摄像机原理、应用、主要功能

摄像机基础培训（一）

前言

CCTV系统的四大部分：前端部分（摄像机、镜头、云台、解码器、防护罩、支架等）、传输部分（同轴电缆、光纤、电话线、网线、无线等）、中心控制部分（矩阵主机、控制键盘、多媒体等）、显示记录部分（监视器、画面分割器、画面处理器、录像机等）。

电视监控用摄像机按摄像器件划分为电真空摄像器件(即摄像管)摄像机和固体摄像器件(CCD器件、CMOS器件)摄像机两大类。电真空摄像管开发早、种类多，但成本高，体积大。目前已被一般电视监控系统选用的固体摄像器件所代替，后者是近年发展起来的一类新型摄像器件，它的优点是：惰性小、灵敏度高、抗强光照射、几何失真小、均匀性好；抗冲振，没有微音效应；小而轻、寿命长。电视监控用摄像机目前正朝着小型化、轻量化、廉价化，并提高图像质量、增加操作功能的方向发展。

CMOS摄像机

CMOS传感器的感光度一般在6到15Lux的范围内，CMOS传感器有固定比CCD传感器高10倍的噪音，固定的图案噪音始终停留在屏幕上好像那就是一个图案，因为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。

但有2个例外，CMOS传感器可以做得非常大并有和CCD传感器同样的感光度，CMOS传感器非常快速，比CCD传感器要快10到100倍，因此非常适用于特殊应用如high ens DSC camera ( Cannon D-30 )或者高帧摄像机。

CMOS传感器可以将所有逻辑和控制器都放在同一个硅芯片块上，可以使摄像机变得简单并易于携带，因此CMOS摄像机可以做得非常小。

CMOS摄像机尽管耗能与CCD摄像机同等或者略高，但是CMOS传感器使用很少的芯片如CDS、TG和DSP，所以同样尺寸的总能量消耗比CCD摄像机减少了1/2到1/4。尽管CCD表示“电荷耦合器件”，而CMOS表示“互补

金属氧化物半导体”，但是不论CCD或者CMOS对于图像感应都没有用，真正感应的传感器称做“图像半导体”，CCD传感器和CMOS传感器（暂且如此称呼）实际使用的都是同一种传感器“图像半导体”，图像半导体是一个P N结合半导体，能够转换光线的光子爆炸结合处成为成比例数量的电子。电子的数量被计算信号的电压，光线进入图像半导体得越多，电子产生的也越多，从传感器输出的电压也越高。CCD称为“电荷耦合器件”，CCD实际上只是一个把从图像半导体中出来的电子有组织地储存起来的方法。

CMOS称为“互补金属氧化物半导体”，CMOS实际上只是将晶体管放在硅块上的技术，没有更多的含义。传感器被称为CMOS传感器只是为了区别于CCD传感器，与传感器处理影像的真正方法无关。

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CMOS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。

CCD耦合摄像机

一、耦合式摄像机现有技术及原理

无论彩色摄像机还是黑白摄像机，都是通过CCD本身的电子扫描将光信号转变为电信号，其光电转变的器件都是采用了CCD器件，CCD是电耦合器件（Charge Couple Device）的简称，因此也称为耦合摄像机。它是通过采用HYPER HAD（HOLE ACCUMU-LATED DIODE，空穴累积二极管）CCD技术。当被摄物体反射光线，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、整形、DSP（数字信号处理）等一系列处理，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。

耦合摄像机的主要传感部件是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，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。

二、耦合摄像机的现有技术

目前彩色摄像机和黑白摄像机技术以日本的SONY公司生产的芯片最为领先。其他的芯片生产商有日本的SHARP、PANASONIC、韩国LG、SAMAUNG 等。

A、DSP技术

所谓数字机是指在摄像机内图像信号处理上采用数字技术（DSP）。新型摄象机对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。它是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）摄象机。该种摄象机具有以下优点：

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。常规摄象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摄象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。

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。传统的摄象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摄象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，该摄象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，可将由摄象机彩色噪声引起的图像混叠减至最少。

3、由于数字信号具有频谱效率高、抗干扰能力强、失真少等，便于直接产生数字图像信号，所以数字输出的摄像机己普通使用。目前CCD 摄像机己处于成熟期，灵敏度、图像分辨率、图像色彩还原性等均己达到了很高的水平，功能日臻完善。

B、CCD电子灵敏度（照度）提高

由于彩色摄像机和黑白摄像机所用CCD器件均对光线的照度有要求。所以在光线较暗的场所要选低照度的摄像机。目前市场上标榜的低照度摄像机无论是进口厂商或是国产厂商，对低照度的定义众说纷纭，莫衷一是。彩色摄像机从0.0004LUX～1LUX，黑白摄像机从0.0003～0.1LUX均有，昼夜型（COLOR/MONO）摄像机的照度在国内市场上甚至标示最低数值为0LUX，我们不禁要问：“摄像机乃光学原理制成，0照度下如何成像？”白天彩色/晚上黑白（COLOR/MONO）摄像机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（若搭配红外线，则均可达0LUX），它是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。这就是国内市场在CCTV产业的技术规格方面并无统一标准，而产生各说各话的情况。

行业内人士强调，照度能低到多少，不仅要看镜头的光圈大小（F值），更要看是在什麽条件限制下才能出现所标示的LUX值，否则只是流于数字的游戏罢了！以光圈大小（F值）而言，光圈愈大则其所代表的F值愈小，所需的照度愈低。另外电子灵敏度（ELECTRONIC、SENSITIVITY）是否提高，单一画面累积帧数为多少？红外线是ON还是OFF？……等都应了解清楚，才不致被规格所标示的照度数值所混淆。

全光谱高灵敏感应（超低照度）摄像机与红外灯

请看下面的光谱图：

红色曲线是目前最先进的CCD的感应光谱，过去的CCD通常只能感应到可见光区域（500nm-700nm）的影像，这种先进的CCD却能感应到可见光、红外光、远红外光（350nm-110nm）的影像；但仅仅能感应到影像是不够的，还必须运用先进的数码电路技术对感应到的影像进行处理，才能输出高清晰的图像信号，这种技术能够将CCD感应到的微弱信号大幅度提升，但并不会过分

放大本来已经很强的信号，经过处理的摄像机感应光谱如图中的黑色曲线所示，均匀地覆盖整个光谱区域，700nm-800nm是人眼最易受干扰的区域，所以将这部分滤掉了。

怎样才能使摄像机做到低照度呢？首先我们分析一下影响照度的几个部分，我们知道摄像机最为核心的部件是CCD图像传感器。CCD （ChargeCoupled/Device）称为电荷藕合器件，它可以把外界的影像通过光学系统（镜头、滤光片）在图像传感器上成像。目前，最新的Exview HAD技术可以使CCD具有更高感光度，其主要的技术改进是在传统的Hyper HAD结构中，有一个OCL镜头定位在CCD上的每一个像素，使光线集中的拍摄感光区域，令感度提高。Exview HAD在此基础上更进一大步，使OCL拥有接近零间隙结构，消除了每个微型镜头拍摄时产生的无影区域，这令小孔累积层收到最大数量的光线。

采用Exview HAD CCD的摄像机，对外界光线的敏感程度会大大提高，在近红外区域，其感度更可以高到普通摄像机的4倍，（图略），因此，即使在非常暗的环境下，这种摄像机通常可以看到人眼看不到的物体，因此，这一技术的出现，迎合了监控市场的需求，美国天霸系列摄像机采用的是当今技术最领先的CCD及数字处理蕊片，对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）。

我们可以看出，在近红外760mm-1100mm的近红外区域，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。

红外灯是一种比较特殊的照明方式,它是利用人眼感觉不到的近红灯波长的光谱来提供照明,因此,它具有隐蔽性好,发光效率高等优点,但目前也存在着不足之处,主要是只能提供黑白图像,另外造价相对较高.。JI30红外照明灯，采用大功率的半导体砷化镓蕊片，配合高效的光学系统，其发光效率可以比可见光的照明效果更为理想。我们从实验效果看到，

目前这种组合的监控系统的应用前景十分广泛，特别是政府机关、军队、公安、海关等安全部分都迫切需求这种高清晰度的彩色转黑白监控方式。一方面保留了彩色摄像机在白天获取信息量大的优势，另一方面克服了传统的彩色摄像机无法在黑暗的环境下获取图像的缺点。所以，这必将是监控系统前端的

发展趋势。不难预料，在不久的将来，所有的监控用的摄像机都将具备这样的功能。

超低照度摄像机是近年来随着半导技术的提高而发展起来的监控行业的又一个热点产品。由于闭路电视监控系统在安全技术防范领域的发展很快，目前已广泛应用到金融、文博、酒店、写字楼、交通管理、交通运输、商业、医院、工厂、学校、住宅小区物业管理等各个领域。传统的摄像机由于难以满足24小时连续监控（因为不可能在任何地点都做到24小时照明）的需求，新一代的超低照度摄像机抓住这一良机迅速发展起来。

夜间监视用的低照度摄像机因有碍于技术与价格的问题而极少有人问津，随着市场需求的不断提高，人们不再满足于普通摄像机所能达到的一般标准（彩色摄像机在1LUX/F1.2，黑白摄像机在0.1LUX/F1.2），于是供应者为了使夜间监视同样获得清晰影像，便在摄像机外加装红外线投射器，以照亮所监视的环境，也即后面所讲到的白天彩色/晚上黑白（COLOR/MONO）摄像机。然而有些场所并不适合灯光照明，因此微光超低照度摄像机一直有着特定市场需求。近两年来随着元件技术提升及厂商的投入研制，适用于CCTV领域的低照度摄像机正稳步成长。

C、低照度摄像机在中国市场的演进过程

低照度摄像机在中国市场的演进简单分为以下三步：白天彩色/晚上黑白（COLOR/MONO或DAY&NIGHT）；低速快门（SLOW/SHUTTER）及超感度摄像机（EXVIEW/HAD）。

a、白天彩色/晚上黑白（昼夜型摄像机COLOR/MONO）

此类摄像机目前在市场上仍有其特定的需求群，昼夜型（COLOR/MONO）摄像机的照度在国内市场上最低标示数值甚至为0LUX，我们不禁要问：“摄像机乃光学原理制成，0照度下如何成像？”

白天彩色/晚上黑白（COLOR/MONO）摄像机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，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，早期像PHILIPS（飞利浦）、IKEGAMI（池上）、日本JVC曾采用2颗SENSOR（1颗彩色、1颗黑白）共用一组电路再行切换，目前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1LUX～3LUX）即利用数位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，此种作法虽可在夜晚达到“低照度”的目的，白天却有影像模糊，色彩不自然的缺点，并且摄像机的摄像距离会受到红外灯照射距离的限制。据厂商表示，为了弥补此一缺点，日本SANYO曾推出利用马达控制滤光片开合(即随着彩色/黑白影像的切换,开合滤光片)的机种,但此机种似乎也已于市场消失。然而,COLOR MONO摄像机是否属于“低照度”摄像机,仍相当具争议性,专家指出,真正的“低照度摄像机”应指摄像机本身(所采用的元件,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。

b、低速快门（SLOW/SHUTTER）

此类摄像机又称为（画面）累积型摄像机，是利用电脑记忆体的技术，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，运用SLOW SHUTTER技术降低摄像机照度至0.008LUX/F1.2（×128），并且画面能够累积的帧数(128帧)是属于甚至包括进口品牌再内的领先水平。此类型低照度摄像机适用于禁止红、紫外线破坏的博物馆，夜间生物活动观察，夜间军事海岸线监视等，属性较静态场所的监视。

目前属于此类型的低照度摄像机，以台湾厂商利凌（lilin）为主导，进口品牌有NEC、IKEGAMI、FUJULSU、MITSUBISHI、SAMSUNG等，大多数进口品牌价格昂贵，且累积帧数少（32帧），如日本池上（IKEGAMI）ICD-870P 照度0.03/F1.2（×32）。为此，工程商、经销商更为青睐的应属于技术上同样领先的台湾博凯（P-CAM）。

c、超感度摄像机（EXVIEW/HAD）

超感度摄像机（EXVIEW/HAD），又称24小时摄像机，为98年全世界最热门的机种，其彩色照度可达0.05LUX，黑白则可达0.003-0.001LUX（亦可搭配红外线以达0LUX）不仅能清晰的辩识影像，更是实时连续的画面。

此类型摄像机主要是采用SONY元件厂推出的EXVIEW/HAD/CCD（超感CCD），其运用专利技术将CCD每一画素的开口率提高，进而达到更低照度的要求，展示了其无与伦比的夜视效果,其采取的技术是EXVIEW HAD CCD+

画面累积技术，并且基本消除了拖影现象，估计以目前全球技术而言也属于领先水平。但该CCD的制程成本要高。

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三、耦合式摄像机的用途及应用范围：

耦合式摄像机将光信号转变为图像信号的设备。它是闭路电视监控系统的重要组成部分，是闭路电视监控系统的前端部分。因其图像质量好且价格低廉，而得到广泛应用。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。

四、耦合式摄像机实现的主要功能：

1、自动增益控制（AGC ON/OFF）技术；

2、数字化控制CCD光圈功能，摄像机会自动变化电子快门（ALC/ELC）速度来控制光敏器件的曝光时间；

3、BLC（背景光补偿功能）功能；

4、ATW PRO（自动跟踪白平衡）；

5、SHARP（图像勾边方式）；

6、交流电源线锁相、同步功能；等等。