。正常情况下，摄像机只不过装个镜头，用于观察指定区域，并安装在墙上或者天花板支架上。如果摄像机位于走廊或光线没有变化的区域
2、，那么仅仅使用手动光圈镜头就可以了。在被观察的区域内有窗户或者天窗的情况下，因为光线会发生变化，如果需要摄像机二十四小时监视，那么必须使用自动光圈镜头，或者采用另外一种控制摄像机电子灵敏度的方法（见书中有关电子快门摄像机章节中的内容） 。通常情况下，室内用摄像机的外观也很重要，因为建筑师或类似的人都会希望摄像机隐蔽在周围装饰里。在这种情况下，摄像机可安装在保护罩内。从简单的盒式到半球型、楔型以及各种类型，有许多不同外观的保护罩都可以买到。使用室内保护罩还有其他的一些原因，其中最重要的原因是不想让摄像机被人看见。在这种情况下，甚至用隐蔽的保护罩把摄像机遮蔽起来，要不然，也可以把摄像机伪装成某种东
3、西。保护罩同样在一定的情况下提供了一种保护措施，有许多类型的全封闭保护罩可以用于保护摄像机不受到破坏，灰尘或其他污染。室外用摄像机通常所描述的室外用摄像机被用于户外场合。除了摄像机外壳自身是防水的情况外，差不多室外用摄像机总是装在不受气候影响的保护罩内。正常情况，室外用摄像10机保护罩装有加热器和恆温控制器，以防止保护罩前面的玻璃窗在低温情况下结雾。室外用摄像机一直采用电子灵敏度控制形式，这是因为从白天到夜晚期间，光线等级很可能会变化几百万倍。现在，本书想推荐一种控制这种电子灵敏度最有效的方法，该方法是在自动光圈镜头上装一个中性密度光点滤光镜。在第四章和第十三章中，给出有关镜头和光线照度更详细
4、的叙述。电子快门摄像机现在介绍带有“电子快门”的摄像机。摄像机的电子快门是由照射到成像器件上的光线数量来进行控制的。事实上，其作用等效于早期电影摄像机上安装的各种速度的机械快门。在电影摄像机中，通过光电池测量光线能量，光线增强，快门转动加快；光线减弱，快门转动变慢。在两种摄像机中采用了同样的方法，在最高光线等级情况下，限定快门速度在无图像闪烁的有效工作状态，在最低光线等级情况下，使曝光时间足够长，以致运动中的图像出现模糊不清的现象。一些制造商已经声称，电子快门摄像机不需要自动光圈镜。这在所有条件下未必都好，对于光线水平范围受到限制的室内条件是比较理想的。按照通常作法，应该认真查阅制造商的说明书
5、，核对摄像机涵盖的光线范围。另外一个应该意识到的问题是，因为这种摄像机光圈总是被设立在最大孔径，使得景深大大降低。小型摄像机自从 CCD 摄像问世以来，摄像机的尺寸明显地减少。可买到的各种款式的小型摄像机主要有两大类：一种是一体化摄像机，一种是成像元件与摄像机分离的摄像机。一体化摄像的尺寸类似于一包香烟的大小。如果需要更小的规格，有传感元件分开的摄像机加上传感器模块只 25mm 见方。由于装镜头和安置摄像机，使得摄像机最小尺寸受到约束。现行设计的顶级摄像机，包括全部电子器件，大约是大拇指甲大小。线路供电摄像机通常，一台 CCTV 摄像机必须有某种电源供电。虽然，给摄像机供电布电源线或设定电源点
6、存在着费用问题，但是，不是从集体中点敷设电源线就是接就地电源供电。一些摄像机制造商，由于生产利用传输视频信号的同轴电缆供电的摄像机，引发了争11议。按照敷设电源线或者市电源供电的说法，采用线路供电摄像机的 CCTV 系统费用会低些，然而，这样做有两个缺点：第一，有些摄像机需要特殊的电源供电和独立视频信号的监视器；第二，在电缆延伸过长的情况下，由于电源电不能通过视频放大器，想放大摄像机传来的信号是不可能的。如果在摄像机上有接地线路干扰，而线路供电摄像机不能使用隔离变压器同样也是一个问题。成像传感器的类型电子管摄像机一个电子管摄像机由图 31 中所表示的各种部件组成。成像电子管是一个中空玻璃管，一
7、端是有特殊涂层的窗口。当光线照到窗口上的时候，特殊涂层释放电子，光线越强，释放的电子越多。这些释放出的电子改变了电子管另一端电子枪发射的电子束强度，释放的电子越多，电流越大。在这种方式中，靠光线照射到电子管窗口上生成电流，于是，该电流是照射到电子管窗口上光线的相似物。照射到窗口不同地方的光线数量，被发射到窗口的扫描电子束检测到，通过同步信号发生器电路驱动的扫描线圈生成变化的磁场，可实现这一目的。磁场改变了从窗口上释放电子的位置，在这种情况下，当扫描时，光线较弱的区域产生比光线较强的区域小的电流。变化的磁场使电子按横跨成像管窗口表面的一系列水平线进行释放。成像管电流十分小，仅有几毫安。来自成像管
8、的信号必须经过放大，才能用来生成聚焦在成像管窗口上的图像。放大器进行信号放大工作，在 75 负载上产生大约 1伏的信号。图 31 电子摄像管组成部份放大器还有第二个输出量。这第二个输出量同样生成 1 伏信号，但是这一输出被用于自动光圈镜头控制上。不同的制造商在电子摄像管的设计上，已经有了各种各样的发展。1951 年由RCA（美国无线电公司）设计的最初的电子摄像管被称为光导摄像管（Silicon ） 。其它的产品名称还有：1963 年菲利普公司生产的氧化铅摄像管（Plumbicon） ；1973 年日立公司生产的塞蒂康视像管（Saticon） ；1974 年东芝公司生产的纽维康摄像管12（New
9、vicon） 。电子管摄像机能够提供高达 1500 线的高分辨率图像。电子管摄像机的缺点如下：1一些类型的电子管，涂层材料用了一段时间释放电荷的能力降低，造成第一幅影像在下一幅影像生成前，存留时间过短，结果导致出现“拖尾”效应，例如，物体运动时所看到的现象。2如果摄像机长时间停留在一个信号源上，影像会在摄像管上造成永久的灼痕。3电子束以弧形移动方式横跨摄像管，因磁场控制电子束不是很精确，这造成图像边缘的失真。4磁线圈与玻璃管组装件易受震动干扰。5工作状况会受电磁场干扰的影响。传感器规格第一台摄像机的生产采用的是光导摄像管。通过镜头把摄像聚焦在一个对角线大约 1的矩形面积上（见图 32） 。这是
10、第一个 1规格，也被认为是 1规格摄像管的起源。图 32 1摄像管的规格随着摄像管技术的不断完善，减小摄像管的尺寸，进而使制造更小、更便宜的摄像机成为可能。后来的摄像机成像区对角线尺寸是 2/3，于是，出现了第二种规格。在后面一章里将讲解摄像管规格对镜头焦距计算的影响。不过，简单地说，把同样的影像投射到较小规格的传感器上，必须使用较短焦距的镜头，许多新型镜头都是按 2/3的规格制造的。CCD 摄像机CCD 是 Charge Coupled Device（电荷耦合器）首字母缩写，这一名称特指一组采用半导体器件制造的光检测集成电路。从图 33 中可以看到，CCD 摄像机与电子管摄像机十分相似，镜头
11、把光线聚焦在 CCD 成像传感器表面，该电子表面上的明暗区被单独的光电二极管上自动检测到，并集结一个与光线或比例的电荷。也就是说，照13到单独光电二极管的光线越亮，产生的电荷就越大。这些光电二极管被成行成列地排成一个矩阵，也叫做图像单元或像素，每个像素上的电荷将按照 CCD 光电管的行列顺序被移走。成行的 CCD 对电荷来说，就像排列的梯子，使每个像素能够逐步地产生电荷。从而在 CCD 上生成光线电平，然后被处理电路快速记录下来。当首台 CCD 摄像机被开发出来的时候，使人关注的是可能会替代现有的摄像管式摄像机，而不必改变镜头尺寸。因此，第一台 CCD 摄像机是按 2/3的规格生产的。随着 C
12、CD 传感器技术的改进，为了制造更小、更便宜的摄像机，CCD 摄像机的规格已经减少到 1/2英寸和 1/3英寸，相关的镜头也更加便宜、更加紧凑。在第四章里，将叙述成像器件的规格尺寸问题。图 33 CCD 成像器件CCD 摄像机与电子管像摄像机的情况相类似，需要一个放大器，将 CCD 传感器电路的信号提升到监视器能够接收的电平。CCD 摄像机同样采用同步信号发生器，产生记录 CCD 光电平电荷和用于视频监视器复现影像的同步脉冲信号。混频电路将视频和同步信号结合在一起，生成监视器能够使用的复合视频信号。CCD 摄像机有许多优点令其广泛应用，正替代电子管摄像机。首先，CCD 摄像机耗电少，电压低，这
13、与电子管摄像机不同。正如在小型摄像机一节的内容中讲述的那样，CCD 摄像机能比电子管摄像机小非常多。由于电子管摄像机采用磁场方式扫描成像传感器，所以，相比之下，CCD 摄像机图像的线性度更好。在给定的区域，甚至是越出这个区域，制造出一个完满的磁场是极为困难的事，这意味着电子管摄像机生产的图像有时会被磁场弄歪曲了，在边缘凸出（桶形失真）或凹入（枕形失真） 。CCD不用磁场，因此没有这种几何扭曲变形。图 34 CCD 摄像机原理方框图CCD 摄像机还比电子管摄像机要耐用得多。观看太阳或其他明亮的光源很容易损坏电子摄像管的荧光面，而且电子摄像管需要定期更换也成日常保养工作。CCD 摄像不存在这样的问
14、题，不会因为高强度光线而损坏，也不会因为对准景物时间过久而灼伤传感器表面。同时，CCD 摄像机能够经受震动和机械冲击，这可以大大降低 CCD摄像机的维护费用。14CCD 摄像机的优点：没有几何扭曲变形失真没有线圈、磁场或玻璃成像管没有重影或图像灼痕结构更紧湊，抗振动不受电磁干扰的影响CCD 摄像机的缺点是：迄今为止，CCD 摄像管还不能提供与管式摄像相比较的分辨率。动态范围小，灰度等级比较少。传感器规格现在各种不同大小和规格的摄像机都可以买到。最初，摄像机的尺寸是由摄像管的直径指定的，但由于传感器的尺寸指的是其对角线规格的大小，所以这一用法至今仍然保留。在图 35 中，用图例来说现在产品流行的
15、几种规格。本章内容涉及的是成像器件规格大小和镜头兼容性之间的关系。图中是如今能买到的典型的大多数摄像机，不过，仍然有很少一部分系统在使用1/2摄像管和刚出现的 1CCD 传感器摄像机。图 35 传感器尺寸SIT 摄像机SIT 摄像机是 Silicon Intensified Target（硅靶强化摄像管）的缩写。SIT 摄像机是对光线非常敏感的管式摄像机。在摄像管里装入一个图像增强器，来现实灵敏性的改善。除了用来加速窗口释放的电子的电压比较高之外（从几百伏到过千伏） ，图像増强器与常规的摄像管基本上相同。比较大的电压使电子移动得更加快速，这些电子轰击到与 CCD 传感器非常相似的光电二极管阵列
16、，总的效果是对聚焦在增强器前面窗口上的光线进行了放大。在这种情况下，SIT 摄像管比常规电子管摄像机或 CCD 摄像机更灵敏十至一百倍。SIT 摄像管比较昂贵，与任何图像增强摄像管一样，易于被高光电平损坏。ISIT 摄像机ISIT 是 Intensified Silicon Intensified Target（增强型硅靶强化摄像管）的缩写。除15了在 SIT 摄像管前加增加一个增强管外，ISIT 与 SIT 基本上一样。采用光纤把来自第一个增强器的光线耦合到 SIT 摄像管。其效果使管式摄像机具有极高的灵敏度，可用于没有辅助照明条件下，光线非常暗的场合。ICCD 摄像机增强型 CCD（ In
17、tensified CCD）也是采用影像增强管来增加摄像机的灵敏度。与ISIT 摄像机类似，用光纤把增强管耦合到 CCD 芯片上。增强器将 CCD 摄像机灵敏度提升一百倍左右。帧传输和行传输 CCD 摄像机有两种类型的 CCD 成像传感器可供采用：帧传输和行传输传感器帧传输 CCD在帧传输 CCD 中，整个像素矩阵上的内容在经过摄像机电路处理之前一起记录到内存。图 36 帧传输 CCD在行传输 CCD 中，各行上电荷是一次一行逐步向下移动记录的，并按照直线行进行处理。图 37 行传输 CCD行传输 CCD 的优点是比帧传输器件小，因此也比帧传输 CCD 便宜。缺点是逐行向下移动的过程中，明亮的
18、光点生产的带有大量电荷的像素会从一行泄漏到下一行。这样的征状，是在明亮光线处出现垂直条纹。例如汽车前灯，在图像上可以看到在亮点周围出现许多垂直白色线条。早期 CCD 摄像机特别容易出现这样的问题，常常是装一个红外线滤镜，帮助减轻这种情况。由于 CCD 传感器的制造技术有了改进，新式摄像机不再易受影响，除此之外，在摄像机内还增设了检测和降低条纹的特别电路。光谱灵敏度帧传输 CCD 摄像机的红外线灵敏度远远胜过行传输摄像机。新型号摄像机的趋势16是具有比老型号低的红外线灵敏度。因此，仔细查阅新型号摄像机技术指标，看看是否能用于红外线照明场合，是十分重要的事情。有源像素数在前面有关 CCD 传感器的
19、解释中，我们叙述了 CCD 是一个像素矩阵，制造商不时地把像素数当成摄像机分辨率的特征进行表述，亦即像素数越大，细节越逼真，摄像机分辨率就越高。然而，事实上并不是所有这些像素都被用来采集光线和生成图像的，有些像素作为摄像机电路处理之前的电荷存贮器。有源像素数才是重要的数字，这是影像所聚焦的像素数，正是这些像素表示了摄像机的分辨率。例如，高分辨率摄像机也许有一个 816606 的像素矩阵，总数超过 494,000 个单独元素，但有源素数可能只有 756581 个，减少可用于分辨率中大约 40,000 个元素，接近减少 10%。表示摄像机性能的数字灵敏度和信噪比虽然在制造商数据表上，常常单独列出摄
20、像机的灵敏度和信噪比，但是这两参数相互有很大的影响。灵敏度基本上是摄像机观测图像需要的最小光线等级。虽然，这会是一个非常主观的数字，因为人们对图像质量的认可会因人而异。光线等降级得越低，光线在成像传感器上生成的电子或电荷就会越少。光线低于一定的等级，光线所产生的电子数开始与其他影响（如热作用）所产生的电子数相等。这些随机产生的电子使摄像机电路当成正确的信号来识别，从而，在摄像机生成的图像上产生了干扰，最初在画面上呈现木纹状，当光线等级进一步降低时，木纹状加重，图像上呈现雪花点状况。当摄像机工作在极限条件下，雪花或噪声信号会很严重，图像完全无法使用。用信噪比来表示与期望图像相关的干扰量，计量单位
21、为 dB。可用下面公式计算：S/N 比值=20log（）dB例如，如果信噪比是 60dB，等效于视频信号比噪声信号大 1000 倍，也就是说，对于 0.7 伏视频信号来说，噪声信号只会有 0.7 毫伏。在这种信噪比条件下，图像清晰噪声信号视频信号17没有噪音干扰。信噪比为 50dB 情况，也觉察不到噪声。不过，随着光线等级的下降，信噪比为 40dB 时，会在图像行看到很细小的麻点。当光线等级继续降到 30dB 信噪比值的时候，雪花就非常明显了。信噪比为 20dB 的情况，图像全是雪花，实际上已经不能使用。摄像机的信噪比对灵敏度有影响，这是因为在图像成为可用信号之前，比较好的信噪比是在指定光线等
22、级状态下做出的，在最小光线等级状态下，信噪比降低。大多数数据表格上列出的数值是在实验室里 2000Lux 光线照度条件下和摄像机 AGC、伽玛校正电路关闭情况下测量出来的，典型值应在 50dB 左右。如果信噪比高于这个值，摄像机灵敏度比较高，信噪比低于这个值，灵敏度就比较低。还有许多定义摄像机灵敏度的方法，制造商利用这些使其产品看起尽可能的灵敏。第一天方法使用的计量单位是最小可用视频灵敏度，是一种在信噪比 24dB 情况下测定光线等级，进行分级的办法。但是在录像机（VCR ）上记录并回放。另一个办法是采用 IRE（Institute of Radio Engineers 美国无线电工程师协会，
23、现已改名为 IEEE 电气和电子工程师协会）制定的标准等级，这就是所谓的 IRE 分级。如图 38 所示，在 IRE 分级中，0.7 伏峰峰值信号是 100 个 IRE 单位，随着光线减弱，视频信号也降低直到最后降到黑电平 0 伏，IRE 单位也为 0。在 IRE 体系中，最小可用光级等级是输出的视频信号大约是 30 个 IRE 单位，一些制造商采用 30 个 IRE 单位，另外一些制造商采用 40IRE 单位。这种测定通常在AGC 和伽玛校正电路开通情况下进行的。在饱和彩色光源下，IRE 单位实际上能够达到高达 140 个单位（1.32 伏） 。表示摄像机灵敏度的另一个数值是满幅视频，这种方
24、法是测量获得 100 IRE 单位视频输出信号时光线的等级。显然，由于这一等级需要更强的光源，因此反映出的灵敏度并不是很好。采用信噪比，会比可用视频信号要好很多，并且能在图像中看到比较多的信息。例如，由于大量的噪声，在可用视频等级状态下，不可能看清楚汽车的车牌号。但是在全视频状态下，可以看清楚同样的车牌号，这是因为 S/N 比使视频信号得到改善。图 38 IRE 分级的复合视频信号应该记住这一点：在查看数据表的时候，看清楚这些数据值是在对感光屏状态下18还是在场景状态下取得的测量值。在面对感光屏测量情况中，光线直接对准 CCD 或电子摄像管，在场景测量情况中，光线照在给定区域，同时，装有镜头的
25、摄像机观看该影像，与场景测量值一起，还常常提供反射系数， （朝向摄像机景物反射光的数量）和镜头的 f 值（镜头允许通过多少光线的量度） 。例如，一个 CCD 摄像机对于 f1.4 镜头观察到 75%景物反射系数，可以具有0.4Lux 的可视频信号。最后，最佳的判断方法，是看摄像机在实地应用中的实际性能如何。由于每一个 CCTV 都是不一样的，没有什么办法能够代替进行适应性的测定，以证明提供的摄像机能够满足现场条件的要求运行。分辨率分辨率是指摄像机解像细节的能力。简单地说，分辨率越高，景象越清晰，越逼真。时时地选择高分辨率摄像机是满足用户要求的重要方面。例如，利用摄像机对人的辨识和对车牌号码的辨
26、识。在使用变焦镜头的场合，也建议采用高分辨率摄像机。然而，高分辨率摄像机比普通 CCTV 摄像机更贵一些，因此，在确定使用高分辨率摄像机前，应该斟酌一下。在前面有关摄像机结构和工作原理的讨论期间，我们讲过，采用一系列水平线方式对成像传感器进行扫描，欧洲标准格式（CCIR）625 线，美国制式标准（EIA）525线。图像是由一系列线条组成的，如果任何一幅图像上的垂直细节变化多于 625 次，那么这个附加的细节不会被肉眼看得见。这被叫做摄像机垂直解象力，或叫垂直分辨率。因为，在所有的摄像机都以这种方式工作，所以都有这样基本的限制，因此，在摄像机数据表中很少注明这一点的。重要的是要记住，摄像机的垂直
27、分辨率低于 625 线，但是与像素数和成像电子管的质量有关。这个数据值更常常被当成水平分辨率来使用。经常被称为分辨率或分辨率（H ） 。在一系列行构成的垂直分辨率同样方式下，用于表示分辨率的数值，最通用的是电视的行数，亦即横跨画图能够分辨的黑白变换次数。例如，如果在一条水平线上，从头到尾能够看 400 次黑白变换，那么分辨率就是 400TV 行，或者 400TVL。与受到 625 行制式限制的垂直分辨不同，水平分辨可以利用矩阵中更多的像素加以改善。水平行像素越多，能够分辨的黑白变换次数就越多，或如果采用质量较高的电子管也能够达到类似的效果。显然，如果传感器为了改善分辨率，在相同的区域不19得不
28、增加两倍像素的话，价格也是比较昂贵的。例如，一台 580TVL 摄像机的价格，可能是一台 400TVL 摄像机的两倍。高分辨率摄像机比普通分辨率摄像机昂贵的另一个原因，是需要质量较高的电路。从前面章节关于视频信号波的成分内容中，我们注意到，图像是由一系列水平线构成的，完成一行耗时大约 63 微秒。一旦考虑到同步脉冲和前、后沿所占时间，每一行时间就减少至 55 微秒左右。一行上的白色区域产生约 1 伏的信号，而黑暗区域产生约 0.3 伏。如果传感器能够产生 600TVL 的分辨率，在 55 微秒的期间里，就会有 600 个独立的黑白转换，或300 个完整循环，每一个循环周期为 55/300 微秒
29、，即 0.18 微秒。600TVL 信号频率由下列给出：1频率 = 信号的时间周期那么，在这个实例中，CCD 产生的频率是 10.18 微秒，等于 5.55MHz，或者说每秒钟 555 万个循环。摄像机其它部分的电路必须具有通过这个频率的能力，否则，将丢失分辨率信号。这种通过频率范围的能力，叫做宽带。摄像机的频带宽度同样在一些摄像机数据表上给出来。显然，分辨率和宽带是有联系的。带宽越大，摄像机可能会有的分辨率就越好。例如，580TVL 摄像机相当能有 7MHz 的带宽，这是使所有分辨性能的摄像机可用的必要宽度。从分辨率和带宽之间的关系上，得出十分重要的一点，这就是如果使用高分辨率信号摄像机，那
30、么系统其它所有部分都必须具有能通过高分辨率信号充分的带宽，包括视频电缆，所使用的放大器、微波或红外线通讯线路、视频切换器、矩阵切换器、多路复用器、录像机（VCR）和监视器等任何一个传输转换设备。在前面的章节里，曾经讨论过彩色复合信号的组成。这里扼要重述一下，彩色信息是由迭加在亮度信号上 4.434MHz 频率的“彩色脉冲”携载的，摄像机中用来实现这种混合的电路，限制了复合视频信号输出可用的分辨率。目前为止，一些制造商宣传自己的彩色摄像机是 480TVL 的分辨率，但是，他们不明说这一分辨率仅仅可用在摄像机的 Y-C 或超级 VHS 输出上。Y-C 输出产生独立的色度信号和亮度信号，这能确保两种
31、信号之间没有干扰。同时，高分辨率信号能够从亮度输出信号传送。为了利用高分辨率，必须给每台摄像机敷设两条同轴电缆（一20条用于色度信号，一条用于亮度信号） 。系统所有其它的部分（切换器、矩阵器、多路复用器、VCR 监视器等）同样都必须有 Y-C 输入和输出端。如果单独仅使用一项复合信号，所有的高分辨信号瞬间消失，并且，用于购买超级 VHS 设备的费用很昂贵。现在市场上普遍流行的视频切换器、矩阵控制器几乎全部是使用复合视频输入和输出。摄像机分辨率通常是通过观看分辨率测视图来测量的。图上逐渐变细的垂直线，被用来测量水平分辨率，通过观察不再能区分黑色转换的那一点，确定分辨率。超出分辨率的限制，垂线会出
32、现左右弯曲现象，这叫做折迭失真。折迭失真同样也可以从安装在保安系统的摄像机上看到，当摄像机急剧聚焦的时候，图像微小细节将出现轻微的闪烁，这一效果，就是图像微小细节达到摄像机的性能极限，而出现的折迭失真。视频响应简单地说，频谱是频率的波段。频谱响应是指一台摄像机在不同类型光源条件下，所表现出的特性。以同样的方式，我们肉眼看到彩虹的颜色就是我们眼睛的频谱，但是我们不能看到红外线和紫外线光。摄像机电子管和 CCD 的光谱同样具有一个比其他光线响应要好的光线范围。有代表性的是摄像机响应频谱向红外线方向移动。这就是为什么研制红外线照明灯，作为夜间摄像机探视区域辅助照明的原因。红外线发出的光不能被肉眼看到
33、，所以不能引起令人烦恼的事。与此同时，摄像机对这部分光线又是敏感的。对摄像机来说，这种效果只照亮被观看的区域。光线是一种电磁波，像无线电波，但频率高多了。与无线电波类似，光波也有波长，光波长通常用来描述光的类型，光波长越长，光频率越低。光频率等于波速被波长来除。红颜色比可见光谱蓝颜色一端的颜色频率低，波长长。红外线光有最长的波长。例如，一盏红外线灯可以产生 715nm（1 纳米等于 10 亿分之一米）的光。这样的灯产生的光被称为“近红外”光，因为生成的光线非常接近可见光范围。这就是为什么715nm 灯前面发红光的原因。830nm 灯产生远红外光，实际上在灯的透镜上看不到红光。看见第十三章，关于
34、光线波长方面更详细的介绍。图 39 光谱灵敏度测视图图 39 表明，电子摄像管或 CCD 的灵敏度是如何随着照射到其上面的光线波长21而变化的。具有代表性地，在频率可见光部分灵敏度响应有一处峰值，然后在两边都降低。如果 CCD 的输出，在 830nm 仅仅是峰值的 30%的话，那么这意味着摄像机在那种波长情况下，将需要 3 倍以上的光线才能生成可见图像。这提出一个重要的观点，即什么时候考虑使用在红外线照明情况下的摄像机。至关重要的问题是摄像机应该有足够的红外线灵敏度，才能利用红外线照明。一般来说，摄像机在 830nm 红外光状态下比 715nm 红外光状态下灵敏度要低，CCD 的响应只有可见光
35、范围峰值灵敏度的 10%。这意味 IR 灯产生的 90%的光线不能被利用。如果遇到拿不准情况的时候，经常与制造商联系，询问摄像机对红外线光的响应特性，厂商会提供一份摄像机灵敏度响应图表。在第四章中关于镜头的内容和在第十三章中关于光源的内容，会给出有关红外线光影响的更详细介绍。光圈补偿光圈补偿问题同样与分辨率和带宽有关联。如下面图中所示，CCD 摄像机的像素的尺寸非常小，如果黑白转换照射在半个素像上，摄像机的输出将是一个斜坡，而不是理想的尖锐阶跃信号。图 310 光圈补偿通过提高摄像机的带宽，可以使输出变尖锐，给出轮廓鲜明的图像，从电子学角度看上去像比较小的电子束或素像尺寸。对于高分辨率摄像机来
36、说，十分明显，光圈补偿是非常合乎需要的特征，被包含在许多高分辨摄像机中。这就为什么 580TVL 摄像仅需要大约 4.7MHz 最小带宽，但是却可以像具有 7MHz 带宽的效果。特别高频率响应与光圈补偿相结合，保证清晰鲜明的图像。伽玛补偿（灰度补偿）理想的情况下，CCD 或者电子摄像管以及监视器的响应都应该是线性的，也就是说，照到影象上的光越多，监视器的图像越亮，成正比关系（如图 3、11 表示）图 311 伽玛补偿事实上，TV 显像管的响应是“弯曲”的，或者是非线性的，如图中所示的方式。伽玛值是补偿数量。就 TV 显像管来说，伽玛值大约 2.2。为了得到线性响应，CCD22摄像机的响应不得不
37、被修正。这就是摄像机上的灰度系数调节功能。对于灰度系数 2.2的监视器来说，要求摄像机的灰度系数为：1 1摄像机灰度系数 0.4545监视器灰度系数 2.2这就是为什么大多数摄像机有两个调节位置的原因，一个将灰度系数预置在符合大多数监视器的数值 0.45，和一个灰度系数值可以从 01 改变的手动调节位置。正常情况下，灰度系数在左边 0.45 位置上。不过，如果监视器上的调节装置没有进行充分的调整，进行手动调节灰度系数，有时会对改变图像对比度起作用。摄像机同步内同步在本章前面部分曾经给出典型摄像机方框原理图，正如原理图中所示，所有的摄像机都包含同步发生器，这些发生器是水平和垂直驱动电路的心脏，并
38、产生同步脉冲，使监视器能够变化图像。显然，同步发生器内部的振荡器必须是非常稳定，避免图像抖动。实现稳定性的通用方法是采用内部晶体振荡器，使用一种和石英手表或钟表一样的石英晶体。如果采用这样的振荡器，就是内同步，并且在摄像机里面常常选择内同步工作方式的小型开关。不过，内同步确实会在多台摄像机系统上诱发一些问题。图 312 摄像机输出相为正如图 312 所示，在同样的情况下，两个石英钟不可能表示出精确一样的时间，因此，两部使用各自内同步的摄像机相互相信总会有不一致。当使用视频切换器把一台摄像机看见的影像切换到下一台监视器上的时候，新图像将出现不同步现象，必须通过接收到来自新摄像机的新场或行同步脉冲
39、，才能被“锁定” 。这种影响造成切换不干净利落，而且图像“打滚” ，这种效果在许多廉价的 CCTV 系统中常见，这是因为系统中的各台摄像机不能相互完全同步。23外同步如果几台监视器都顺序显示多个摄像机图像，滚动可能成为特别使人不舒服的事情。为了克服这个问题，可以使用外同步，最经常是摄像机内转换开关的另一个位置。在外同步状态下，利用另外某个信号使系统中所有摄像机内的同步信号发生器同步。这样就能提供清晰的无滚动切换。按照习惯作法，采用称同步振荡器技术可以实现这样目的，该技术包括利用产生同步脉冲的外部稳定信号发生器。用一条附加的电缆将每台摄像机都连起来传送同步脉冲，使摄像机同步。这样做尽管不错，但是
40、也有增加一倍电缆用量和施工量的缺点。许多摄像机能被振荡器同步，既可以接收复合视频信号、场行同步脉冲（称为 H和 V 驱动） ，也可以只接收场同步脉冲（称为 H 驱动） 。不过，现在流行一个完全不同的技术。该现技术叫做行锁定或可变锁定，简称 V-相位调整。图 313 同相位摄像机如图 313 所示，摄像机的同步脉冲电源视频为参考点，通常摄像机经过充分的调整，即使各个摄像机接在市电不同的相上，也能够使所有的摄像机同步。这项技术可给出无滚动图像，不需要敷设用于同步振荡器的额外电缆线。摄像机调整和控制自动增益控制正如在前面关于摄像机结构一节内容所看到的那样，所有摄像机都有一个把来自电子摄像管或 CCD
41、 的信号升到可用电平的视频放大器，放大量也叫做放大器的增益，放大器的增益越高，那么对于一个给定的输入信号电平来说，放大器产生的输出越多。在一台摄像中，放大器增益越高，摄像机就越灵敏。然而，如果放大器有足够的增益使摄像机在低光线等级很灵敏，那么在高光线等级状态下，放大器将出现过载 ，同时视频信号变形，这显然是一个问题。解决办法是使额外的增益仅在低信号电平时起作用。在超出一定的光线等级情况下，额外增益或额外放大功能自动关闭，这使摄像机能够工作在更大的光线等级范围，也叫做动态范围。24提供低光线等级状态下的额外增益叫做自动增益控制，或者简称 AGC。摄像机上的电路检测视频电平，同时也检测光线电平，相
42、应地打开或关闭 AGC。大多数摄像机有一个开关在里面，能够对 AGC 开关切换。当 AGC 打开时它的功能上所述，当AGC 关闭时，在低光线电平情况不提供额外的增益。摄像机的放大量或增益以 dB 为单位给出：输出电平摄像机增益 =20log(- )dB输入电平在大多数摄像机数据表中，给出的 AGC 数值是低电光线等级状态下额外增益的分贝值。典型值是 20dB,，等于 10 倍的放大系数。AGC 值越大，那么摄像机在低光线等级的增益也越大，因此，摄像机也越灵敏。这就是大多数制造商以 AGC 值指定摄像机灵敏度所依据的理由。然而，当 AGC 打开时，低光线等级状态下，成像传感器产生的噪声也会被放大
43、，这导致图像的信噪比也许比 AGC 关闭时的还糟糕。因而，这种结果可能混淆在低光线条件下，摄像机实际性能如何的特性指标。制造商可能会减低 AGC 关闭时放大器的增益，制造出一个非常好的信噪比。例如，AGC 增益量比正常情况大，用以表明低光线状态下良好的灵敏度，但是，结果出现的噪声放大会生产无法令人满意的图像。灵敏度、AGC 以及信噪比之间的关系，可能会给人以错误的印象。室外用摄像机通常不得不在从低暗的光线到明亮的阳光光线等级变化很大的条件下工作，因此，AGC 必须被打开，以便摄像机在低光线等级状态下提供最大增益，在很高光线等级状态下限制增益。室内用摄像机通常在适当的和相对不变的光线等级条件下工
44、作，因此，AGC 没有必要使用，可以关闭。事实上，AGC 打不打开没有什么不同。根据这些原因，只要信噪比令人满意，AGC 可以不开。自动光线控制（ALC）自动光线控制（ALC）通常与自动光圈镜头联合使用。在摄像机后面有一个单独的输出端，有一个依据穿过镜头光线多少打开和关闭镜头光圈的控制信号，为的是使电子成像管或 CCD 上的光线等级始终恰到好处，伺服镜头上的控制信号取自放大器输出的视频信号；电流镜头上的控制信号恰好是用于光圈电机的电压，由于采用电子学处理过程，所以在摄像机里面（见第四章有关镜头结构的详细内容） 。25在摄像机上有一个设立 ALC 工作方式的控制装置。控制装置一端是“峰值” ，另
45、一端是“均值” 。在均值位置状态下，控制信号使镜头光圈工作建立在整个图像平均光线等级基础上；在峰值位置状态下，控制信号根据图像上最亮处的高电平操纵镜头光圈工作。对于大多数保安系统应用情况来说，除非用来改善图像质量，该控制应当设置在中间位置和平均值之间的某位置。电子灵敏度控制（ESC）电子灵敏度控制简称 ESC，是本书想要叙述的迄今为止最先进的摄像机的一个特征。这是 CCD 摄像机才有的特征，已经在摄录相机工业中得到发展。基本上来说，该技术是使 CCD 在一秒钟内开关许多次， CCD 处于关闭状态是间越久，越灵敏，同时摄像机能忍受的光线等级就越高，因此，CCD 处于打开状态越久，摄像机对光线的等
46、级越灵敏，在这种情况下，ESC 以自动光圈镜头 ALC 类似的方式，在光线等级变化的环境条件下，在允许摄像机工作的光线等级范围内起作用。带有 ESC 功能的摄像机可以使用非常便宜的没有光圈的镜头。目前，ESC 只有一个不足，是 ESC 能够处理的光线等级范围仅仅是 9,000 比 1。而室外用摄像机应用上，光线可能变化超过10,000,000 比 1 的比率。这种情况只能采用带有中性密度光点滤光镜的自动光圈镜头进行处理（见第四章相关的叙述） 。因此，到目前为止，ESC 只能安装在室内光线等级变化不大地方的摄像机上。电子快门电子快门与 ESC 原理相同，基本上也是使 CCD 进行开关切换，如果切
47、换非常迅速，降低了摄像机的灵敏度，这与普通照相机上将快门速度设置在快速一挡的效果一样。这样会在 CCD 上清晰地捕捉到运动非常快的景物，在回放录像带的时候不会出现运动物体模糊不清的现象。一个典型应用实例是用高分辩摄像机识别行驶中汽车的车牌号。在这个应用实例中，采用高速电子快门意义在于运动中的车牌不会因为运动变得模糊不清，而是能够识别。另一方面，使用低快门，意味着图像每秒钟少于 25 帧，因此摄像机不能生成运动的画面。但是，会使光线照射在 CCD 上的时间比较长久，从而使 CCD 像素集结电荷的时间比正常情况要多，其效果是大大提高摄像机的灵敏度，超过每秒 25 帧正常灵敏度很多。26用这种方法，
48、例如，使一台彩色摄像机在 1Lux 以下的光线等级生成可用的彩色图像，这需要单帧存贮或其它类似的器件采集来自摄像机的画面。摄像机设计的其它要素源阻抗与视频输出摄像机中的视频放大器只能产生驱动，一个给定负载那样大的输出量，负载不过载，输出电平比下跌。存在一个放大器产生功率为最大的最佳电压和最佳电流电平。最大功率下的电压和电流可通过下列公式表示成与电阻或阻抗的关系。电压源阻抗 = （ ）欧姆电流对于摄像机来说，这个原阻抗通常是 78 欧，十分重要的是系统中所有设备的阻抗都与摄像机阻抗一样，要不然某些摄像机信号被反射，并产生变形。这就是为什么监视器后面的终端开关在正常安装情况设置在“on” 或 “7
49、5”位置上的重要原因，不这样做，图像会模糊和失真。这也是使用欧同轴电缆的重要原因。如果一台摄像机驱动多台监视器，那么最后一台监视器设置在 75 欧，中间连接的设置到“off” ，使得总阻抗为 75 欧。通常，同轴电缆的连接是采用 75BNC 型接头，这是一种现在 CCTV 系统上通用的插入式接头。在使用 Y-C 输出时，彩色摄像机不用这种接头，使用小型多脚接头，附加两条同轴电缆，传送分离的亮度和饱和度信号。几何失真几何失真仅仅是电子管式摄像机才有的特性，通过磁场作用，产生使电子束横跨电子管表面的扫描。由于磁场的性质，几乎不可能得到横跨电子摄像管表面平坦的扫描线，同样的影响也出现在监视器显像管上。这种不平坦或非线性的结果造成图像失真。图 314 中表示出几种类型的几何失真，这些包括枕形失真，桶形失真，桶形失真和梯形失真。图 314 几何失真灰度等级27灰度等级是一个用下面的方式，检测单色摄像机图像逼真成度的检测量值。摄像机产生 1 伏电平，表示画面中白的部分，另外一个电平表示画面黑的部分。 在这两个电压值之间，摄像机将产生画面中灰色阴暗部分。 如果，摄像机只能显示反差强烈的黑
