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1、 摄像机基础知识深圳市九星守护神数字技术有限公司高级工程师 刘君目 录摄象机原理图31、HAD感测器32、ON-CHIP MICRO LENS43、SUPER HAD CCD44、NEW STRUCTURE CCD45、EXVIEW HAD CCD5CCD的内容51依成像色彩划分52依分辨率灵敏度等划分53按CCD靶面大小划分 64按照度划分，CCD又分为7镜头的计算公式8镜头的分辨率8镜头的分类9光圈10滤光片10滤除红外线:10修整进光:10CCD为什么能看到红外线10摄像机的可调整功能12自动增益控制12背景光补偿12电子快门13白平衡13自动白平衡13手动白平衡14摄像机机板方案14防
2、水等级15视频压缩格式191）M-JPEG192）H.263193）MPEG-1204）MPEG-2205）MPEG-4216）H.26422摄像机基础知识摄象机原理图 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，因此是理想的摄像组件。CCD产品问世已有30多年，从当时的20万像素发展到目前的500800万像素，无论其市场规模还是其应用面，都得到了巨大的发展，以下是索尼公司按年代划分而发展的C
3、CD传感器简介：1、HAD感测器HAD（HOLE-ACCUMULATION DIODE）传感器是在N型基板，P型，N+2极体的表面上，加上正孔蓄积层，这是SONY独特的构造。由于设计了这层正孔蓄积层，可以使感测器表面常有的暗电流问题获得解决。另外，在N型基板上设计电子可通过的垂直型隧道，使得开口率提高，换句换说，也提高了感度。在80年代初期，索尼将其领先使用在可变速电子快门产品中，在拍摄移动快速的物体也可获得清晰的图象。2、ON-CHIP MICRO LENS80年代后期，因为CCD中每一像素的缩小，将使得受光面积减少，感度也将变低。为改善这个问题，索尼在每一感光二极管前装上微小镜片，使用微小
4、镜片后，感光面积不再因为感测器的开口面积而决定，而是以微小镜片的表面积来决定。所以在规格上提高了开口率，也使感亮度因此大幅提升。3、SUPER HAD CCD进入年代后期以来，CCD的单位面积也越来越小，1989年开发的微小镜片技术，已经无法再提升感亮度，如果将CCD组件内部放大器的放大倍率提升，将会使杂讯也被提高，画质会受到明显的影响。索尼在CCD技术的研发上又更进一步，将以前使用微小镜片的技术改良，提升光利用率，开发将镜片的形状最优化技术，即索尼 SUPER HAD CCD技术。基本上是以提升光利用效率来提升感亮度的设计，这也为目前的CCD基本技术奠定了基础。4、NEW STRUCTURE
5、 CCD在摄影机的光学镜头的光圈F值不断的提升下，进入到摄影机内的斜光就越来越多，使得入射到CCD组件的光无法百分之百的被聚焦到感测器上，而CCD感测器的感度将会降低。年索尼公司为改善这个问题，将彩色滤光片和遮光膜之间再加上一层内部的镜片。加上这层镜片后可以改善内部的光路，使斜光也可以被聚焦到感光器。而且同时将硅基板和电极间的绝缘层薄膜化，让会造成垂直CCD画面杂讯的讯号不会进入，使SMEAR特性改善。5、EXVIEW HAD CCD比可视光波长更长的红外线光，也可以在半导体硅芯片内做光电变换。可是至当前为止，CCD无法将这些光电变换后的电荷，以有效的方法收集到感测器内。为此，索尼在1998年
6、新开发的“EXVIEW HAD CCD”技术就可以将以前未能有效利用的近红外线光，有效转换成为映像资料而用。使得可视光范围扩充到红外线，让感亮度能大幅提高。利用“EXVIEW HAD CCD”组件时，在黑暗的环境下也可得到高亮度的照片。而且之前在硅晶板深层中做的光电变换时，会漏出到垂直CCD部分的SMEAR成分，也可被收集到传感器内，所以影响画质的杂讯也会大幅降低。CCD的内容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。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。 2依分辨率灵敏度等划分 影像像素在3
7、8万以下的为一般型，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。 像素也叫分辨率，是指可以显示出的水平和垂直像素的数组，其值通常与若干显示方式相对应。分辨率为795（H）596（V）时，就是指在摄像机CCD面阵的竖向上划分了795个像素点，横向上划分了596个像素点。像素是衡量摄像头的一个重要指标之一，CCD是由面阵感光元素组成，每一个元素称为像素。一些产品都会在包装盒标着30万像素或35万像素。一般来说，像素较高的产品其图像的品质越好。但另一方面也并不是像素越高越好，对于同一个画面，像素越高的产品它的解析图像的能力越强，为了获得高分辨
8、率的图像或画面，它记录的数据量也必然大得多，对于存储设备的要求也就高得多，因而在选择时应注意相关的存储设备。3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
9、面尺寸为宽3.2mm*高2.4mm，对角线4mm 镜头焦距搭配1/3 CCD搭配1/4 CCD二者差的异性2.8 mm89.975.614.33.6 mm75.7 62.213.54 mm69.9 57.012.96 mm50.0 39.810.28 mm38.5 30.48.112 mm26.2 20.55.716 mm19.8 15.44.425 mm10.6 8.32.360 mm5.3 4.11.24按照度划分，CCD又分为普通型 正常工作所需照度13LUX 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
10、可以成像 照度是反映光照强度的一种单位，其物理意义是照射到单位面积上的光通量，照度的单位是每平方米的流明（Lm）数，也叫做勒克斯（Lux）： 1Lux=1Lm/平方米，Lm是光通量的单位，。 1LUX大约等于1烛光在1米距离的照度，我们在摄像机参数规格中常见的最低照度（MINIMUM.ILLUMINATION），表示该摄像机只需在所标示的LUX数值下，即能获取清晰的影像画面，此数值越小越好，说明CCD的灵敏度越高。一般情况：夏日阳光下为100，000LUX；阴天室外为10000LUX；室内日光灯为100LUX；距60W台灯60CM桌面为300LUX；电视台演播室为1000LUX；烛光20CM远
11、处为1015LUX；烛光1米远处为1LUX；夜间路灯为0.1LUX；所有的CCD摄像机都是设计工作在1/50,1/601/12000秒的快门速度，因此最低照度等级或者称为感光度在使用 F1.2 和5600k条件下限制在3到6Lux。星光模式CCD摄像机专有数字讯号处理器能使得CCD的快门速度低到 110 秒，因为长时间快门打开的物理原理，CCD可以收集到更多的光子，因此比传统摄像机提高100到600倍的感光度例如：我们的摄象机快门为1/50秒到1/10000秒的范围，把快门设置为自动，室外情况下的快门可以达到1/10000秒，在室内快门在1/120秒之间。我们可以看到，摄象机的照度越低，而图象
12、的连贯性也就也慢，还会出现拖尾的现象，这种现象我们叫做慢快门 也称为侦累积，就是每秒内重叠多幅图象，多次暴光来实现。假设：每秒抓8次图象快门才关闭，慢快门后，每秒抓18幅图象快门才关闭，快门越慢图象连贯就也慢而获的光子就也多，就会提高摄象机的照度。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。镜头的计算公式设被摄物体的高度和宽度分别为H、W，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h、w，则计算公式如下： f=hD/
13、H f=wD/W例如：被照物体是一个大门，宽度为12米，摄象机跟门的距离为20米，使用的是1/3”的摄象机，配用的镜头就要 f=wD/W=4.8mm20/12=8mm3.6为1/3”CCD宽的系数，1/2”CCD宽的系数6.4mm就是以上说介绍的如果要计算被照物体的高度的话：就要与被照物体的高度和CCD高度的系数来计算： f=hD/H=3.6mm20/12=6mm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：镜头分辨率画幅格式的高度。由于摄像机靶面大小已经标准化，如英寸摄像机
14、，其靶面为宽6.4mm高4.8mm，英寸摄像机为宽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，对英寸格式摄像机，镜头的分辨率应大于对线，摄像机的靶面越小，对镜头的分辨率越高。注意：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。（如果1/3镜头装于1/2摄像机就会出现黑角）镜头的分类常用的镜头种类包括：手动/自动光圈定焦镜头和自动光圈变焦镜头两种。定焦镜头分为标准镜头和广角镜头两种。定焦镜头的适用范围如下：手动光圈镜头：所需监视的环境照度变化不大，如室内。自动光圈镜头：所需监视的环境照度变化大，如室外。自动光圈镜头有二种驱动方式：一类为视频输入型Video driver(with Amp)，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，另一类称为DC输入型(DC driverno Amp)，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。二种驱动方式产品不具可互换性。 1/3 CCD 搭
