1、第2章 前端设备,本章将详细分析视频监控系统前端的镜头、摄像机、云台（含防护罩等辅助设备）的架构与原理，并对系统应用时的设置、调试、维护及日常故障的处置进行介绍。,2.1 光学成像,把现实空间的物体成像于图像传感器件的感光靶面中，即所谓的光学成像。首先应该先了解光学成像的过程。,2.1.1 光学成像原理基础,光学成像指通过光学把现实空间的物体成像在图像传感器件的感光靶面上。怎样才能在图像传感器的靶面上获得清晰的物像呢？这就涉及到光学成像的过程原理。一般，通过合理的设计（包括合理选择镜头的各项参数并考虑物体的照明条件、聚光方式、光学系统的传输损失、像面照度的计算方法等有关辐射度学方面的问题），可
2、使该像的位置、尺寸、清晰度、物像光强度等符合实际应用场合的技术条件。,2.1.2 光学成像过程,如图2-1所示，为物体的光学成像过程，即将各种不同形状、不同介质的反射镜、透镜及棱镜按一定的方式组合起来，使由空间的物体发出的光线通过这些光学零件的透射、折射、反射，按人们的需要改变传播方向后，为接收器件所接收。这些光学零件的组合称为光组，又称光学系统。,2.1.3 光学系统基础知识,理想光组是指光组能在任意大的空间内、用任意宽的光束成完整的像。 1理想光组的基本性质 理想光组的基本性质主要有如下3个。 （1）点成点像 如图2-2所示，图中的A与A、B与B点一一对应，即对于物空间的任何一个点，在像空
3、间中必有一个点与之对应，而且只有一个点与之对应。通常把这两个对应点称为共轭点。,（2）线成线像 如图2-2所示，图中的线AB与线AB一一对应，即对于物空间的任何一条直线，在像空间中必有一条直线与之对应，而且只有一条直线与之对应。通常把这两条对应线称为共轭线。,（3）对称轴共轭 物空间和像空间存在着唯一的共轭对称轴。当物空间内某点A绕该空间内的对称轴旋转任意一个角度 时，其共轭像点A也必绕像空间的相应的对称轴旋转同样的角度 。通常把这一对共轭的对称轴称为光轴。,通过对上述3点基本性质的认识，还可得到以下推论： 如果A、B两点分别与A、B共轭，那么直线AB同样与直线AB共轭； 同心光束经理想光组变
4、换后，还是同心光束；, 物空间的任何一个平面通过理想光组变换后，在像空间的共轭图像也必为一个平面； 如果物空间内的平面垂直于光轴，那么其共轭像平面也必垂直于光轴； 理想光组一对共轭面的横向放大率是一个常数，与物高无关。,2理想光学系统的基本点、面 理想光组物空间的点与像空间的点是相互对应的，如果知道理想光组的焦点、主点、焦面、主面和节点等基本点、面参数，便可根据物体的位置与大小，通过作图或运算求出像的位置与大小。（1）焦点和焦面 理想光组的焦点有像方焦点与物方焦点之分。像方焦点指与光轴上无穷远的物点共轭的像点，记作F；物方焦点指与光轴上无穷远的像点共轭的物点，记作F。,如图，过像方焦点F且垂直
5、于光轴的像平面称为像方焦面。像方焦面特性是：自物方无穷远的轴上的点或轴外点发出的平行光束，经理想光学系统后，必会聚于像方焦点F 处或像方焦面上的一点B。,反过来讲，由物方焦点F或物方焦面上一点B发出的光束，经理想光学系统后必定是一束与光轴平行或与光轴有一定倾斜角的平行光束，如图所示。,（2）主面与主点 图2-4与2-5中的HQ和HQ平面即为主面。主面指的是横向放大率（像高与物高之比）为1的一对共轭面。两图中，物平面HQ为物方主面，像方主面指像平面HQ。物方主点是指主面HQ与光轴的交点H，像方主点是指像方主面HQ与光轴的交点H。由图可知，两个主点H与H和两个主面HQ与HQ均彼此共轭。,（3）焦距
6、 如图，焦距是指主点到焦点的距离。其中，物方主点H到物方焦点F之间的距离称为物方焦距，记为f；像方主点H 到像方焦点F 之间的距离称为像方焦距，记为f 。焦距f和f 均为代数量，分别以主点H、H为起点计算到焦点F、F 的距离，以光线传播（从左向右）的方向为正，从右向左为负，图中f值为负，f 值为正。 。,如果用F, F , H和H的相对位置来确定物像变换特性，那么，我们可通过作图与计算的方法，求出像的位置和大小,3理想光学系统的物像关系 理想光学系统的物像关系，既可以通过作图法来求解，也可以通过解析法来求解。（1）理想光学系统的作图求像 如图2-7所示，此方法简单、直观，而解析分析方法的计算结
7、果较精确。,（2）理想光学系统的解析求像 解析求像就是对于给定的理想光学系统，依据物点的坐标，通过计算来确定像点的坐标。由于坐标系取法的不同，描写物像对应关系的数学形式也有所不同。 物像公式主要有以焦点为坐标原点的物像公式（牛顿公式）和以主点为坐标原点的物像公式（高斯公式）。,4光学系统的放大率 由于共轴理想光学系统只是对垂直于光轴的平面所成的像才和物相似，所以绝大多数光学系统都只对垂直于光轴的某一确定的物平面成像。,5光束限制 光学系统中限制光束的因素主要有光阑、渐晕、焦深和景深等。 （1）光阑 光阑由光学零件的镜框或加入专门的带孔金属板等构成，其对称中心一般都在系统的光轴上。在实际光学系统
8、中，只可能在一定空间和一定光束孔径范围内构成满意的物体像。因此，必须在光学系统中采用光阑，以限制成像空间和光束孔径。光阑就是控制光束通过多少的设备。主要用于调节通过的光束的强弱等,光阑的作用是改善系统的成像质量，决定通过系统的光能，拦截系统中有害的杂散光等。按用途可分为视场光阑、有效光阑、消杂光光阑等。 视场光阑 视场光阑用以限制系统的成像范围。其对前方系统所成的像称入射窗，对后方系统所成的像称出射窗。, 有效光阑 有效光阑用以限制轴向成像光束孔径的大小，也称孔径光阑。其对前方系统所成的像称入射光瞳，如图2-8所示。轴外物点B和入射光瞳中心Z的连线称主光线。对于目视光学系统，其最大视场的主光线
9、在像方与光轴的交点处，称为眼点。眼点距离是指眼点到目镜最后一个表面的距离。,（2）渐晕 在光学系统中，当远离光轴的物点成像时，由于光阑的存在，使能够到达像面上的光束逐渐变得窄小起来，结果使离轴的像点逐渐变暗，这个过程叫做渐晕效应。 （3）焦深 焦深为焦点深度的简称，即在聚焦时，当焦点对准某一物体时，不仅位于该点平面上的各点都可以看清楚，而且在此平面的上下一定厚度内，也能看得清楚，这个清楚部分的厚度就是焦深。,（4）景深 能同时被眼看清楚的空间深度称为眼的成像空间深度，即是景深 在进行拍摄时，调节相机镜头，使距离相机一定距离的景物清晰成像的过程，叫做对焦，那个景物所在的点，称为对焦点，因为“清晰
10、”并不是一种绝对的概念，所以，对焦点前（靠近相机）、后一定距离内的景物的成像都可以是清晰的，这个前后范围的总和，就叫做景深，意思是只要在这个范围之内的景物，都能清楚地拍摄到。,景深的大小，首先与镜头焦距有关，焦距长的镜头，景深小，焦距短的镜头景深大。其次，景深与光圈有关，光圈越小（数值越大，例如f16的光圈比f11的光圈小），景深就越大；光圈越大（数值越小，例如f2.8的光圈大于f5.6）景深就越小。其次，前景深小于后后景深，也就是说，精确对焦之后，对焦点前面只有很短一点距离内的景物能清晰成像，而对焦点后面很长一段距离内的景物，都是清晰的。,系统成像的清晰与否是主观的相对概念，必须有标准才有意
11、义，这个标准就是像平面上允许的最大光斑。景深范围就是在一定光斑直径下求得的。,由此可知，容许的光斑直径的大小与光学系统接收器（人眼、感光乳剂、光电器件等）的分辨率有关，也与对象的清晰度要求有关，清晰度要求低则允许的大，景深就越大。,6分辨率 分辨率是光学系统的一个重要性能指标，指光学系统刚好能分辨的两物体之间的最小间隔。,（1）理想光学系统的衍射分辨率 按照几何光学理想成像的定义，由同一物点发出的光线，通过光学系统以后应全部相交于一点。然而，在实际成像中，通常得到的是一个具有一定面积的光斑。因为光实际上也是一种电磁波，通过光学系统中限制光束口径的孔径光阑的衍射会生成衍射像。根据物理光学中的衍射
12、原理可知，衍射光斑的中心亮斑集中全部能量的80%以上，而第一亮环的最大强度不到中心亮斑最大强度的2%。衍射光斑中各环的能量分布如图2-10中曲线所示。,中心亮斑的直径可表示为 (2-3)式中，为光的波长；为像空间介质折射率；为像方孔径角。 衍射像有一定的大小，把两个衍射像间所能分辨的最小间隔称为理想光学系统的分辨率。实验证明，两个像点间能够分辨的最短距离约等于中央亮斑的半径R，,7变焦距物镜系统 对同一摄像系统而言，有时要求拥有长焦距物镜，用来分辨远距离的小目标，有时又要求配备短焦距，以便在一个较大的视场中摄取一个较大空间的像。 变焦距物镜系统当摄像物镜系统的焦距及视场在一定范围内改变时，其在
13、CCD靶面上的像面位置保持稳定。变焦距物镜系统包括变焦距摄像物镜和一个可变的光圈。,对变焦距物镜的性能要求是： 变倍比； 焦距小视场； 短焦距大视场； 电动变焦。对其结构的要求是：体积要小；重量要轻。对其成像质量的要求是：各种焦距均满足图像质量及像面恒定，使像面在变焦过程中始终在CCD传感器的靶面上。 现在的变焦距物镜均采取改变透镜组间隔来改变整个物镜的焦距的方式。移动透镜组改变焦距时，总伴随着像面的移动。因此，要对像面的移动给以补偿。按补偿组的性质，有光学补偿和机械补偿两种。无论哪种补偿方式，变焦距系统一般都有前固定组（可调焦组）、变焦组和后固定组3个部分。,2.2 镜头的参数,镜头是视频监
14、控系统前端设备中的重要部件之一，又称摄像镜头。一般视频监控系统使用的摄像机不配镜头，可按用户需要，选择与摄像机相匹配的镜头，两者配合使用。 镜头的参数主要包括成像尺寸、焦距、相对孔径、视场角等，一般在镜头所附的说明书中都有注明。,2.2.1 成像尺寸,以12.7（1/2 in）镜头配12.7（1/2 in）靶面的摄像机为例，当镜头的成像尺寸比摄像机靶面的尺寸大时，不会影响成像，但实际成像的视场角要比该镜头的标称视场角小；而当镜头的成像尺寸比摄像机靶面的尺寸小时，画面的四个角上将出现如图2-13所示的黑角，原因是成像的画面四周被镜筒遮挡。,2靶面尺寸规格 靶面尺寸规格见表2-1，常见CCD芯片的
15、靶面尺寸有6.35 mm（1/4 in）, 8.47 mm（1/3 in）, 12.7 mm（1/2 in）, 16.9 mm（2/3 in）, 25.4 mm（1 in）等几种，它们分别对应着不同的成像尺寸，实际选用时，应该尽量使镜头的成像尺寸与摄像机靶面尺寸的大小相适宜。,2.2.2 焦距,1镜头的焦距 在实际应用中，镜头的焦距为构成镜头的组合光组的焦距，其符号为f，决定摄取图大小。 2应用镜头的焦距 用不同焦距的镜头对同一位置的某物体摄像时，配长焦距镜头的摄像机所摄取的景物尺寸就大，反之亦然。正确选择镜头的焦距，可解决摄像机能看清多么远的物体与看清多么宽的场景的问题。,2.2.3 相对孔
16、径,1相对孔径 光学镜头的重要参数之一，用镜头的有效孔径和焦距之比表示。相对孔径是个比值。相对孔径的大小表示镜头纳光的多少。相对孔径的倒数称光孔号码或光圈系数。最大的相对孔径刻在镜头上。1：2.8 比 1：4要好些。 F为光阑F数，在镜头的可调光圈上标注有1.4, 2, 2.8, 4, 5.6, 8, 11, 16, 22等序列值，相邻的两个数值中，后一个数值是前一个数值的根号2倍。 2应用相对孔径 一般镜头所标的F值均指该镜头的最小光阑数，表示此镜头的最大通光特性。因此，F值越小，说明该镜头的最大通光性越好。,2.2.4 视场角,1视场角的含义 视场角指镜头对其确定视野的高度和宽度的张角，符
17、号为，又分为水平视场角h和垂直视场角v。 2应用视场角 视场角与焦距f呈反比，与摄像机靶面的水平和垂直尺寸呈正比。若镜头视场角过小，会造成监控死角；过大又会使被监控物尺寸太小。所以在实际应用时，需要按照具体的应用环境选择视场角合适的镜头，以避免上述问题的产生。,在光学仪器中，以光学仪器的镜头为顶点，以被测目标的物象可通过镜头的最大范围的两条边缘构成的夹角，称为视场角。,视场角的大小决定了光学仪器的视野范围，视场角越大，视野就越大，光学倍率就越小。通俗地说，目标物体超过这个角就不会被收在镜头里。,在显示系统中，视场角就是显示器边缘与观察点（眼睛）连线的夹角。AOB角就是水平视场角，BOC就是垂直
18、视场角。,2.3 各类型的镜头,镜头的种类有多种，每一种镜头都有其特点，功能与结构也不尽相同，而且价格相差非常大，所以，应该了解各种镜头的特性，以便在实际应用中正确、灵活地选择镜头。,2.3.1 固定光圈定焦镜头,1固定光圈定焦镜头的结构 固定光圈定焦镜头是最简单的镜头之一，结构简单，价格便宜。此镜头上只有一个可手动调整的对焦调整环，左右旋转该环可使成在CCD靶面上的像最为清晰，此时在监视器屏幕上得到图像也最为清晰。,2应用固定光圈定焦镜头 由于镜头上没有光圈调整环，所以其光圈不可调，故进入镜头的光通量只能通过改变被摄现场的光照度来调整，如增减被摄现场的照明灯光等。 固定光圈定焦镜头一般用于光
19、照度比较均匀的场合，如室内全天以灯光照明为主的场合。在其他场合，需要与带有自动电子快门功能的CCD摄像机合用，通过电子快门的调整来模拟光通量的改变。,为适应不同的照明条件，在摄像机的变焦距镜头中装有限制入射光束大小的可变的圆形光阑（俗称光圈），通过改变光阑孔径控制进光量。光阑孔径越大，进光量越多，反之进光量越少。进光量的多少与孔径的面积成正比。此外，投射到CCD器件上的实际亮度还与镜头的焦距有关。在一定的照度下，焦距长则亮度低，焦距短则亮度高。,电子快门是利用了CCD不通电不工作的原理，在CCD不通电的情况下，使像场窗口“大敞开”，但是并不能产生图像。如果在按下快门钮时，使用电子时间电路，使C
20、CD只通电“一个指定的时间长短”，就也能获得像有快门“瞬间打开”一样的效果。 电子快门是利用电子技术在时间上控制CCD芯片上电荷的产生与转移，从而得到“快门”效果。 电子快门的特点是无运转噪声、速度档次多、速度快，适合分析快速运动过程，但存在图像的不连续、间断跳跃感。 电子快门速度的标值有1/50、1/100、1/200、1/500、1/1000秒等分级，不同机器设置不同。,摄像机只要打开，拍摄就要用电子快门。电子快门越快，感光度越低，适合在强光下拍摄，比如每秒500下；反之则感光度高，在光线不好的情况下用，比如每秒25下或50下。CCD的电子快门功能还能实现自动光圈的效果。当光线较亮时，电子
21、快门自动调节到高速档，使得信号电荷积累时间变短。进而使输出信号电流的幅值减少。应当注意的是：当选用高速电子快门档时，应该相应加大摄像机的光圈或相应提高监视现场的光照度。,2.3.2 手动光圈定焦镜头,1手动光圈定焦镜头的结构 手动光圈定焦镜头结构 手动光圈定焦镜头是在固定光圈定焦镜头的基础上增加光圈调整环而成的，价格相对也比较便宜。其光圈调整范围一般可从F1.2（或F1.4）到全关闭。,光圈控制是摄像机的基本功能之一，摄像机所面对的景物亮度变化范围很大，因此要随时随地调整光圈，才能保证图像质量，否则就会破坏画面的彩色平衡，失去度层次的变化。,景物重现的亮度不仅与本身特征有关，而且与照明光源的照
22、度有关。由于摄像机中的CCD器件所能承受的明暗强度是有限的，而且这个限度远远小于自然界景物亮度和光线的变化范围。,通常用光圈的实际孔径与焦距之比来表示镜头的实际透光系数（即相对光圈，用F值的分数表示）。F值有F1.4、F2、F2.8、F4、F5.6、F8、F11、F16、F22，并按2平方根的倍数递增，相应的光圈面积每档减少一半，进光量也减少一半，也就是说，摄像机镜头所成像的照度与光圈值的平方成反比，光圈值越小，照度越大，像就越亮。,2应用手动光圈定焦镜头 （1）手动光圈定焦镜头虽能方便地适应被摄现场的光照度，但因光圈的调整是通过手动人为地进行，所以当摄像机安装位置固定后，就不能再频繁地调整光
23、圈了，故其适合在光照度比较均匀的场合使用。 （2）在光照度变化比较大的场合（如早晚与中午、晴天与阴天等）使用时，要与带自动电子快门功能的CCD摄像机合用，通过电子快门的调整来模拟光通量的改变。,2.3.3 自动光圈定焦镜头,1自动光圈定焦镜头的结构 如图所示，自动光圈定焦镜头相当于在手动光圈定焦镜头的光圈调整环上增加一个由齿轮啮合传动的微型电动机，并从其驱动电路上引出3或4芯的屏蔽线，接到摄像机的自动光圈接口座上。,2自动光圈定焦的原理 当进入镜头的光通量变化时，摄像机CCD靶面上产生的电荷也相应地发生变化，使得视频信号电平或其整流滤波后的平均电平发生变化，产生一个控制信号，并通过自动光圈接口
24、座上的3或4芯线传送给自动光圈镜头，使镜头内的微型电动机相应地做正向或反向转动，从而调整光圈的大小。自动光圈镜头有含放大器与不含放大器两种规格。,2.3.4 手动变焦镜头,1手动变焦镜头的结构 手动变焦镜头有一个焦距调整环，可以在一定范围内调整镜头的焦距，其变比一般为23倍，焦距一般在3.68 mm。,2带自动光圈的手动变焦镜头的结构 带自动光圈的手动变焦镜头有直流驱动和视频驱动两类，图为具有10倍（550 mm）手动变焦功能的三种镜头。,为某种带自动光圈的手动变焦镜头实物图。,3应用手动变焦镜头 实际应用时，手动调节镜头的变焦环，可方便地选择被监视现场的视场角。例如，可选择对整个房间监视或对
25、房间内某个局部区域的监视。若对监视现场的环境情况不熟悉，就有必要采用此镜头。 对大多数视频监控系统而言，手动变焦镜头一般用在以下两种场合。 （1）对视场要求较为严格，且用定焦镜头又不易满足要求的场合。 （2）在照片底片分析、文件微缩等桌面近距离摄像工作环境中。,2.3.5 自动光圈电动变焦镜头,1自动光圈电动变焦镜头的结构 自动光圈电动变焦镜头是在自动光圈定焦镜头的基础上增加两个微型电动机构成的，其中一个电动机与镜头的变焦环啮合，当其受控而转动时可改变镜头的焦距；另一个电动机与镜头的对焦环啮合，当其受控而转动时可完成镜头的对焦。图为自动光圈电动变焦镜头的实物图。,自动光圈电动变焦镜头一般引出两
26、组多芯线 其中一组为自动光圈控制线 另一组为控制镜头变焦及对焦的控制线，一般与云台镜头控制器相连，而镜头控制器与云台控制器通常是集成在一起的 当操作远程控制室内镜头控制器上的变焦或对焦按钮时，将会在此变焦或对焦的控制线上施加一个正（或负）的直流电压，该电压加在相应的微型电动机上，使镜头完成变焦及对焦调整功能。,2.3.6 电动三可变镜头,电动三可变镜头是在电动两可变镜头的基础上发展起来的，它把光圈调整电动机的控制由自由控制方式改为由控制器手动控制，因此包含三个微型电动机，引出一组6芯控制线与镜头控制器相连。常见的电动三可变镜头有6倍、10倍和12倍等几种规格。,2.3.7 针孔镜头,针孔镜头的
27、孔径一般仅为1 mm左右，主要用在隐蔽监视的场合。标准型针孔镜头具有较细且很长的镜筒，镜筒前端呈锥形，内有一个微小的“针孔”，其后端则与普通镜头一样，可以方便地与摄像机配接。,针孔镜头外观图。,一种具有90转角的针孔镜头的外观图。,2微型针孔镜头 微型针孔镜头的尺寸很短，通常安放在单板式超小型CCD摄像机上，置于天花板等细微之处，透过微小的孔隙来监视现场。 3应用针孔镜头 由于“针孔”很小，因此针孔镜头的相对孔径很小（光阑F数较大），与摄像机配合使用时，透过针孔镜头的光通量也很小，使摄像机的成像质量下降（图像的亮度不够，信噪比变差）。因此，配用针孔镜头的摄像机最好选用低照度型的，并尽可能保证监
28、视场所的光照度。,2.3.8 一体机专用镜头,一体化摄像机其技术从家用摄像机技术发展而来,传统摄像机相比，一体机体积小巧、美观，在安装方面具有优势，比较方便，其电源、视频、控制信号均有直接插口，不似传统摄像机有麻烦的连线。一体机成像系统（镜头）、CCD、DSP技术专利均被国际知名大厂所掌握，相对传统摄像机来说，一体机质量可以得到较好的控制。同时，一体化摄像机监控范围广、性价比高。传统摄像机定位系统不够灵活，多需要手动对焦，而一体化摄像机最大的优点就是具有自动聚焦功能。 一体化摄像机的关键技术是镜头、CCD和DSP处理模块。镜头主要被日本厂商所掌握，如Canon、Camputar、Avenir等
29、，在一体机领域提供OEM最多的是Canon镜头。,2.4 镜头的选择与维护 2.4.1 选择镜头,1应用镜头选择计算尺选择镜头,镜头选择计算尺,使用时，应该先依据某个事先确定的已知量，计算出其他量。,2cosmicar.exe应用程序选择镜头 （1）cosmicar.exe应用程序界面,2.4.2 维护镜头,关于镜头的日常维护，应该注意以下几点： （1）定期擦拭镜头，以保持其清洁。要使用专用的镜头纸擦拭。在擦拭过程中，注意从中间按顺（或逆）时针方向进行。对有霉变迹象的镜头，应放在专用的镜头液中浸泡一段时间，再用木镊子夹着镜头纸进行擦拭。 （2）对于电动镜头，应该定期检查电源电压是否正常。 （3
30、）定期检查CS接口是否正常。,以镜头安装分类 ，所有的摄象机镜头均是螺纹口的，CCD摄象机的镜头安装有两种工业标准，即C安装座和CS安装座。两者螺纹部分相同，但两者从镜头到感光表面的距离不同。C安装座：从镜头安装基准面到焦点的距离是17.526mm。 CS安装座：特种C安装，此时应将摄象机前部的垫圈取下再安装镜头。其镜头安装基准面到焦点的距离是12.5mm。如果要将一个C安装座镜头安装到一个CS安装座摄象机上时，则需要使用镜头转换器。,2.5 摄像机 2.5.1 摄像机的种类,摄像机是视频监控系统前端的主要设备之一，早期使用的是摄像管式摄像机，由于其固有功率消耗大、低照度指标差及笨重等原因，基
31、本上处于被淘汰状态。而现行视频监控系统使用的摄像机，一般都是基于CCD图像传感技术的固态摄像机，又分为黑白和彩色两大类。近年来，由于网络技术与多媒体技术的飞速发展，出现了基于CMOS图像传感技术的PC摄像机（也有黑白与彩色之分），逐渐应用于网络多媒体监控系统上。同时，受数字化技术的推动，还出现了数字信号处理摄像机（即DSP摄像机）等品种。,2.5.2 摄像机的扫描制式,为使摄像机输出的视频信号的制式符合现行的电视标准，要求加于CCD传感器上的时钟脉冲应与视频信号同步。,CCD摄像机的扫描制式,1“光电光”转换过程 （1）“光电”转换过程 “光电”转换指摄像机通过CCD的自扫描系统，将透过光学镜
32、头在摄像机靶面上按空间位置分布的图像，分解成与像素对应的时间信号的过程。（2）“电光”转换过程 “电光”转换指监视器用与摄像端完全相同的电子束扫描方式，将图像在屏幕上重现出来。,2空间物像时间信号转换过程 以摄像机摄取简单字符“IT”为例。当摄像机对准字符图案“IT”时，通过摄像机的光学成像系统会在CCD靶面上形成一个“IT”图案，假定CCD靶面由129（共108）个像素组成，亮点（背景）像素对应高电平输出，暗点（字符）像素对应低电平输出，则从图案的左上角开始，逐点从左到右、自上而下地将每一像素点都转换成相应的电信号输出，此“像素电压”的逐点转换过程即为扫描。,上述时间电压信号将送到监视器的显
33、像管中，当电子束轰击显像管的荧光屏时，被轰击的那一部分荧光粉的亮度就比较亮；反之，控制电压低时，电子束电流变小，被轰击的那一部分荧光粉的亮度就比较暗。电子束从左至右每完成一个扫描过程后，迅速回到左端并开始下一个移动过程，其位置比上一个过程的轨迹稍低一些，这个过程称为扫描逆程或“回扫”。为避免图像紊乱，回扫期须尽量短，并且使得电子束被截止。因此，上述显示过程中，CRT中的电子束在荧光屏上的运动规律与摄像机端送出的信号完全同步，这样，监视器上CRT重现的图像和摄像机摄取的图像一致。,3扫描制式 （1）扫描过程 大家看到的夜航飞机的灯光，是一个在夜空中移动的亮点，而当一颗流星高速划过夜空时，大家就会
34、因肉眼分辨不出亮点的位置而看成一条亮线。这实际上是眼睛的视觉惰性引起的幻觉，所以电子束的扫描过程必须进行得非常快，利用眼睛的视觉惰性与GRT上荧光物质的余辉效应，使眼睛感觉不到发光体闪烁时的最低频率（大约为4850帧/秒），这样就不会看到运动的扫描点，而只看到屏幕上平行的系列扫描亮线。随着扫描线的增加，眼睛也分辨不清在稍远距离垂直方向的扫描线，只看到发亮的光栅。这说明整个扫描过程必须快速、连续地进行。,如果用视频信号去控制电子束，那么每条扫描线的亮度随被摄取景物亮度的变化而变化，我们就会看到与摄像机拍摄的景物场面一致的“视频画面”了。,（2）扫描的连续性 若物体的运动速度与扫描速度有差异时，即
35、使瞬间能在摄像靶面上形成图像，但等不到扫描结束这个瞬时图像就会消失，且在完整的扫描过程中，都会重复这个现象。由于每个瞬间，运动物体都会在摄像靶面上发生成像位移，因此，将无法分辨扫描输出的图像。这是由于电子束扫描太慢的原因：当其扫描到运动物体的最初位置时，运动物体早已运动到其他位置了。 所以，为了解决视频图像的闪烁问题，还要保持运动物体一定程度上的连续性，1s内显示尽量多的画面。此外，要提高画面的清晰度，每一帧画面的扫描线越多越好，扫描线的间隙过大，会使一帧画面的完整性受到影响。,（3）隔行扫描技术 电视扫描制式 电视扫描采用隔行扫描技术，这是为了降低视频信号的带宽，并尽量保持图像的分辨率。它把
36、一帧画面分成两场来扫描，第1场为奇数场，扫描第1, 3, 5, 7, 行；第2场为偶数行，扫描第2, 4, 6, 8, 行。相当于将一幅画面的扫描行数减少了一半，两场扫描合起来才构成一幅完整的图像。, 视频信号的构成 我国现行电视标准中规定，每秒钟由场扫描形成的光栅的重复次数是50次，以消除人眼的不适，而实际显示的画面只有25幅，即电视扫描的场频为50 Hz，而帧频为25 Hz。电视扫描的行周期Th为64 s，其中行正程时间为52 s，行逆程时间为12 s；场周期Tv为20 ms，其中场正程时间为18.4 ms，场逆程时间为1.6 ms。,要保证监视器显示的图像和摄像机摄取的图像相同，摄像端、
37、显像端的信号相对某个信号必须同步。因此，视频信号应包括确定每一行扫描线起始位置的水平同步信号和确定每一幅画面起始位置的垂直同步信号。,为含有行、场同步信息和场消隐信号的负极性黑白全电视信号的波形。 视频信号还包括使电子束在水平面回扫期间被可靠截止的水平消隐（又称行消隐）信号和使电子束在垂直回扫期间被可靠截止的垂直消隐信号，上述信号组合起来构成完整的复合视频信号。, 隔行扫描方式的原理其中的实线表示奇数场的正程为从左至右进行，行扫描逆程期间因电子束被截止而看不见回扫线。场扫描正程由从上到下的一行行的扫描线组成，而扫描逆程则指扫描到最后一行后重新返回到下一场的起始扫描位置，场扫描逆程期间的电子束也
38、是被截止的。另外，由于一帧图像由奇数扫描线构成，因此，奇数场的扫描进行到最后一行的一半时，电子束便折返到下一场扫描的起始位置（即偶数场从半行处开始扫描）。这也是所有隔行扫描系统的每帧扫描行数一定取为奇数行的缘故。,由于电子束在水平方向上一行一行地扫描成一场或一帧图像，所以扫描行数的多少取决于电子束在水平方向上的扫描速度Vhf。当场频一定时，扫描行数越多，要求电子束的扫描速度越快。在待传送的图像细节fx给定的条件下，时间频率与扫描速度成正比。由于图像信号的低频分量接近零频，所以，视频系统中直接用视频信号的上限频率fb来代表视频信号的带宽。这就意味着，所要传送的图像信号的视频带宽与扫描行数之间需要
39、折中，在兼顾图像清晰度指标和电视设备的前提下，我国规定的电视的视频带宽为6 MHz，考虑其在水平和垂直方向上应有大致相等的分辨率，选定每帧图像的扫描行数应为625行，由于电视扫描的帧频为25 Hz，则对应的行频fh为625 25 Hz15 625 Hz。,（4）隔行扫描制式的应用 在电视信号系统发射前和发射的各个环节中，视频信号都不是正极性的，这是因为信号高电平对应白图像，低电平对应黑图像，因此信号系统电平越高，则画面越亮。 我国现行电视标准规定，经发射机发射的电视信号采用负极性，即高电平信号对应黑图像，低电平信号对应白图像。电视信号采用负极性传输的主要目的是降低外来干扰的可见度，对正能量的干
40、扰脉冲来说，若加在正极性信号上，接收时则会显示刺眼的亮点，而若是加在负极性信号上，则会显示不显眼的暗点。,2.6 摄像机,1. 黑白CCD摄像机,CDS是相关双取样电路（Correlated Double Sampling）， CCD传感器的每个像素的输出波形只在一部分时间内是图像信号， 其余时间内是复位电平和干扰。 为了取出图像信号并消除干扰， 要采用取样保持电路。 每个像素信号被取样后， 由一电容把信号保持下来， 直到取样下一个像素信号。 驱动脉冲产生电路产生CCD传感器所需的垂直CCD移位寄存器多相时钟驱动信号， 水平CCD读出寄存器多相时钟驱动信号等各种脉冲信号和视频通道所需的箝位和取
41、样脉冲。,同步信号产生电路产生行推动、 场推动、 复合消隐、 复合同步等各种电视信号脉冲。 信号放大处理电路包括AGC放大、校正、 白电平限幅、 黑电平箝位等电路。 叠加电路将经过处理的视频信号与复合同步、 复合消隐信号叠加成全电视信号。 输出驱动电路则将全电视信号进行驱动， 适配75 电缆。 除上述电路外， 黑白摄像机还可能会有自动光圈接口电路、 电源同步接口电路、 外同步接口电路、 亮度控制电路等附加电路。, 校正电路 （1）线性指标的重要性 CCD摄像机摄取的图像在监视器的屏幕上显示，要求屏幕上显示的图像亮度L必须与被摄景物上各点亮度L0成比例，即LkL0（k为常数）。但实际上，传输系统
42、的非线性特性，往往会引起重现图像的亮度、色度失真。CCD图像传感器、监视器的显像管是决定视频监控系统线性指标的关键器件。,（2） 校正电路的原理 CCD图像传感器的光电变换关系可写为 当11时，CCD传感器的光电变换关系为线性关系。 对显像管来说，其电光变换关系可写为L 式中，g为显像管控制栅极上的信号电压，2=2时，显像管的电光变换关系也为线性关系。但实际上，黑白显像管2=2.2，彩色显像管2=2.8，因此，要校正显像管引入的非线性失真，在放大器中必须对图像信号引入相反的非线性失真，即要求放大器的传输特性为 式中， = 。当1=1、2=2.2时，= =0.45。,当 小于1时，若较小，则传输
43、特性曲线的斜率很大，即放大器的放大倍数很大；随着的增加，曲线的斜率逐渐变小，即放大器的放大倍数逐渐变小，这就需要用随电平变化的非线性电阻来控制放大器的增益。,经 校正后的视频信号传输特性,（3）模拟r曲线方法 一种方法是用二极管、电阻和电压源组成串联支路，并使若干个这样的支路并联在一起，作为放大器的反馈支路。各反馈支路的二极管会在不同的输入电压下分别导通，使等效反馈电阻发生变化，从而使放大器的增益特性呈现若干段折线状，用折线模拟实际所需的曲线。 另一种方法是根据二极管的非线性特性，直接用一个合适的二极管特性来模拟r曲线。,混消隐与黑、白切割原理及切割电路图像信号中混入标准的消隐脉冲，把消隐电平
44、与黑电平分开，是视频处理的最后一道程序。,混消隐与黑、白切割原理 混入标准消隐脉冲前，图像信号的消隐期间还有许多杂波，因此要求在混入消隐脉冲后必须把各种杂波消除干净 黑电平切割的基本原理是：通过在信号中混入一个幅度很大的负极性消隐脉冲而将杂波推移到很低的负电平上，如图a；然后经黑电平切割电路，将杂波与消隐脉冲一起切掉，使信号波形下部成为平底，如图b所示。这里，黑切割的作用就是切除掉多余的消隐脉冲，以去除消隐期间的杂波，建立正确的黑电平。,混入标准消隐脉冲后、黑电平切割前的视频信号波形,图中波形下部的毛刺部分即为杂波,切割电平与图像信号中黑电平的差便是黑电平提升，调节切割电平便可改变图像信号中黑
45、电平的高低。 白切割指的是切除某些白色信号，其作用就是限制信号幅度，防止后级放大器工作在饱和状态。,放大与输出电路 在摄像机的输出端，要求能够输出一定的功率，输出阻抗低，增益稳定，并要求输出信号的线性好，频率宽。通过差分放大器后接两级串联射极跟随器，在深度电压负反馈的前提下，整个放大器的带宽为8 MHz，输出标准信号幅度为0.7Upp（Upp指峰-峰电压），非线性失真应小于5%。,5黑白CCD摄像机整机电路 图2-52示出了全天候黑白CCD摄像机电路原理图。该电路主要由SONY公司生产的四片集成电路及其他外围电路组成，其水平分辨率能达到400线，输出信噪比可达43 dB，零烛光照度。其中，四片
46、集成电路分别完成光电转换、视频处理、同步生成及场频驱动等功能,三片式CCD彩色数字摄像机方框图,彩色CCD摄像机,广播电视中常用的是三片式彩色CCD摄像机。,被摄物体的光线从镜头进入摄像机后被分色棱镜分为红、 绿、 蓝三路光线投射到三片CCD传感器上， 分别进行光电转换后变为三路电信号R、 G、 B。 该信号经预先放大和补偿后送入A/D变换器， 变换成相应的三路数字信号， 再送入数字处理器进行各种校正、 补偿等处理， 最后输出三路数字信号Y、 R-Y、 B-Y。 为了使数字摄像机适应其他模拟设备， 经D/A变换后输出的三路模拟分量信号， 最后经彩色编码后输出一路PAL全电视信号。,由于每种基色
47、光都有一片CCD传感器， 因此可以得到较高的分辨率。 应用电视中所用的彩色摄像机都是单片式彩色CCD摄像机。 由于一片CCD传感器要对三种基色光感光， 因此单片式彩色CCD摄像机的分辨率较低， 但成本也降低了许多。,单片彩色CCD摄像机用一个CCD传感器产生R、 G、 B三种颜色的信号， 必须用滤色器将光进行分色。 从原理上讲， 重复的R、 G、 B垂直条滤色器完全可以用于单片彩色CCD摄像机， 但如果CCD传感器对色光的R、 G、 B三个分量用相同的采样频率fck进行采样，那么被采样的三种基色光的上限频率必须限制在相同的数值(fck2)以下。 根据接收机中利用人眼对红色、 蓝色分辨率低的特点
48、， 对三种基色光使用相同的采样频率显然是不合理的， 通常采用一种镶嵌式(GCFS， Green Checker Field Sequence)滤色器。,GCFS滤色器,滤色器的每一个小方块表示一个滤色单元， 对应于CCD传感器的一个像素。 标号为R、 G、 B的小方块分别表示能透过红光、 绿光、 蓝光。,图 5-4 采用GCFS滤色器的单片CCD彩色摄像机方框图,单片CCD传感器输出的信号为红、 绿、 蓝混合信号， 只有通过彩色信号分离电路才能分解出红、 绿、 蓝基色信号。 由于CCD传感器的输出信号是由时钟驱动脉冲控制的， 与时钟脉冲有严格的对应关系， 因此在取样保持电路中采用由时钟驱动脉冲
49、形成的相位与时钟脉冲一致的脉冲取样， 才能分离出相应的基色信号。,CMOS传感器是一种通常比CCD传感器低10倍感光度的传感器。 因为人眼能看到1Lux照度（满月的夜晚）以下的目标，CCD传感器通常能看到比人眼略好在0.13Lux，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传感器在10Lux以下基本没用，因此大量应用的所有摄像机都是用了CCD传感器，CMOS传感器一般用于非常低端的家庭安全方面。,2.6.3 彩色CMOS摄像机,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CMO
50、S传感器对于高帧摄像机非常有用，高帧速度能达到400到2000帧/秒。这个优点对于眺望高速移动的物体非常有用，然而由于没有高速的数字讯号处理器，所以市场上只有很少的高速摄像机并一般价格都非常高。,2.6.4 数字信号处理摄像机,1数字信号处理（DSP）摄像机的特点 作为一种新型摄像机，DSP摄像机的内部电路采用大规模数字信号处理集成电路（DSP/ LSI），并且由微处理器对系统的状态进行检测与控制，因此其稳定性、可靠性、一致性等都大大提高，许多在模拟信号处理器中无法进行的工作都可以在数字处理器中进行。另外，DSP摄像机还可以方便地输出亮度信号与色度信号分离的视频信号（简称Y/C信号或S-Vedeo信号）。,
