摄像机的基本原理

1、1 摄像机的基本结构原理<1>普通摄像机组成原理：外壳、镜头、CCD感光元件、基本电路板（含Q9头）、电源模块（一般是220V转12V的变压器） 镜头也就是实现光圈开关、变动焦距功能的器件。CCD感光元件是摄象机中重要的组成部分，它的好坏直接影响到摄象机的质量，感光元件在效果中的体现为视频画面的清晰度，也就是常说的420线、480线、520线等参数。还有CCD按规格分，常见的有1/3、1/4规格，当然还有1/2、2/3、1的规格，由于在成本上考虑，大部分生产商会考虑便宜的1/4、1/3规格的CCD。基本电路板就相当于电脑的主板，也称为“系统总线”所有的器件都要通过它来实现自己的功能

2、。电源模块其实就是个变压器，为电路板和与电路板相连接的器件提供稳定持续的电力供应。（1） 网络摄像机 组成原理：网络摄像机一般由镜头、图像传感器、声音传感器、A/D转换器、图像、声音、控制器网络服务器、外部报警、控制接口等部分组成。 1.镜头 镜头作为网络摄像机的前端部件，有固定光圈、自动光圈、自动变焦、自动变倍等种类，与模拟摄像机相同。图像传感器、声音传感器 图像传感器有CMOS和CCD两种模式。CMOS既互补性金属氧化物半导体，CMOS主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体，通过CMOS上带负电和带正电的晶体管来实现基本的功能的。这两个互补效应所产生的电流即

3、可被处理芯片记录和解读成影像。CMOS针对CCD最主要的优势就是非常省电。不像由二级管组成的CCD和CMOS电路几乎没有静态电量消耗。这就使得CMOS的耗电量只有普通CCD的1/3左右，CMOS重要问题是在处理快速变换的影像时，由于电流变换过于频繁而过热。暗电流抑制的好就问题不大，如果抑制的不好就十分容易出现杂点。CCD图像传感器由在单晶硅基片上呈二维排列的光电二级管及其传输电路构成。光电二极管把光转化成电荷，再经转化电路传送和输出。通常，传送优良图像质量的设备都采用CCD图像传感器，而注重功耗和成本的产品则选择CMOS图像传感器。但新的技术正在克服每种器体固有的弱点，同时保留了适合于特定用途

4、的某些特性。这一部分与模拟摄像机相同。声音传感器即拾声器或叫麦克风，与传统的话筒原理一样。 2.A/D转换器 A/D转换器的功能是将图像和声音等模拟信号转换成数字信号。 基于CMOS模式的图像传感器模块有直接数字信号输出的接口，无须A/D转换器；而基于CCD模式的图像传感器模块如有直接数字输出的接口，亦无须A/D转换器，但由于此模块主要针对模拟摄像机设计，只有模拟输出接口，故需要进行A/D转换。3.图像、声音编码器 经A/D转换后的图像、声音数字信号，按一定的格式或标准进行编码压缩。编码压缩的目的是为了便于实现音/视信号与多媒体信号的数字化；便于在计算机

5、系统、网络以及万维网上不失真地传输上述信号。 目前，图像编码压缩技术有两种：一种是硬件编码压缩，即将编码压缩算法固化在芯片上；另一种是基于DSP的软件编码压缩，即软件运行在DSP上进行图像的编码压缩。同样，声音的压缩亦可采用硬件编码压缩和软件压缩，其编码标准有MP3等格式。4.控制器控制器是网络摄像机的心脏，它肩负着网络摄像机的管理和控制工作。如果是硬件压缩编码，控制器是一个独立部件；如果是软件编码压缩，控制器是运行编码压缩软件的DSP，即二者合而为一。5.网络服务器 网络服务器提供网络摄像机的网络功能，它采用了RTP/RTCP、UDP、bbb、TCP/IP等相关网络协议，

6、允许用户从自己的PC机使用标准的浏览器根据网络摄像机的IP位置对网络摄像机进行访问，观看实时图像，及控制摄像机的镜头和云台。6.外部报警、控制接口 网络摄像机为工程应用提供了实用的外部接口，如控制云台的485接口，用于报警信号输入输出的I/O口。如红外探头发现有目标出现，发报警信号给网络摄像机，网络摄像机自动调整镜头方向并实时录像；另一方面，当网络摄像机侦测到有移动目标出现时，亦可向外发出报警信号。2 摄像机的种类摄像机的种类有普通枪机、半球摄像机、红外摄像机、一体摄像机等。1：普通枪机：这种摄象机是最普遍的监控摄象机，也就是说它是按照监控摄象机的基本组成结构来整理的。这里要强调的是

7、镜头的区别。在枪机上可以安装普通、长距离和广角镜头。按镜头的标准来说以6.0mm镜头为分界线，比其小的一般为广角镜头，角度一般大于30度。比其大的一般为长距离镜头，距离一般要大于30米。2：半球摄象机：这种摄象机除了外壳和普通枪机不同以外，其他的标准都差不多。3：红外摄象机：这种摄象机就是在普通摄象机的基础上配和红外灯来增强夜视效果的摄象机。这里要强调的是CCD感光元件和镜头。有的普通摄象机的CCD就有感红外功能，对于这种摄象机来说，直接加装红外灯就可以了。有的摄象机本身不含感红外功能，这就需要对镜头加以要求，必须是可以感红外的镜头加红外灯才能满足要求。还有，红外灯的有效距离和角度可以根据摄象

8、机本身的有效距离和角度来选配，使用高性能的红外灯配合指标较差的摄象机也是资源浪费。4：一体化摄象机:这种摄象机的使用也非常频繁，它是一种将变焦镜头（分为手动和自动）和摄象机的基本组成元件一起集成起来的一种特殊的监控摄象机。它一般有2中用途：一是与球型云台配合使用，也被称为球机中的“机芯”；二是于红外灯做到一个大的壳子中，被称为红外一体化摄象机3 摄像机的参数摄像机的发展速度很快，从摄像管到CCD元件，以其构成的CCD摄像机具有体积小、重量轻、不受磁场影响、具有抗震动和撞击等特点，同时清晰度、照度、可靠性等指标大大提高而被广泛应用。CCD是Charge Coupled Device（电荷耦合器件

9、）的缩写，它是一种半导体成像器件，因而具有灵敏度高、抗强光、畸变小、体积小、寿命长、抗震动等优点。 被摄物体的图像经过镜头聚焦至CCD芯片上，CCD根据光的强弱积累相应比例的电荷，各个像素积累的电荷在视频时序的控制下，逐点外移，经滤波、放大处理后，形成视频信号输出。视频信号连接到监视器或电视机的视频输入端便可以看到与原始图像相同的视频图像。一、CCD摄像机的分类一按照成像色彩划分 CCD摄像机按成像色彩划分为彩色摄像机和黑白摄像机两种。除色度处理方面不同外，其它原理基本一致。主要有光学系统、光电转换系统、信号处理系统组成。其中光电转换系统是摄像机的核心。 自然图像通过光学镜头成像于摄像机的光靶

10、面上，彩色摄像机的光学系统中使用相干分色棱镜或特殊条状滤色镜将光信号分成红、绿、蓝三色光信号，光电转换系统通过摄像管或CCD元件利用电视扫描方法把光图像信号转换成随时间变化的视频电信号，再经放大、处理、编码而成为全电视信号。二按照分辨率划分 按照分辨率划分为25万像素左右，对应彩色330线/黑白400线的低档型；25万至38万像素之间，对应彩色420线/黑白500线的中档型；38万像素以上，对应彩色大于或等于460线黑白570线以上的高档型。三按照摄像机灵敏度划分 按照灵敏度可分为最低照度1至3lux的普通型；0.1lux左右的月光型；0.01lux以下的星光型以及原则上可以为0Lux，采用红

11、外光源成像的红外照明型。四按照CCD靶面尺寸划分 摄像机摄像器件（CCD）的尺寸分为1英寸、1/2英寸、1/3英寸、1/4英寸等。其中以1/3英寸和1/2英寸最为常见。CCD尺寸 水平（mm） 垂直（mm） 对角线（mm）1英寸 12.7 9.6 162/3英寸 8.8 6.6 111/2英寸 6.4 4.8 81/3英寸 4.8 3.6 61/4英寸 3.6 2.4 4 1/5英寸的CCD摄像机正待开发之中，将来也会在市场上占有一定比例。一般来说，大的CCD芯片，其相应的象素面积也较大，接收所摄光的面积增大，必然使象素输出电荷增多，灵敏度上升，在弱光条件下具有较好的拍摄能力，容易使摄像机整体

12、质量提高，图像细部明显细腻自然。而光学系统聚焦影像时的焦平面越小，则成像过程中丢失的细节就越多，得到的影像放大后细部过渡就可能有突变的现象，显得不自然。另外小尺寸CCD拥有更多的象素和更高的分辨率也会导致单个像素的感光面积缩小，有曝光不足的可能。单个像素的面积越小，其感光性能越低，信噪比越低，动态范围越窄。每个象素上的信息趋于与在它附近的象素的信息混合（在电子学上这个概念叫做色度亮度干扰）。二、CCD传感器的技术发展趋势 CCD是摄像机的核心器件，因此其性能高低将直接影响摄像机的品质，并且CCD的发展是摄像机更新换代的基础。CCD传感器有两种，第一种是特殊CCD传感器，如红外CCD芯片（红外焦

13、平面阵列器件）、高灵敏度背照式和电子轰击式CCD、EBCCD等，另外还有大靶面如2048×2048、4096×4096可见光CCD传感器、宽光谱范围（紫外光可见光近红外光3-5m中红外光8-14um远红外光）焦平面阵列传感器等。目前已有商业化产品，并广泛应用于各个领域。第二种是通用型或消费型CCD传感器，在许多方面都有较大地进展，总的方向是提高CCD摄像机的综合性能。4 摄像机的镜头参数镜头跟角度跟距离的比例相对孔径F光阑F数，F=f/D f=焦距，D=镜头的有效孔径镜头焦距 2.8mm 3.5mm 4mm 4.8mm 6mm 8mm 1/3”CCD视角 86.3° 67.4° 62° 52.2° 42.3° 32.6°物体距离 4.3m 5.4m 6m 7.3m 9m 12m镜头焦距 12mm 16mm 25mm 60mm 73.8mm