监控培训教材

第一章 安防监控设备 第一节 摄像机 一 工作原理 在闭路监控系统中 摄像机又称摄像头或 CCD Charge Coupled Device 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 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 Charge Couple Device 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 二 CCD 分类 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 因为芯片生产时采用不同等级 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 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 黑白摄像机 适用于光线不充足地区及夜间无法安装照明设备的地区 在仅监视景物的 位置或移动时 可选用黑白摄像机 依分辨率灵敏度等划分 影像像素在 38 万以下的为一般型 其中尤以 25 万像素 512 492 分辨率为 400 线的产品最普遍 影像像素在 38 万以上的高分辨率型 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 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 依供电电源划分 110v NTSC 制式多属此类 220VAC 24VAC 12VDC 或 9VDC 微型摄像机多属此类 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 line lock 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 三 技术指标 CCD 彩色摄像机的主要技术指标 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 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 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 TV LINES 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 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 扫描制式 有 PAL 制和 NTSC 制之分 摄像机电源 交流有 220V 110V 24V 直流为 12V 或 9V 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 视频输出 多为 1Vp p 75 均采用 BNC 接头 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 四 可调整功能 1 CCD 彩色摄像机的可调整功能 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 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 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 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 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 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 2 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 DIGITAL SIGNAL PROCESSOR 摄像机 该种摄像机具有以下优点 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 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 五 摄像机的选择和主要参数 摄像机镜头是视频监视系统的最关键设备 它的质量 指标 优劣直接影响摄像机的整 机指标 因此 摄像机镜头的选择是否恰当既关系到系统质量 又关系到工程造价 镜头相当于人眼的晶状体 如果没有晶状体 人眼看不到任何物体 如果没有镜头 那 么摄像头所输出的图像就是白茫茫的一片 没有清晰的图像输出 这与我们家用摄像机 和照相机的原理是一致的 当人眼的肌肉无法将晶状体拉伸至正常位置时 也就是人们 常说的近视眼 眼前的景物就变得模糊不清 摄像头与镜头的配合也有类似现象 当图 像变得不清楚时 可以调整摄像头的后焦点 改变 CCD 芯片与镜头基准面的距离 相当 于调整人眼晶状体的位置 可以将模糊的图像变得清晰 由此可见 镜头在闭路监控系 统中的作用是非常重要的 工程设计人员和施工人员都要经常与镜头打交道 设计人员 要根据物距 成像大小计算镜头焦距 施工人员经常进行现场调试 其中一部分就是把 镜头调整到最佳状态 镜头的分类 按外形功能分 按尺寸大小分 按光圈分 按变焦类型分 按焦距长矩分 球面镜头 1 25mm 自动光圈 电动变焦 长焦距镜头 非球面镜头 1 2 3mm 手动光圈 手动变焦 标准镜头 针孔镜头 1 3 8 5mm 固定光圈 固定焦距 广角镜头 鱼眼镜头 2 3 17mm 以镜头安装分类 所有的摄象机镜头均是螺纹口的 摄象机的镜头安 装有两种工业标准 即 安装座和 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 安装座 从镜头安装基准面到焦点的距离是 17 526mm 安 装座 特种 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 安装座镜头安装到一个 安装座摄象机上时 则需要使用镜头转换器 以摄象机镜头规格分类 摄象机镜头规格应视摄象机的 尺寸而定 两者应相 对应 即 摄象机的 靶面大小为 英寸时 镜头应选 英寸 摄象机的 靶面大小为 英寸时 镜头应选 英寸 摄象机的 靶面大小为 英寸时 镜头应选 英寸 如果镜头尺寸与摄象机 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 以镜头光圈分类 镜头有手动光圈 manual iris 和自动光圈 auto iris 之分 配合摄象机使用 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 自动光圈镜头有两类 一类是将一个 视频信号及电源从摄象机输送到透镜来控制镜头上的光圈 称为视频输入型 另一类则 利用摄象机上的直流电压来直接控制光圈 称为 输入型 自动光圈镜头上的 自动镜头控制 调整用于设定测光系统 可以整个画面的平均亮度 也可以画 面中最亮部分 峰值 来设定基准信号强度 供给自动光圈调整使用 一般而言 已在出厂时经过设定 可不作调整 但是对于拍摄景物中包含有一个亮度极高的 目标时 明亮目标物之影像可能会造成 白电平削波 现象 而使得全部屏幕变成白色 此时可以调节 来变换画面 另外 自动光圈镜头装有光圈环 转动光圈环时 通 过镜头的光通量会发生变化 光通量即光圈 一般用 表示 其取值为镜头焦距与镜头 通光口径之比 即 f 焦距 镜头实际有效口径 值越小 则光圈越大 采用自动光圈镜头 对于下列应用情况是理想的选择 它们是 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 以镜头的视场大小分类 标准镜头 视角 度左右 在 英寸 摄象机 中 标准镜头焦距定为 mm 在 英寸 摄象机中 标准镜头焦距定为 mm 广角镜头 视角 度以上 焦距可小于几毫米 可提供较宽广的视景 远摄 镜头 视角 度以内 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 物体影响放大 但使观察范围变小 变倍镜头 zoom lens 也称为伸缩镜头 有手 动变倍镜头和电动变倍镜头两类 可变焦点镜头 vari focus lens 它介于标准镜 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 针孔镜头 镜头直径 几毫米 可隐蔽安装 从镜头焦距上分 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 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 选择镜头的技术依据 镜头的成像尺寸 应与摄象机 靶面尺寸相一致 如前所述 有 英寸 英寸 英寸 英寸 英寸 英寸等规格 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 拥护而言 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 镜头分辨率 画幅格式的高度 由于摄象机 靶 面大小已经标准化 如 英寸摄象机 其靶面为宽 6 4mm 高 4 8mm 英寸摄 象机为宽 4 8mm 高 3 6mm 因此对 英寸格式的 靶面 镜头的最低分辨率应 为 对线 mm 对 英寸格式摄象机 镜头的分辨率应大于 对线 摄象机的 靶面越小 对镜头的分辨率越高 镜头焦距与视野角度 首先根据摄象机到被监控目标的距离 选择镜头的焦距 镜 头焦距 f 确定后 则由摄象机靶面决定了视野 光圈或通光量 镜头的通光量以镜头的焦距和通光孔径的比值来衡量 以 为标记 每个镜头上均标有其最大的 值 通光量与 值的平方成反比关系 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 变焦镜头 zoom lens 变焦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 所以也常被成为变倍镜头 典型的光学放大规格有 倍 6 0 36mm F1 2 倍 4 5 36mm F1 6 倍 8 0 80mm F1 2 倍 6 0 72mm F1 2 倍 10 200mm F1 2 等档次 并以电动伸缩镜头应用最普遍 为增大放大倍数 除光学放 大外还可施以电子数码放大 在电动伸缩镜头中 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 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 可精确与快速定位 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 4 镜头与摄像机 CCD 尺寸的关系 1 2 镜头既可用于 1 2 摄像机 也可用于 1 3 摄像 机 但视角会减少 25 左右 1 3 镜头不能用于 1 2 摄像机 只能用于 1 3 摄像机 5 不同种类镜头的应用范围 手动 自动光圈镜头的应用范围 手动光圈镜头是的最简单的镜头 适用于光照条件相 对稳定的条件下 手动光圈由数片金属薄片构成 光通量靠镜头外径上的一个环调节 旋转此圈可使光圈收小或放大 在照明条件变化大的环境中或不是用来监视某个固定目 标 应采用自动光圈镜头 比如在户外或人工照明经常开关的地方 自动光圈镜头的光 圈的动作由马达驱动 马达受控于摄像机的视频信号 手动光圈镜头和自动光圈镜头又 有定焦距 光圈 镜头自动光圈镜头和电动变焦距镜头之分 定焦距 光圈 镜头 一般与电子快门摄像机配套 适用于室内监视某个固定目标的 场所作用 定焦距镜头一般又分为长焦距镜头 中焦距镜头和短焦距镜头 中焦距镜头 是焦距与成像尺寸相近的镜头 焦距小于成像尺寸的称为短距镜头 短焦距镜头又称广 角镜头 该镜头的焦距通常是 28mm 以下的镜头 短焦距镜头主要用于环境照明条件差 监视范围要求宽的场合 焦距大于成像尺寸的称为长焦距镜头 长焦距镜头又称望远镜 头 这类镜头的焦距一般在 150mm 以上 主要用于监视较远处的景物 手动光圈镜头 可与电子快门摄像机配套 在各种光线下均可使用 自动光圈镜头 EF 可与任何 CCD 摄像机配套 在各种光线下均可使用 特别用于被 监视表面亮度变化大 范围较大的场所 为了避免引起光晕现象和烧坏靶面 一般都配 自动光圈镜头 电动变焦距镜头 可与任何 CCD 摄像机配套 在各种光线下均可使用 变焦距镜头是 通过遥控装置来进行光对焦 光圈开度 改变焦距大小的 6 镜头的主要性能指标有以下几个 1 焦距 焦距的大小决定着视场角的大小 焦距数值小 视场角大 所观察的范围也 大 但距离远的物体分辨不很清楚 焦距数值大 视场角小 观察范围小 只要焦距选 择合适 即便距离很远的物体也可以看得清清楚楚 由于焦距和视场角是一一对应的 一个确定的焦距就意味着一个确定的视场角 所以在选择镜头焦距时 应该充分考虑是 观测细节重要 还是有一个大的观测范围重要 如果要看细节 就选择长焦距镜头 如 果看近距离大场面 就选择小焦距的广角镜头 2 光阑系数 即光通量 用 F 表示 以镜头焦距 f 和通光孔径 D 的比值来衡量 每个 镜头上都标有最大 F 值 例如 6mm F1 4 代表最大孔径为 4 29 毫米 光通量与 F 值的平 方成反比关系 F 值越小 光通量越大 镜头上光圈指数序列的标值为 1 4 2 2 8 4 5 6 8 11 16 22 等 其规律是前一个标值时的曝光量正好是后一 个标值对应曝光量的 2 倍 也就是说镜头的通光孔径分别是 1 1 4 1 2 1 2 8 1 4 1 5 6 1 8 1 11 1 16 1 22 前一数值是后一数值的根 号 2 倍 因此光圈指数越小 则通光孔径越大 成像靶面上的照度也就越大 另外镜头 的光圈还有手动 MANUAL IRIS 和自动光圈 AUTO IRIS 之分 配合摄像头使用 手 动光圈适合亮度变化不大的场合 它的进光量通过镜头上的光圈环调节 一次性调整合 适为止 自动光圈镜头会随着光线的变化而自动调整 用于室外 入口等光线变化大且 频繁的场合 3 自动光圈镜头 自动光圈镜头目前分为两类 一类称为视频 VIDEO 驱动型 镜头 本身包含放大器电路 用以将摄像头传来的视频幅度信号转换成对光圈马达的控制 另 一类称为直流 DC 驱动型 利用摄像头上的直流电压来直接控制光圈 这种镜头只包 含电流计式光圈马达 要求摄像头内有放大器电路 对于各类自动光圈镜头 通常还有 两项可调整旋钮 一是 ALC 调节 测光调节 有以峰值测光和根据目标发光条件平均测 光两种选择 一般取平均测光档 另一个是 LEVEL 调节 灵敏度 可将输出图像变得明 亮或者暗淡 4 变倍镜头 变倍镜头分为手动 MANUAL ZOOM LENS 和电动 AUTO ZOOM LENS 两 种 手动变倍镜头一般用于科研项目而不用在闭路监视系统中 在监控很大的场面时 摄像头通常要配合电动镜头和云台使用 电动镜头的好处是变焦范围大 既可以看大范 围的情况 也可以聚焦某个细节 再加上云台可以上下左右的转动 可视范围就非常大 了 电动镜头有 6 倍 10 倍 15 倍 20 倍等多种倍率 如果再知道基准焦距 就可以 确定镜头焦距的可变范围 例如一个 6 倍电动镜头 基准焦距为 8 5 毫米 那么其变焦 范围就是 8 5 到 51 毫米连续可调 视场角为 31 3 到 5 5 度 电动镜头的控制电压一般 是直流 8V 16V 最大电流为 30 毫安 所以在选控制器时 要充分考虑传输线缆长度 如果距离太远 线路产生的电压下降会导致镜头无法控制 必须提高输入控制电压或更 换视频矩阵主机配合解码器控制 7 焦距的计算 1 公式计算法 视场和焦距的计算 视场系指被摄取物体的大小 视场 的大小是以镜头至被摄取物体距离 镜头焦头及所要求的成像大小确定的 1 镜头的 焦距 视场大小及镜头到被摄取物体的距离的计算如下 f wL W 2 f hL h f 镜头焦距 w 图象的宽度 被摄物体在 ccd 靶面上成象宽度 W 被摄物体宽度 L 被摄物体至镜头的距离 h 图象高度 被摄物体在 ccd 靶面上成像高度 视场 摄取场景 高度 H 被摄物体的高度 ccd 靶面规格尺寸 单位 mm 规格 规格 1 3 1 2 2 3 1 W 4 8 6 4 8 8 12 7 H 3 6 4 8 6 6 9 6 由于摄像机画面宽度和高度与电视接收机画面宽度和高度一样 其比例均为 4 3 当 L 不 变 H 或 W 增大时 f 变小 当 H 或 W 不变 L 增大时 f 增大 2 视场角的计算 如果 知道了水平或垂直视场角便可按公式计算出现场宽度和高度 水平视场角 水平观 看的角度 2tg 1 垂直视场角 q 垂直观看的角度 q 2tg 1 式中 w H f 同上 水平视场角与垂直视场角的关系如下 q 或 q 表 2 中列出了不同尺寸摄像层和不同焦 距 f 时的水平视场角 b 的值 如果知道了水平或垂直场角便可按下式计算出视场角便可 按下式计算出视场高度 H 和视场宽度 W H 2Ltg W 2Ltg 例如 摄像机的摄像管为 17mm 2 3in 镜头焦距 f 为 12mm 从表 2 中查得水平视场角为 40 而镜头与被摄取物体 的距离为 2m 试求视场的宽度 w W 2Ltg 2 2tg 1 46m 则 H W 1 46 1 059m 焦距 f 越和长 视场角越小 监视的目标也就小 图解法 如前所示 摄像机镜头的视场由 宽 W 高 H 和与摄像机的距离 L 决定 一旦决定了摄像机要监视的景物 正确 地选择镜头的焦距就由来 3 个因素决定 欲监视景物的尺寸 摄像机与景物的距离 摄像机成像器的尺寸 1 3 1 2 2 3 或 1 图解选择镜头步骤 所需的视场与 镜头的焦距有一个简单的关系 利用这个关系可选择适当的镜头 估计或实测视场的最 大宽度 估计或实测量摄像机与被摄景物间的距离 使用 1 3 镜头时使用图 2 使用 1 2 镜头时使用图 3 使用 2 3 镜头时使用图 4 使用 1 镜头时使用图 5 具体方法 在 以 W 和 L 为座标轴的图示 2 5 中 查出应选用的镜头焦距 为确保景物完全包含在视场 之中 应选用座标交点上 面那条线指示的数值 例如 视场宽 50m 距离 40m 使用 1 3 格式的镜头 在座标图中的交点比代表 4mm 镜头的线偏上一点 这表明如果使用 4mm 镜头就不能覆盖 50m 的视场 而用 2 8mm 的镜头则可以完全覆盖视场 f vD V 或 f hD H 其中 f 代表焦距 v 代表 CCD 靶面垂直高度 V 代表被观测物体高度 h 代表 CCD 靶面 水平宽度 H 代表被观测物体宽度 举例 假设用 1 2 CCD 摄像头观测 被测物体宽 440 毫米 高 330 毫米 镜头焦点距物 体 2500 毫米 由公式可以算出 焦距 f 6 4X2500 440 36 毫米 或焦距 f 4 8X2500 330 36 毫米 当焦距数值算出后 如果没有对应焦距的镜头 是很正常的 这时可以根据产品目录选择相近的型号 一般选择比计算值小的 这样视 角还会大一些 六 摄像机测试步骤 测试摄像机主要测试晰度和色彩还原性 照度 逆光补偿 其次是测其球型失真 耗电 量 最低工作电压 下面先把清晰度和色彩还原性以及照度 逆光补偿的测量步骤先介 绍一下 1 清晰度的测量 多个摄像机进行测试时 应使用相同镜头 推荐使作定焦 二 可变镜头 以测试卡中心圆出现在监视器屏幕的左右边为准 清晰准确的数出已给的刻 度线共 10 组垂直线和 10 组水平线 分别代表着垂直清晰度和水平清晰度 并相应的一 组已给出了线数 如垂直 350 线水平 800 线 此时最好用黑白监视器 测试时可在远景 物聚焦 也可边测边聚焦 最好能两者兼用 可看出此摄像机的差异 对远近会聚 2 彩色还原性的测试 测试此参数应选好的彩色监视器 首先远距离观察人物 服饰 看有无颜色失真 拿色彩鲜明的物体对比 看摄像机反应灵敏度 拿彩色画册放在摄像 机前 看画面勾勒得清晰程度 过淡或过浓 再次应对运动的彩色物体进行摄像 看有 无彩色拖尾 延滞 模糊等 测试条件如此摄像最代照度在 50V 时应在 50 10V 照度情况 下测量 即每摄像机最代照度基础上加十伏 且光圈应保持最接近状态 3 照度 将摄像机置于暗室 暗室前后为有源 220V 自炽灯 处设调压器 以调压器 调节电压高代来调节暗室内灯的明暗 电压可以从 0V 调到 250V 室内光照也可从最暗 调至最明 测试时把摄像机光圈均开至最大时记录下一个最低照度值 把有源灯用调压 器调暗至看不清暗室内置画面 再把光圈打至最小再记录下一个最低照度值 也可前后 灯分别调压明灭 4 逆光补偿 测试此参数有两种方法 一种是在暗室内 把摄像机前侧调压灯打开 调至最亮时 然后在灯的下方放置一图画或文字 把摄像机迎光摄像 看图像和文字能 否看清 画面刺不刺眼 并调节 AL AX 拔档开关 看有无变化 哪种效果最好 另一种 是在阳光充足的情况下把摄像机向窗外照 此时看图像和文字能否看清楚 5 球型失真 看球型失真把测试卡置于摄像机前端使整个球体出现在屏幕上 看圆球 形有无椭圆 把摄像机前移 看圆中心有无放大 再远距离测试边 角 框有无弧形失 真等 6 耗电量 最低工作电压 使用万用表测量电流 使用小稳压器调节电压看 七 摄像头的安装调试 镜头的安装方式 有 C 式和 CS 式两种 两者的螺纹均为 1 英寸 32 牙 直径为 1 英寸 差别是镜头距 CCD 靶面的距离不同 C 式安装座从基准面到焦点的距离为 17 562 毫米 比 CS 式距离 CCD 靶面多一个专用接圈的长度 CS 式距焦点距离为 12 5 毫 米 别小看这一个接圈 如果没有它 镜头与摄像头就不能正常聚焦 图像变得模糊不 清 所以在安装镜头前 先看一看摄像头和镜头是不是同一种接口方式 如果不是 就 需要根据具体情况增减接圈 有的摄像头不用接圈 而采用后像调节环 如松下产品 调节时 用螺丝刀拧松调节环上的螺丝 转动调节环 此时 CCD 靶面会相对安装基座向 后 前 运动 也起到接圈的作用 另外 如 SONY JVC 采用的方式类似后像调节环 它的固定螺丝一般在摄像头的侧面 拧松后 调节顶端的一个齿轮 也可以使图像清晰 而不用加减接圈 AGC ON OFF 自动增益控制 摄像头内有一个将来自 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 然而在亮光照的环境下 放大器将过载 使视频信号畸变 当开关在 ON 时 在低亮度条件下完全打开镜头光圈 自动增加增益以获得清晰的图像 开关在 OFF 时 在低亮度下可获得自然而低噪声的图 像 ATW ON OFF 自动白平衡 开关拨到 ON 时 通过镜头来检测光源的特性 色温 从而自动连续设定白电平 即使特性 色温改变也能控制红色和蓝色信号的增益 ALC ELC 自动亮度控制 电子亮度控制 当选择 ELC 时 电子快门根据射入的光 线亮度而连续自动改变 CCD 图像传感器的曝光时间 一般从 1 50 到 1 10000 秒连续调节 选择这种方式时 可以用固定或手动光圈镜头替代 ALC 自动光圈镜头 需要注意的是 在室外或明亮的环境下 由于 ELC 控制范围有限 还是应该选择 ALC 式镜头 在某些独特的照明条件下 可能出现下列情况 在聚光灯或窗户等高亮度物体上有强烈的拖尾或模糊现象 图像显著地闪烁和色彩重现性不稳定 白平衡有周期性变化 如果发生这些现象 应使用 ALC 镜头 以固定光圈镜头采用 ELC 方式时 图像的景深可能小于使用 ALC 式镜头所获得的景 深 因此 摄像头在完全打开固定光圈镜头而采用 ELC 方式时 景深会比使用 ALC 式镜 头时小 而且图像上远处的物体可能不在焦点上 当镜头是自动光圈镜头时 需要将开关拨到 ALC 方式 BLC ON OFF 背光补偿开关 当强大而无用的背景照明影响到中部重要物体的清 晰度时 应该把开关拨到 ON 位置 注意 当与云台配用或照明迅速改变时 建议把该开关放在 OFF 位置 因为在 ON 位置 时 镜头光圈速度变慢 如果所需物体不在图像中间时 背光补偿可能不会充分发挥作用 LL INT 同步选择开关 此开关用以选择摄像头同步方式 INT 为内同步 2 1 隔行同 步 LL 为电源同步 有些摄像头还有一个 LL PHASE 电源同步相位控制器 当摄像头使 用于电源同步状态时 此装置可调整视频输出信号的相位 调整范围大概是一帧 调整 需要专业人员进行 VIDEO DC 镜头控制信号选择开关 ALC 自动光圈镜头的控制信号有两种 当需 要将直流控制信号的自动光圈镜头安装在摄像头上时 应该选择 DC 位置 需要安装视频 控制信号的自动光圈镜头时 应该选择 VIDEO 位置 当选择 ALC 自动光圈视频驱动镜头时 还会有一个视频电平控制 VIDEO LEVEL L H 可能需要调整 该控制器调节输出给自动光圈镜头的控制电平 用以控制镜头光圈 的开大和缩小 即进光量 在摄像头的配件中 有一个黑色的小插头 插头有四个针 联接摄像头上的黑色插 座 如果用 DC 驱动的自动光圈镜头 镜头上已经作好了插头 只要插在插座上 把选择 开关拨到 DC 即可 如果用视频驱动的自动光圈镜头 需要用户根据说明书上的标注 用 烙铁焊好 由于厂家定义不同 所以焊法也有区别 请安装时留意 SOFT SHARP 细节电平选择开关 该开关用以调节输出图像是清晰 SHARP 还 是平滑 SOFT 通常出厂设定在 SHARP 位置 FLICKERLESS 无闪动方式 在电源频率为 50 Hz 的地区 CCD 积累时间为 1 50 秒 如果使用 NTSC 制式摄像机 其垂直同步频率为 60Hz 这样将造成视觉影像不同步 在 监视器上出现闪动 反之 在电源为 60Hz 的地区用 PAL 制式摄像机也会有此现象 为克 服此现象 在电子快门设置了无闪动方式档 对 NTSC 制式摄像机提供 1 100 秒 对 PAL 制式摄像机提供 1 120 秒的固定快门速度 可以防止监视器上图像出现闪烁 手动电子 快门 有些用户使用 CCD 摄取运动速度比较快的物体 如果用 1 50 秒速度拍摄 会产生 拖尾现象 严重影响图像质量 有些摄像头给出了手动电子快门 使 CCD 的电荷耦合速 度固定在某一值 例如 1 500 1 1000 1 2000 秒等等 此时 CCD 的电荷耦合速度提高 这样采集下来的图像相对来说会减少拖尾现象 而且对于观测高速运动或电火花一类物 体 必须使用此设置 所以 某些专用摄像头给出了手动电子快门 提供给特殊用途的 用户 手动电子快门的调整需要参看随机说明书 在此就不再赘述了 补充说明 有很多用户要求在晚间没有光线的环境下监控 请注意 由于 CCD 摄像 头同样是靠光线反射来成像 如果没有光 它的图像只会是一片漆黑再加上很多雪花 如何得到图像呢 一种方法是加可见光照明 如路灯 探照灯 一种是加红外灯 特别 是要求不能安装可见光源的场合 对于彩色 CCD 摄像头 对红外光响应不够 有一些日 夜两用彩色摄像头在夜间会自动转成黑白模式 所以 您的监控系统要求夜间使用 一 定要采用黑白 CCD 摄像头 红外灯有室内 室外 短距离和长距离之分 一般常用室内 10 20 米范围的红外灯 由于墙壁的反射 图像效果还不错 用在室外长距离的红外灯效果就不会很理想 而且 价格昂贵 不到必要时一般不采用 第二节 球形云台 随着电视监控行业的迅速发展 其技术也有了许多突飞猛进的改进 近年来发展起来的 球形云台摄像机 简称球机 就是其突出代表之一 球机以其外形美观 隐蔽 个性化 安装方便等特点正在逐步取代传统云台防护罩 但针对球机自身的特点 我们也应有深 入的了解 以在工程中注意选择 合理配置 科学使用 一 球机分类及构造 一般来讲 球机在功能上主要分为普通球机和高速预置球机 在这里 我们主要讨论普 通球机 普通球机主要指球机内置的云台为普通云台或无内置云台 二 影响球型云台性能的主要因素及对策 就当今球机技术来讲 影响球机性能及质量的因素是多方面的 但主要来自如下各方面 1 透光球罩 简称球面 图像清晰度下降主要原因 球面材质 球面表面光洁度 球面制造工艺解决方案 选用光学亚加力材料 其透光率好 球面光洁度高 不能有任何缺陷 包括 不平 凹凸起 划伤 气泡等 球面制造工艺精良 严格控制出模时间 温度等 此外 作业现场干净 整洁 无尘也是重要的控制因素 图像重影一这是最经常出现的故障 也是用户及工程商不容易发现的故障 主要原因 参见图 B 图 B 图像重影原因示意 球面曲率的大小 比如 9 比 14 重影机会多 球面 过大 球面各部分厚薄不均匀 选用镜头倍数与球罩尺寸不匹配 原因分析 因为摄像机成像一般都是由像素构成 上述原因均可导致成像重影 参见图 B 解决方案 大倍数镜头尽量选用大尺寸球机 尽量选用 小的球面 选用 尽量相近的球面 球面厚薄尽可能一致且均匀 根据镜头倍数 合理购置球机尺寸 透光率下降 主要原因 球面颜色 因为球机的一大优点是隐蔽性 因此隐蔽性越强就要求球罩颜色越深 由此深色球 面的负作用是透光率下降 解决方案 根据现场光照度 选择球面颜色 尽量选择低照度摄像机 合理选择球面颜色 一般选用浅烟 浅蓝等 可折中解决此矛盾 反光 主要原因 球机内部有反光物 摄像机与球面距离过远 旋转角度与外部光源形成光多角度反射 解决方案 球机内尽量减少反光物 安装中尽量将摄像机与球面接近 尽量避免球机与外部光源构成不合理反射位置 三 球机结构 一般来讲 在户外使用的摄像机故障大大多于室内使用 究其原因主要是因为户外摄像 机防护设备问题 而恰恰是防护问题大大降低摄像机和镜头使用寿命及工作的可靠性 因此科学的结构设计同样是球机性能的重要指标 户外型 高温 防雨 加热除霜是三大重要难点 高温 户外高温主要是阳光直射 一般球机在室外阳光直射下 内部可达 55 60 一 般防护罩可采用内部风冷方式降温 但风冷条件是对流 而球机没有对流渠道 因此球 机最佳降温手段是遮阳 先进球机的设计均采用双层结构设计 如图 A 所示 双层对流 通风设计更是有效降温的最佳手段 一般来说 选用双层遮阳罩的球机可降低球机内部 温度 3 5 而单就单层顶罩来讲 其材料也十分重要 一般铝材顶罩保温效果最差 工程 ABS 次之 而 DMC 玻璃钢等材料保温效果要明显优于上述材料 防雨与密封 优秀球机对防雨和密封要求很高 防雨不仅要考虑雨量 而且要考虑雨水方向 我 国沿海等地区经常有台风 其雨水方向是全方位的 因此对球机密封要求很高 一般来 讲 漏雨进水主要来自几个方面 球机本身设计装配不良 球面与顶罩接触部分不密封或密封不好 通过球机支架进水 安装过程没有按照说明书指导在关键部分做防水处理 如支架与球机联结部 支架 与墙体联结部等 安装中球机出线处理不好 水顺导线进入球机 注意上述要点可大大减少漏水可能 加热与除霜 由于球机中摄像机和镜头均在球机内下部 因此球机内的加热功能设计要十分合理 一般来讲 加热器安装在球机上部 并应配有同步小型风扇 将热量吹向球机下部及球 面 以起到加热摄像机和镜头并除霜的作用 目前 最新设计是将加热器安装在球机的内侧壁 同时配同步风扇 其优点如图 C 所示 科学地使加热风在球机内循环 不会形成热风阻流及产生死气流区 最大限度使 其加热均匀 起到加热 除霜 除水气的目的 图 C 侧壁加热及风扇热流循环设计 电机及内部结构设计 电机是云台和球机关键部件 一般来讲 针对目前国内外电机技术衡量电机优良的 主要指标是其可靠性 因此 电机在一定温度 湿度条件下连续运行的小时数是硬指标 此外 电机乱向 卡死 停机 发热 噪声 干扰等也都是云台电机的重要指标 选用 优良电机可大大提高球机寿命和可靠性 内部结构设计的科学性 实用性 如 摄像机托板可上下调节 如前述 可最大限 度地使摄像机接近球罩 内部走线合理 安装接线方便 云台回差小 连续转动抖动小 转速设计合理等也是重要指标 四 球机发展趋势及展望 目前国外球机发展主要发展趋势有如下凡方面 1 外形 球机外观与安装现场环境的和谐 美观 2 小型化 适应目前摄像机 镜头小型化及一体化趋势 球机也向小型化发展 3 隐蔽性 根本上解决隐蔽与透光率低的矛盾 将是球机发展的根本性革命 4 向高速 变速预置球发展 总之 目前球机发展正处在取代传统云台防护罩的时候 而部分条件下也正处在被高速 预置球机取代的地位 但无论如何 普通球机仍以其价格低 适用性强 无需通信协议等 安装调试方便被大多数用户所青睬 第三节 云 台 云台是安装 固定摄像机的支撑设备 它分为固定和电动云台两种 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 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 云台根据其回转的特点可分为只能左右旋转的水平旋转云台和既能左右旋转又能上下旋 转的全方位云台 一般来说 水平旋转角度为 0 350 垂直旋转角度为 90 恒 速云台的水平旋转速度一般在 3 10 s 垂直速度为 4 s 左右 变速云台的水平 旋转速度一般在 0 32 s 垂直旋转速度在 0 16 s 左右 在一些高速摄像系 统中 云台的水平旋转速度高达 480 s 以上 垂直旋转速度在 120 s 以上 第四节 防护罩 防护罩是监控系统中重要的组件 它是使摄像机在有灰尘 雨水 高低温等情况下正常 使用的防护装置 防护罩一般分为两类 一类是室内用防护罩 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体 既可自动加