闭路电视监控系统.ppt

1 目录 6 1闭路电视监控系统 ClosedCircuitTelevision CCTV6 1 1电视监控系统分类6 1 2模拟监控系统的组成及原理6 1 3半数字化监控系统的几种型式6 1 4全数字化监控系统的结构 2 分类及组成 6 1 1电视监控系统分类1 模拟监控系统2 数字化监控系统3 半数字化监控系统6 1 2模拟监控系统的组成设备由四大部分组成 第一部分是图像生成部分 有各类摄像机及镜头并附加云台 解码器等 第二部分是分配控制部分 有视频分配器 视频放大器 画面分割器 矩阵主机 操作键盘等 第三部分是记录存储部分 有各种录像机等 第四部分是显示部分 有主显示器 监视器 屏幕墙等 3 信号传输用电缆 视频信号 视频同轴电缆 光缆 双绞线控制信号 双绞线 光缆电源 电源线 4 5 模拟系统 6 模拟 计算机 7 半数字化监控系统 6 1 3半数字化监控系统的组成 8 全数字化监控系统 6 1 4全数字化监控系统的组成 9 全数字化远程监控系统 10 ISC3000连接示意图 11 光纤传输 双绞线传输 无线传输 传输 12 电视监控系统的前端设备 1 1摄像机在闭路监控系统中 摄像机 Camera 又称摄像头严格来说 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 前端设备 13 摄像机 头 实物 摄像机图 14 感光传感部件是摄像头的关键部分 感光芯片就像人的视网膜 是摄像头的核心 它利用光电原理 摄取景物并配合监视器显像 依芯片材质不同 感光传感部件可分为下列几种 CMOS 省电 便宜 但照度不好 CCD 主流器件 ChargeCoupleDevice MOS 已过时 很少使用 VIDICOM 光导管 也已过时 15 表1 1CCD与CMOS的性能比较 16 1 CCD摄像机的分类1 依成像色彩划分 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 因有颜色而使信息量增大 一般认为彩色摄像机的信息量是黑白摄像机的10倍 黑白摄像机 适用于光线不足的地区及夜间无法安装照明设备的场所 在仅监视景物的位置或移动情况时 通常可选用分辨率高于彩色摄像机的黑白摄像机 1 CCD摄像机的分类 17 2 依摄像机分辨率划分 低档型摄像机 影像像素在25万像素 pixel 左右 彩色分辨率为330 420线 黑白分辨率为380 450线 高分辨率摄像机 影像在38万像素以上 彩色分辨率大于或等于480线 黑白分辨率在600线以上 分辨率划分 18 3 依灵敏度 照度 划分 普通型 正常工作所需照度为1 3lx 月光型 正常工作所需照度为0 1lx左右 星光型 正常工作所需照度为0 01lx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 灵敏度 照度 划分 19 4 按CCD靶面大小划分 1英寸 靶面尺寸为宽12 7mm 高9 6mm 对角线长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 CCD靶面大小 20 5 按视频扫描制式划分按视频扫描制式划分 主要有PAL制和NTSC制两种 6 按信号处理制式划分 ANALOG 模拟信号处理 ASP 半数字信号处理 DSP 数字信号处理 视频扫描制式 21 7 按摄像机外观划分按外观分有传统标准枪型 机板型 针孔型 半球型 子弹型等简单型 也有鱼眼机板型 针孔镜头 灯饰型 侦烟型等伪装型 也有一体机 红外线型等综合一体型 8 按供电电源系统划分常见的有AC110V AC220V AC240V AC24V DC12V等几种 9 按电源频率划分 欧洲规格 50Hz 彩色PAL 黑白CCIR 美洲规格 60Hz 彩色NTSC 黑白EIA 外观划分 22 2 CCD彩色摄像机的主要技术指标 1 CCD尺寸 亦即摄像机靶面 在相同的光学镜头下 成像尺寸越大 视场角越大 成像尺寸越小的摄像机的体积可以做得更小些 CCD尺寸原来多为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 这是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38万像素划界 38万像素以上者为高清晰度摄像机 2 CCD主要技术指标 23 3 水平分辨率 分辨率是用电视线 简称线 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 最小照度也称为灵敏度 表示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 lx 数值越小 表示需要的光线越少 摄像头也越灵敏 黑白摄像机的灵敏度大约是0 02 0 5lx 彩色摄像机多在1lx以上 另外 摄像机的灵敏度还与镜头有关 0 97lx F0 75相当于2 5lx F1 2 也相当于3 4lx F1 水平分辨率 24 5 信噪比 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 6 视频输出 多为1Vpp 75 均采用BNC接头 7 扫描制式 有PAL制 隔行扫描 和NTSC制 逐行扫描 之分 中国大陆采用PAL制式 黑白为CCIR 标准为625行 50场 日本为NTSC制式 标准为525行 60场 黑白为EIA 一般只在医疗或其它专业领域才用到一些非标准制式 8 摄像机电源 交流有220V 110V 24V 直流为12V或9V PAL系统多为220VAC类电源 微型摄像机多为12VDC或9VDC类电源 25 3 CCD彩色摄像机的可调整功能1 同步方式的选择 1 对单台摄像机而言 主要的同步方式有下列三种 内同步 利用摄像机内部的同步信号发生电路 晶体振荡电路 产生同步信号来完成操作 外同步 利用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 可将摄像机信号电缆上的VD同步脉冲输入完成外VD同步 3 CCD的可调整功能 26 电源同步 也称之为线性锁定或行锁定 linelock 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 对于多台摄像机系统 利用外同步 使每一台摄像机可以在同样的条件下同步作业 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 对于多摄像机系统固定外同步 只要所有的视频输入信号是垂直同步的 则在变换摄像机输出时 就不会造成画面失真 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 此时可采取下述两种措施 27 一是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 二是调节各台摄像机的 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 相位调整范围为0 360 28 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的水准的视频放大器 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 自动增益控制 29 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的显示状况 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 背景光补偿 30 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的 电子快门控制摄像机CCD的累积时间 当电子快门关闭时 对于NTSC摄像机 其CCD累积时间为1 60s 对于PAL摄像机 则为1 50s 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 60s到1 10000s的范围 对于PAL型摄像机 其电子快门则以311步覆盖从1 50s到1 10000s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 电子快门 31 5 白平衡调整 1 自动白平衡 自动白平衡有下述两种工作方式 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 白平衡调整 32 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 33 2 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蓝色状况有多达107个等级供调节 如增加或减少红色各一个等级 增加或减少蓝色各一个等级 除此之外 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 34 6 色彩调整对于大多数应用而言 是不需要对摄像机进行色彩调整的 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 蓝色 黄色色彩增加 此时将蓝色向青蓝色移动一步 蓝色 黄色色彩减少 此时将蓝色向洋红色移动一步 色彩调整 35 7 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 增加了机子的稳定性和可靠性 数字化式的调整控制 36 4 摄像机的选择摄像机分为彩色和黑白两种 一般黑白摄像机要比彩色的灵敏度高 比较适合于光线不足的地方 如果使用的目的只是监视景物的位置和移动情况 可采用黑白摄像机 如果要分辨被摄像物体的细节 比如分辨衣服和景物的颜色 则采用彩色的比较好 在选择摄像机时具体应注意如下一些要素 4 摄像机的选择 37 1 CCD芯片的尺寸CCD芯片是摄像头的核心 CCD的成像尺寸越小则摄像机的体积可以做得越小 在相同的光学镜头下 成像尺寸越大 视场角越大 如表1 2 CCD芯片已经开发出多种尺寸 CCD的成像尺寸以前常用的有1 2英寸 1 3英寸等 目前采用的芯片大多数为1 3英寸和1 4英寸 CCD芯片的尺寸 38 表1 2CCD芯片的成像尺寸 39 2 分辨率的选择评估摄像机分辨率的指标是水平分辨率 其单位为线对 即成像后可以分辨的黑白线对的数目 常用的黑白摄像机的分辨率一般为380 600线 彩色的为380 480线 其数值越大成像越清晰 一般的监视场合 用400线左右的黑白摄像机就可以满足要求 而对于医疗 图像处理等特殊场合 用600线的摄像机能得到更清晰的图像 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 分辨率的选择 40 3 成像灵敏度通常用最低环境照度要求来表明摄像机灵敏度 2 3lx属一般照度 现在也有低于1lx的普通摄像机问世 月光级和星光级等高增感度摄像机可工作在很暗的条件下 如0 1lx的摄像机用于普通的监视场合 在夜间使用或环境光线较弱时 推荐使用0 02lx的摄像机 与近红外灯配合使用时 也必须使用低照度的摄像机 成像灵敏度 41 4 电子快门电子快门的时间在1 50 1 100000s之间 摄像机的电子快门一般设置为自动电子快门方式 可根据环境的亮暗自动调节快门时间 得到清晰的图像 有些摄像机允许用户自行手动调节快门时间 以适应某些特殊应用场合 电子快门 42 5 外同步与外触发外同步是指不同的视频设备之间用同一同步信号来保证视频信号的同步 它可保证不同的设备输出的视频信号具有相同的帧 行的起止时间 为了实现外同步 需要给摄像机输入一个复合同步信号 C sync 或复合视频信号 外同步并不能保证用户从指定时刻得到完整的连续的一帧图像 要实现这种功能 必须使用特殊的具有外触发功能的摄像机 外同步与外触发 43 6 光谱响应特性CCD器件由硅材料制成 对近红外比较敏感 光谱响应可延伸至1 0 m左右 其响应峰值为绿光 550nm 夜间隐蔽监视时 可以用近红外灯照明 人眼看不清环境情况 在监视器上却可以清晰成像 由于CCD传感器表面有一层吸收紫外线的透明电极 所以CCD对紫外光不敏感 彩色摄像机的成像单元上有红 绿 蓝三色滤光条 所以彩色摄像机对红外光 紫外光均不敏感 光谱响应 频率 可见光 紫外线红外线波长范围775 1500nm 紫外线的波长范围在100 400nm 44 7 镜头安装方式镜头安装方式常见的有C和CS方式 二者间的不同之处在于感光距离不同 即镜头与摄像机接触面至镜头焦平面 摄像机CCD光电感应器应处的位置 的距离不同 C型接口此距离为17 5mm CS型接口此距离为12 5mm C型镜头与C型摄像机 CS型镜头与CS型摄像机可以配合使用 C型镜头与CS型摄像机之间增加一个5mm的C CS转接环可以配合使用 CS型镜头与C型摄像机无法配合使用 镜头安装方式 45 5 DSP摄像机 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 5 DSP摄像机 46 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 47 6 红外线摄像机红外线摄影机 INFRA REDCAMERA 是采用红外光源成像的摄影机 原则上可以用于零照度的监控环境 可见光 指红橙黄绿青蓝紫光 是人眼可见之光 它的波长大约为380 775nm 红色光波再上去之光波谓之红外线 它的波长大约为775 1500nm 红外线人眼是无法看到的 就如同手机的电波人眼也无法看到一样 6 红外线摄像机 48 要实现红外线的夜视 相当于在全黑的环境里能看到东西 这必须有一个媒介 这个媒介就是CCD摄影机 CCD摄影机除了对可见光之反射有感应之外 它对于红外光之反射也一样有感应 红外线这个我们看不到的光 它却看得到 而将CCD摄影机所得到的信号输送到电视机转换成影像 于是我们也能看到它所看到的了 红外线可以透视丝质或尼龙 石化 材质等布料 就像X光可以透视人体一样 不同波长的光波各有不同程度的透视能力 但人眼看不见红外线 一样要透过CCD摄影机当媒介将其转换成我们看得见的电视画面 49 所以红外线只可被摄影机感应 无法被肉眼看见 可用于夜晚辅助照明 而又不让人知道 这些特性使得红外线摄影机在监控领域被大量使用 红外线摄影机按其拍照距离有10m 50m 100m之分 50 表1 3参考环境照度 参考环境照度表 51 7 低照度摄像机1 昼夜型摄像机 Color Mono 昼夜型摄像机也即白天彩色 晚上黑白摄像机 它是利用黑白影像对红外线感度较高的特点 在一定的光源条件下 利用线路切换的方式将影像由彩色转为黑白 以便于搭配红外线 在彩色 黑白线路转换的技术演进过程中 此类摄像机已采用单一CCD 彩色 设计 在白天或光源充足时为彩色摄像机 当夜晚降临或光源不足时 一般在1 3lx 即利用数字电路将彩色信号消除掉 成为黑白影像 且为了搭配红外线 亦拿掉了彩色摄像机不可缺的红外线滤除器 7 低照度摄像机 52 昼夜型摄像机的照度在国内市场上最低标示数值甚至为0lx 但真正的 低照度摄像机 应指摄像机本身所采用的组件技术可达到的功能 而白天彩色 晚上黑白的摄像机因受限于CCD感度 本身并无法改变 只是利用线路切换及搭配红外光的方式将功能提升 不能算是低照度摄像机 目前此类摄像机在市场上仍有其特定的需求群 53 2 低速快门摄像机 SlowShutter 此类摄像机又称为 画面 累积型摄像机 是利用计算机内存技术 连续将几个因光线不足而较显模糊的画面累积起来 成为一个影像清晰的画面 此类摄像机获得低照度下图像的方法是通过电荷单帧累积方式增加CCD在单帧图像上的曝光量 从而提高摄像机对单帧图像的灵敏度 这种方式也可以获得较低的照度指针 但是需要降低图像的连贯程度 此类摄像机进口品牌的领先水平一般运用SlowShutter技术降低摄像机照度至0 008lx F1 2 128 并且画面能够累积到128帧 54 3 超感度摄像机超感度摄像机 ExviewHAD 又称24小时摄像机 采用ExviewHAD技术实现一般的超低照度摄像功能 其彩色照度可达0 05lx 黑白则可达0 003 0 001lx 亦可搭配红外线以达0lx 不仅能清晰地辨识影像 更可实现对实时连续画面的摄像 采用ExviewHADCCD的摄像机 对外界光线的敏感程度会大大提高 在各种光照环境下均可表现出最佳的效果 特别是配合专用的红外照明设备 可以得到高清晰度的黑白图像 实现0照度的监控 完全无光的情况下 在近红外760 1100mm的区域 如果配合合适波长的红外照明 就可以实现清晰的黑白图像 55 如表7 4所示是韩国品牌ABELL闭路监控系统高速球型摄像机的产品说明及技术参数 8 高速球型摄像机 8 高速球型摄像机 高速球型摄像机可实现多协议兼容多种主机 无极滑环 定点预置 快速巡航 其主要技术参数 6秒以内快速定位 64个以上预置位 变焦 变倍 自动聚焦 480TVL 0 02lx 光学变焦 数字变焦 56 ABELL高速球型摄像机的产品说明及技术参数 57 续表 58 59 1 2镜头镜头 LENS 一般采用许多单元的透镜组合而成 基本为凸透镜和凹透镜 凸透镜的作用是聚光成像 凹透镜的作用是散光不成像 一般镜头可视为像凸透镜这样的会聚透镜 这里其光学特性满足 S为像距 S 为物距 f为焦距 通常把短焦距 视场角大于50 如f 10mm左右 的镜头称为广角镜头 把更短焦距 如f 4mm 的镜头叫做超广角镜头 同时把很长焦距 如f 50mm 的镜头称为望远 或远摄 镜头 介于短焦和长焦之间 4 50mm 的镜头就叫标准镜头 镜头 60 镜头图 61 凸透镜 62 凸透镜2 63 1 镜头的种类 1 按光圈调整方式分为手动光圈镜头和自动光圈镜头 2 按焦距尺寸是否可变分为定焦距镜头和变焦距镜头 3 按镜头聚焦分为手动聚焦镜头和自动聚焦镜头 4 焦距尺寸或视场角大小如下 标准镜头 视角30 左右 使用范围较广 远摄镜头 视角20 以内 可在远距离情况下拍摄 广角镜头 视角50 以上 观察范围较大 近处图像有变形 超广角镜头 视角90 以上 观察范围更大 图像变形大 镜头的种类 64 5 从镜头焦距上分为 短焦距镜头 因入射角较宽 可提供一个较宽广的视野 中焦距镜头 标准镜头 焦距的长度视CCD的尺寸而定 长焦距镜头 因入射角较狭窄 故仅能提供狭窄视景 适用于长距离监视 变焦距镜头 通常为电动式 可作广角 标准或远望等镜头使用 65 6 镜头参数可调整的项目如下 三可变镜头 光圈 聚焦 焦距为人为控制 两可变镜头 自动光圈 聚焦 焦距为人为控制 一可变镜头 自动光圈 自动聚集 仅变焦距可人为控制 7 镜头尺寸 有1 4 1 3 1 2 2 3和1英寸镜头规格 镜头调整 66 8 镜头结构及不同使用条件 一般分为普通镜头 针孔镜头和其他特种镜头 一般地 标准镜头的视角在30 左右 在1 2英寸CCD摄像机中 标准镜头焦距定为12mm 在1 3英寸CCD摄像机中 标准镜头焦距定为8mm 长焦镜头的视角在20 以内 焦距可达几十毫米或上百毫米 广角镜头的视角在90 度以上 焦距可小于几毫米 可提供较宽广的视景 变焦镜头的镜头焦距连续可变 焦距可以从广角变到长焦 焦距越长成像越大 远摄镜头的视角在20 以内 焦距可达几米甚至几十米 此镜头可在远距离情况下将拍摄的物体影像放大 但使观察范围变小 针孔镜头镜头直径约几毫米 可隐蔽安装 用于隐蔽观察 经常被安装在如天花板或墙壁等的地方 67 2 选择镜头的技术指标1 镜头的成像尺寸应与摄像机CCD靶面尺寸相一致 如前所述 有1英寸 2 3英寸 1 2英寸 1 3英寸 1 4英寸 1 5英寸等规格 镜头的技术指标 68 2 镜头的分辨率描述镜头成像质量的内在指标是镜头的光学传递函数与畸变 但对用户而言 需要了解的仅仅是镜头的空间分辨率 以每毫米能够分辨的黑白条纹数为计量单位 计算公式为 由于摄像机CCD靶面大小已经标准化 如1 2英寸摄像机 其靶面为宽6 4mm 高4 8mm 1 3英寸摄像机为宽4 8mm 高3 6mm 因此 对1 2英寸格式的CCD靶面 镜头的最低分辨率应为38对线 mm N 180 4 8 对1 3英寸格式的摄像机 镜头的分辨率应大于50对线 N 180 3 6 摄像机的靶面越小 对镜头的分辨率越高 69 CCD靶面尺寸 CCD靶面规格尺寸 mm 70 3 镜头焦距镜头焦距是透镜中心或其第二主平面到图像聚集点处的距离 单位一般为毫米或英寸 常见的如4mm 6mm 8mm 3 5 8mm 被摄物体的大小 距离与焦距成特定的关系 设被摄物体的高度和宽度分别为V 垂直 H 水平 被摄物体与镜头间的距离为D 镜头的焦距为f 靶面成像的高度和宽度分别为v h 则覆盖景物镜头的焦距可用下述公式计算 71 举例说明 当选用1 2inCCD时 图像尺寸v 4 8mm 垂直 h 6 4mm 水平 镜头至景物距离D 3500mm 景物的实际高度为V 2500mm 景物的实际宽度 水平 可由公式H 1 333V 4 3 这种关系由摄像机取景器CCD片决定 将以上参数代入计算式中 可得f 4 8 3500 2500 6 72mm选用6mm定焦镜头即可 举例 72 1 定焦距 焦距固定不变 可分为有光圈和无光圈两种 有光圈 镜头光圈的大小可以调节 根据环境光照的变化 应相应调节光圈的大小 光圈的大小可以通过手动或自动调节 人为手工调节光圈的称为手动光圈 镜头自带微型电机自动调整光圈的称为自动光圈 无光圈 即定光圈 其通光量是固定不变的 主要用于光源恒定或摄像机自带电子快门的情况 2 变焦距 焦距可以根据需要进行调整 使被摄物体的图像放大或缩小 常用的变焦镜头为六倍 十倍变焦 目前市场上有 16 18 22 23 27倍变焦可选 73 4 视场角视场角是指摄像机水平视觉度数及垂直视觉度数 摄取景物的镜头视场角是极为重要的参数 镜头视场角随镜头焦距及摄像机规格大小而变化 其变化关系如前所述 摄像机的水平视觉度数及垂直视觉度数与摄像机CCD靶面尺寸h v及镜头焦距f之间有如下关系 水平视觉度数 2arctan h 2f 垂直视觉度数 2arctan v 2f 首先根据摄像机到被监控目标的距离 选择镜头的焦距 镜头焦距确定后 则由摄像机靶面决定视野 视场角 74 常用镜头的水平视场角 几种常用镜头的水平视场角 75 5 光圈和通光量光圈是位于摄像机镜头内部的可以调节的光学机械部件 可用来控制通过镜头的光线的多少 镜头光圈的数量指标一般用通光量表示 镜头的通光量以镜头的焦距和通光孔径的比值来衡量 以F为标记 F取值以镜头的焦距 和通光孔径d的比值来衡量 F f d 每个镜头上均标有其最大的F值 通光量与F值的平方成反比关系 F值越小 则光圈越大 所以应根据被监控部分的光线变化程度来选择用手动光圈还是用自动光圈镜头 光圈和通光量 76 6 相对孔径为了控制通过镜头的光通量的大小 在镜头的后部均设置了光圈 假定光圈的有效孔径为d 由于光线折射的关系 镜头实际的有效孔径为D 比d大 D与焦距f之比定义为相对孔径A 即A D f 镜头的相对孔径决定被摄像的照度 像的照度与镜头的相对孔径的平方成正比 一般习惯上用F f D 即相对孔径的倒数来表示镜头光圈的大小 常用的F 1 4 F值越小 光圈越大 到达CCD芯片的光通量就越大 所以在焦距f相同的情况下 F值越小 表示镜头曝光特性越好 相对孔径 77 3 手动光圈和自动光圈镜头有手动光圈 manualiris 和自动光圈 autoiris 之分 自动光圈是指镜头内的隔膜装置 可根据电视摄像机传来的视频信号自行调节 以适应光照强度的变化 光圈隔膜通过打开或关闭光圈来控制通过镜头传送的光线 典型的补偿范围是10000 1到300000 1 配合摄像机的使用 手动光圈镜头适合于亮度不变的应用场合 自动光圈镜头因亮度变更时其光圈亦作自动调整 故适用亮度变化的场合 自动光圈镜头有两种驱动方式 手动光圈和自动光圈 78 1 视频输入型 VideodriverwithAmp 它将一个视频信号及电源从摄像机输送到透镜来控制镜头上的光圈 这种视频输入型镜头内包含有放大器电路 用以将摄像机传来的视频信号转换成对光圈马达的控制 2 DC输入型 DCdrivernoAmp 它利用摄像机上的直流电压来直接控制光圈 这种镜头内只包含电流计式光圈马达 摄像机内没有放大器电路 这两种驱动方式产品不具可互换性 但现已有通用型自动光圈镜头推出 79 采用自动光圈镜头 对于下列应用情况是理想的选择 在诸如太阳光直射等非常亮的情况下 用自动光圈镜头可有较宽的动态范围 要求在整个视野有良好的聚焦时 用自动光圈镜头有比固定光圈镜头更大的景深 要求在亮光上因光信号导致的模糊最小时 应使用自动光圈镜头 80 4 定焦镜头和变焦镜头定焦 变焦镜头的选用取决于被监视场景范围的大小 以及所要求被监视场景画面的清晰程度 变焦镜头是指焦平面的位置固定 而焦距可连续调节的光学系统 变焦是通过移动镜头内部的镜片 改变它们之间的相对位置而实现的 这样就可以在一定范围内改变镜头的焦距长度和视角 在镜头规格 镜头规格一般分为1 3英寸 1 2英寸和2 3英寸等 一定的情况下 镜头焦距与镜头视场角的关系为 镜头焦距越长 其镜头的视场角就越小 在镜头焦距一定的情况下 镜头规格与镜头视场角的关系为 镜头规格越大 其镜头的视场角也越大 定焦镜头和变焦镜头 81 所以由以上关系可知 在镜头物距一定的情况下 随着镜头变焦 变倍 变大 在系统末端监视器上所看到的被监视场景的画面范围就越小 但画面细节越来越清晰 而随着镜头变焦 变倍 变小 在系统末端监视器上所看到的被监视场景的画面范围就增大 但其画面细节越来越模糊 在镜头规格及镜头焦距一定的前提下 CS型接口镜头的视场角将大于C型接口镜头的视场角 镜头视场角又分为图像水平视场角和图像垂直视场角 且图像水平视场角大于图像垂直视场角 通常我们所讲的视场角一般是指镜头的图像水平视场角 82 可变焦 倍 镜头 vari focuslens 介于标准镜头与广角镜头之间 焦距连续可变 即可将远距离物体放大 同时又可提供一个宽广视景 使监视范围增加 变焦镜头可通过设置自动聚焦于最小焦距和最大焦距两个位置 但是从最小焦距到最大焦距之间的聚焦 则需通过手动聚焦实现 对于一般变焦 倍 镜头而言 由于其最小焦距通常为6 0mm左右 故其变焦 倍 镜头的最大视场角为45 左右 如将此种镜头用于这种狭小的被监视环境中 其监视死角必然增大 虽然可通过对前端云台进行操作控制 以减少这种监视死角 但这样必将会增加系统的工程造价 系统需增加前端译码器 云台 防护罩等 以及系统操控的复杂性 所以在这种环境中 不宜采用变焦 倍 镜头 83 5 伸缩镜头 ZoomLens 伸缩镜头有手动伸缩镜头和自动伸缩镜头两大类 伸缩镜头由于在一个镜头内能够使镜头焦距在一定范围内变化 因此可以使被监控的目标放大或缩小 所以也常被称为变倍镜头 典型的光学放大规格有6倍 6 0 36mm F1 2 8倍 4 5 36mm F1 6 10倍 8 0 80mm F1 2 12倍 6 0 72mm F1 2 20倍 10 200mm F1 2 等档次 并以电动伸缩镜头应用最为普遍 为增大放大倍数 除光学放大外还可施以电子数码放大 伸缩镜头 84 在自动伸缩镜头中 光圈的调整有三种 即自动光圈 直流驱动自动光圈 电动调整光圈 其聚焦和变倍的调整 则只有电动调整和预置两种 电动调整是由镜头内的马达驱动的 而预置则是通过镜头内的电位计预先设置调整停止位 这样可以免除成像必须逐次调整的过程 可精确 快速定位 在球形罩一体化摄像系统中 大部分采用带预置位的伸缩镜头 另一项令用户感兴趣的则是快速聚焦功能 它由测焦系统与电动变焦反馈控制系统构成 自动聚集 85 伸缩镜头由于在一个镜头内能够使镜头焦距在一定范围内变化 因此可以使被监控的目标放大或缩小 典型的光学放大规格有诸如6 20倍等不同档次 并以电动缩放镜头 ZoomLens 应用最为普遍 缩放 变焦镜头 VariFocalLens 是变焦镜头配合缩放镜头功能 焦距连续可变 可将远距离物体放大 又可提供一个宽广视景 使监视宽度增加 日本Kowa公司提供从1 6 3 4mm的宽角度镜头到15 0 300mm的远距镜头 按变焦镜头参数可调整的项目划分有 86 三可变镜头 光圈 聚焦 焦距均需人为调节 二可变镜头 通常是自动光圈镜头 而聚焦和焦距需人为调节 单可变镜头 一般是自动光圈和自动聚焦的镜头 而焦距 变焦 变倍 需人为手动调节 87 在这种环境中也可考虑选用变焦 倍 镜头 电动三可变镜头 这可根据系统的设计要求以及系统的性能价格比决定 在选用时还应考虑两点 1 在调节至最短焦距时 看全景 应能满足覆盖主要被监视场景画面的要求 2 在调节至最长焦距时 看细节 应能满足观察被监视场景画面细节的要求 通常情况下 在室内的仓库 车间 厂房等环境中一般选用6倍或者10倍镜头即可满足要求 而在室外的库区 码头 广场 车站等环境中 可根据实际要求选用10倍 16倍或20倍镜头即可 一般情况下 镜头倍数越大 价格越高 可在综合考虑系统造价允许的前提下 适当选用高倍数变焦镜头 88 6 镜头的选用1 手动 自动光圈镜头的选用手动 自动光圈镜头的选用取决于使用环境的照度是否恒定 自动光圈用于被照物光线变化较多的场合 手动光圈用于被照物光线稳定的场合 对于在环境照度恒定的情况下 如电梯轿箱内 封闭走廊里 无阳光直射的房间内 均可选用手动光圈镜头 这样可在系统初装调试中根据环境的实际照度 一次性调定镜头光圈大小 获得满意亮度画面即可 镜头的选用 89 对于环境照度处于经常变化的情况 如随日照时间而照度变化较大的门厅 窗及大堂内等 均需选用自动光圈镜头 必须配以带有自动光圈镜头插座的摄像机 这样便可以实现画面亮度的自动调节 获得良好的恒定亮度的监视画面 对于自动光圈镜头的控制信号又可分为DC及VIDEO控制两种 即直流电压控制及视频信号控制 这在自动光圈镜头的类型选用上 摄像机自动光圈镜头插座的连接方式上 以及选择自动光圈镜头的驱动方式开关上 注意三者协调配合好即可 90 2 定焦 变焦镜头的选用镜头是摄像机的眼睛 正确选择镜头以及良好的安装与调整是清晰成像的第一步 当前 1 3英寸镜头是应用的主流 自动光圈镜头销售量最多 变焦镜头是应用发展的趋势 定焦镜头从焦距上区分有短焦距广角镜头 中焦距标准镜头 长焦距远镜头 应依据摄像机到被监视目标的距离 来选择定焦镜头 FixedFocalLens 的焦距 变焦镜头分手动变焦和电动变焦 电动光圈和自动光圈 两种 变焦镜头在规则上可以划分为10倍 6倍和2倍变焦镜头 其尺寸有1 3英寸 1 2英寸和1英寸等 定焦 变焦选用 91 选择变焦镜头的原则是镜头的规格不应小于摄像机的规格 也就是说1 2英寸的镜头可以与1 3英寸的摄像机一起使用 但是1 3英寸的镜头就不能够在1 2英寸的摄像机上使用 摄像机镜头规格一般应视摄像机的CCD尺寸而定 两者应相对应 即 摄像机的CCD靶面大小为1 2英寸时 镜头应选1 2英寸 摄像机的CCD靶面大小为1 3英寸时 镜头应选1 3英寸 摄像机的CCD靶面大小为1 4英寸时 镜头应选1 4英寸 如果镜头尺寸与摄像机CCD靶面尺寸不一致时 观察角度将不符合设计要求 或者发生画面在焦点以外等问题 92 3 镜头安装连接方式的选择 镜头安装方式选择 镜头安装方式常见的有C和CS方式 二者间的不同之处在于感光距离不同 即镜头与摄像机接触面至镜头焦平面 摄像机CCD光电感应器应处的位置 的距离不同 C型接口此距离为17 5mm CS型接口此距离为12 5mm C型镜头与C型摄像机 CS型镜头与CS型摄像机可以配合使用 C型镜头与CS型摄像机之间增加一个5mm的C CS转接环可以配合使用 CS型镜头与C型摄像机无法配合使用 93 4 非球面镜头的选用除传统的球面镜头外 新一代的是非球面镜头 AsphericalLens 镜片研磨的形状为抛物线 二次曲线 三次曲线或高次曲线 并且在设计时就考虑到了镜头的相差 色差 球差等校正因素 通常一片非球面镜片就能达到多个球面镜片矫正像差的效果 因此可以减少镜片的数量 使得镜头的精度更佳 清晰度更好 色彩还原更为准确 镜头内的光线反射得以降低 镜头体积也相应缩小 非球面镜头的选用 94 非球面镜头具有变倍高 物距短 光圈大的特点 变倍高可以简化镜头的种类 物距短可以应用在近距离摄像的场合 光圈大则可以适应光线较暗的场所 因此应用领域日渐宽广 日本AVENIA的非球面镜头产品SSV0770 近摄距离可到30cm 光圈值也可到F1 6 变焦范围为7 70mm 变倍率高达10倍 可用于电视监控等领域 95 1 3云台云台即回转台 SCANNER PAN TILT 是安装 固定与移动 水平 垂直 摄像机的支撑设备 它分为固定云台和电动云台 球型云台 两类 固定云台适用于监视范围不大的情况 在固定云台上安装好摄像机后可调整摄像机的水平和俯仰的角度 达到最好的工作姿态后只要锁定调整机构就可以了 电动云台适用于对大范围进行扫描监视 它可以扩大摄像机的监视范围 电动云台高速姿态是由两台执行电动机来实现的 电动机接受来自控制器的信号精确地运行定位 在控制信号的作用下 云台上的摄像机既可自动扫描监视区域 也可在监控中心值班人员的操纵下跟踪监视对象 1 3云台 96 云台图 97 摄像机安装于云台上 可实现摄像机多个自由度运动 满足对固定监控目标的快速定位 或对大范围监控环境的全景观察 对云台的选择可以按下列分类来加以区分 1 按安装部位划分室内云台 室内使用 抗环境干扰能力较弱 室外云台 室外型密封性能好 防水 防尘 负载大 可全天候型服务 安装部位划分 98 2 按能够承受负载的能力划分轻载云台 最大负重20磅 9 08kg 中载云台 最大负重50磅 22 7kg 重载云台 最大负重100磅 45kg 防爆云台 用于危险环境下 能够防爆和防粉尘点燃的云台 带高转矩交流电机和可调螺杆驱动 可负重100磅 承载能力划分 99 3 按运动方向划分水平旋转云台 仅能实现水平旋转运动 故亦称为转台 全方位云台 既能够作水平旋转运动 也能够作垂直俯仰运动 有的还能够做结合两者的复合运动 运动方向划分 100 4 按回转范围划分水平旋转有0 355 云台 两端设有限位开关 还有360 自由旋转云台 可以作任意个360 旋转 垂直俯 仰均为90 现在已出现垂直可做360 并可在垂直回转至后方时自动将影像调整为正向 autoimageInvertfortilt 的新产品 5 按使用电压划分220V交流电压云台 24V交流电压云台 直流供电云台 回转范围划分 101 6 按旋转速度划分恒速云台 只有一档速度 一般水平旋转速度最小值为6 12 s 垂直俯 仰速度为3 3 5 s 但快速云台水平旋转和垂直俯仰速度更高 可变速云台 水平旋转速度范围为4 400 s 垂直倾斜速度范围多为0 120 s 但已有最高达480 s的产品 旋转速度划分 102 此外 还可以按安装方式分为侧装和吊装 即云台是安装在天花板上还是安装在墙壁上 按外形分为普通型和球型 球型云台是把云台安置在一个半球形 球形防护罩中 除了防止灰尘干扰图像外 还有隐蔽 美观等特点 在挑选云台时要考虑安装环境 安装方式 工作电压 负载大小 也要考虑性能价格比和外型是否美观 这种云台要区别于照相器材中的云台 照相器材的云台一般来说只是一个三脚架 只能通过手来调节方位 而监控系统所说的云台是通过控制系统在远端可以控制其转动方向 103 1 4防护罩与固定支架1 防护罩防护罩是监控系统中重要的组件 它是保证摄像机和镜头有良好的工作环境的辅助性防护装置 它将二者包含于其中 使摄像机在有灰尘 雨水 高温 低温等情况下可以正常使用 1 4防护罩与固定支架 104 防护罩一般分为两类 一类是室内用防护罩 以装饰性 隐蔽性和防尘为主要目标 这种防护罩结构简单 价格便宜 其主要功能是防止摄像机落灰并有一定的安全防护作用 如防盗 防破坏等 另一类是室外用防护罩 这种防护罩一般为全天候防护罩 即无论刮风 下雨 下雪 高温 低温等恶劣情况 都能使安装在防护罩内的摄像机正常工作 因而这种防护罩具有降温 加温 防雨 防雪等功能 同时 为了在雨雪天气仍能使摄像机正常摄取图像 一般在全天候防护罩的玻璃窗前安装有可控制的雨刷 目前较好的全天候防护罩是采用半导体器件加温和降温的防护罩 这种防护罩内装有半导体元件 既可自动加温 也可自动降温 并且功耗较小 105 2 支架支架 MOUNTINGBRACKET 是固定云台及摄像机 防护罩的安装部件 一般方式为在支架上安装云台 再将带或不带防护罩的摄像机固定在云台上 制作支架的材料有塑料 金属镀铬 压铸 室外支架主要考虑负载能力是否合乎要求 再有就是安装位置 支架多种多样 依使用环境不同和结构不同 主要有以下类型 1 天花板顶基支架 一端固定在天花板上 另一端为可调节方向的球形旋转头或可调倾斜度的平台 以便摄像机对准不同的方位 有直管圆柱形和T形之分 支架 106 2 墙壁安装型支架 一端固定在墙壁上 其垂直平面用于安装摄像机或云台 对于无云台的摄像机系统 其摄像机可以直接固定在支架上 也可以固定在支架上的球形旋转接头或可调倾斜平台上 3 墙用支架加上安装连板可构成墙角支架 墙角支架加上圆柱安装连板 可将其安装在圆柱杆上 107 1 5视频监视器 1 监视器类型的选择应与前端摄像机类型基本匹配 黑白摄像机一般具有分辨率较高的特点 且价格较为低廉 在以黑白摄像机为主构成的系统中 宜采用黑白监视器 2 对于不仅要求看得清楚而且具有彩色要求的场合 随着大量使用彩色CCD摄像机 此时视频图像的显示必然用彩色监视器 但此时对彩色监视器分辨率的选择要适中 350 400线是较理想的标准 1 5视频监视器 108 3 600 800线分辨率的高档CRT彩色监视器 其刷新率一般为每秒75 80帧 只宜用在图像质量要求极高的场合 4 监视器有不同的扫描制式 选用时应注意 黑白有EIA 美规 与CCIR 欧规 彩色亦有NTSC 美规 与PAL 欧规 美规地区大致为加拿大 美国 中美一些国家 韩国 日本 台湾及菲律宾 其它国家大致为欧规 109 5 对于闭路电视监控系统而言 特别是在经费不太富裕的条件下 选用价格相对便宜的彩电是可行的折衷方案之一 但必须具有视频输入端子 6 监视器屏幕大小的选择 应以与视频图像相匹配为原则 用于显示多画面分割器输出图像的监视器 由于一屏上有多个摄像机输出图像 因此宜采用大屏幕的监视器 110 1 6多画面分割器1 应用原理多画面分割器的基本工作原理是采用图像压缩和数字化处理的方法 把几个画面按同样的比例压缩在一个监视器屏幕上 有的还带有内置顺序切换器的功能 此功能可将各摄像机输入的全屏画面按顺序和间隔时间轮流输出显示在监视器上 如同切换主机轮流切换画面那样 并可用录像机按上述的顺序和时间间隔记录下来 其间隔时间一般是可调的 多画面分割器一般有报警输入 输出接口 可与报警系统联动 报警时可调用全屏画面并产生报警输出信号启动录像机或其它相关设备 也就是说 当报警信号产生时 与该警报相关区域的场景将以全屏画面显示出来 并可自动录像 用户可自行设定警报的持续时间和录像的持续时间 报警输入接口数目与画面输入数目相同 1 6多画面分割器 111 多画面分割器的主要性能如下 1 全压缩图像 数字化处理彩色 黑白画面 2 四路 或九路 十六路 视频输入并带有四路 或九路 十六路 的环接输出 3 内置可调校时间的顺序切换器和独立的切换输出 根据摄像机的编号对全屏画面按顺序切换显示 每路画面的显示时间可由用户自己进行优化编程调整 4 高解像度以及实时更新率 画面指标为512 512像素 更新率为25 30场 s 5 录像带重放时可实现1 4 或1 9 1 16 画面到全屏画面变焦 还原为实时全屏画面 112 6 与标准的SUPER VHS录像机兼容 有的还具有S VHS接口 7 有报警输入 输出接口 可与报警系统联动 进行监控和导引 8 八个字符的摄像机名称 用户可以自己编程设定给每个摄像机最多达八个字符的名称 9 报警画面叠加 视频信号丢失指标 该功能可以方便用户快速检查出出现信号丢失的原因 10 设置屏幕菜单编程 调用 编程简单 操作容易 人 机界面友好 11 电子保险锁 用户可自行设定密码 被允许的操作者才能进行系统的操作 113 2 四画面分割器简介画面分割器有四分割 九分割 十六分割几种 可以在一台监视器上