目前,监控摄像设备已大量应用于各个领域,既有普通的单路、多路视频监控,如家用的监控装置,还有远程网络系统监控与录像系统,如常见的天网系统。在这些监控摄像设备中,摄像头是一个重要的器件,如图1所示。
摄像头主要由镜头与感光元件组成,感光元件位于镜头的后方,如图2所示。镜头是一个光学器件,完成对图像光学信号的捕捉;感光元件是一个光电转换器件,将光信号转化为电信号。目前,主流监控摄像头的感光元件采用CCD (ChargeCouple Device,电荷耦合器件)元件,与早期的CMOS感光元件相比,CCD的感光度是CMOS的3到10倍,能大幅提高图像的清晰度。
镜头是监控摄像设备的眼睛,为了适应不同的监控环境和要求,需要配置不同规格的镜头,例如:室内监控,需要图像清晰且视角大的广角镜头;室外停车场监控,既要看到停车场全貌,又要尽可能看到汽车的细部,就需要广角和变焦镜头;如高速道路行车监控,就需要超远焦距镜头。
1.镜头的主要参数
(1)焦距(f)
焦距是指从透镜中心到一个平面的距离,该平面是指可产生清晰影像的平面,常为感光元件所在平面。改变镜头的焦距,可以改变镜头的放大倍数,即改变拍摄图像的大小。增加镜头的焦距,放大倍数增大,可以将远景拉近,远景的细节看得更清楚,但画面的范围缩小了;如果减少镜头的焦距,放大倍数减少,画面的范围扩大,能看到更大的场景。
(2)视场角
在工程中,常用水平视场角来反映画面的拍摄范围,如图3所示。焦距f越大,视场角越小,在感光元件上形成的画面范围越小;反之,焦距f越小,视场角越大,在感光元件上形成的画面范围越大。
光圈安装在镜头的后部,光圈开得越大,通过镜头的光量就越大,图像的清晰度越高;光圈开得越小,通过镜头的光量就越小,图像的清晰度越低。通常用F(光通量)来表示。F=焦距(f)/通光孔径。在摄像头的技术指标中,常常看到6mm/F1.4这样的参数,它表示镜头的焦距为6mm,光通量为1.4,这时我们可以很容易地计算出通光孔径为4.29mm。在焦距f相同的情况下,F值越小,光圈越大,到达CCD芯片的光通量越大,该镜头就越好。
2.镜头的分类
(1)按镜头安装方式分类
与普通照相机所用卡口镜头不同,所有摄像头的镜头均是螺纹口的,如图4所示,CCD摄像头的镜头安装有两种工业标准,即C安装座和CS安装座。两者的螺纹部分相同,都是1英寸犯牙螺纹座,直径均为25.4mm。不同之处在于安装座从镜头安装基准面到焦点的距离不同,C安装座是17.526mm,而CS安装座的距离则为12.5mm。如果要将一个C安装座镜头装到一个CS安装座摄像头上时,则需要使用镜头转换器,这种转换器叫C-CS接环,如图5所示。
标准镜头:视场角约为30°;当镜头焦距近似等于摄像靶面对角线长度时,则称为标准镜头。在2/3英寸CCD摄像头中,标准镜头焦距为16mm,在1/2英寸CCD摄像头中,标准镜头焦距为12mm,在1/3英寸CCD摄像头中,标准镜头焦距为8mm。
广角镜头:视场角大于55°,焦距为几毫米,能提供较宽广的视景。
远摄镜头:视场角小于20°,焦距为几十厘米或几十分米。这种镜头可在远距离情况下将拍摄的物体影像放大,但观察范围将缩小。
变焦镜头:又称伸缩镜头,有手动变焦和电动变焦两类,可对所监视场景的视场角及目标物进行变换焦距摄取图像,其特点是在成像清晰的情况下,通过镜头焦距的变化来改变图像大小与视场大小,适合长距离摄像。
针孔镜头:镜头端头直径仅为几毫米,可隐蔽安装,用于有特殊要求的环境中
(3)按镜头光圈分类
镜头有手动光圈和自动光圈之分,手动光圈镜头适合于亮度变化较小的场所;自动光圈镜头能在光照度大幅变化时,光圈自动调整,故适合于亮度变化较大的场所。自动光圈有两类:一类是通过视频信号控制镜头光圈,称为视频输入型,另一类是利用机上直流电压直接控制光圈,称为DC输入型。
(4)按镜头焦距分类
短焦距镜头:因入射角较宽,故可提供一个较宽阔的视景。中焦距镜头:一即标准镜头,焦距的长度视CCD靶面的尺寸而定。
长焦距镜头:因入射角较窄,故仅能提供一个狭窄的视景,适用于远距离监视。
二、CCD的主要参数
CCD摄像头具有体积小、重量轻、灵敏度高、寿命长、抗振动及不受电磁干扰等特点,这也正是CCD摄像头取代CMOS摄像头的主要原因。CCD摄像头的技术指标主要有以下几项:
1.清晰度
一般多指水平清晰度。电视监控系统水平清晰度要求彩色摄像头在300线以上,黑白摄像头在350线以上。
2.灵敏度
灵敏度又称最低照度,用1x(勒克斯)表示。一般灵敏度大于0.1lx的摄像头为普通型;低于0.1lx的摄像头为星、月光级高灵敏度型,也称作电子增感摄像头或夜视型摄像头。
3.信噪比
信噪比表示摄像头的图像信号与它的噪声信号之比,用S/N表示。S表示摄像头在假设无噪声时的图像信号值,N表示摄像头本身产生的噪声值(比如热噪声),二者之比即为信噪比,用分贝(dB)表示。信噪比越高性能越好,典型值为46dB。
4.视频输出值
CCD芯片将光信号转换为电信号后,经视频处理电路滤波、放大形成视频信号输出,其值常用峰一峰值表示,多为1 Vp-p~1.2Vp-p,即输出1V~1.2V峰一峰值负极性(同步头朝下)复合视频信号。
5.CCD靶面尺寸
CCD靶面是指CCD芯片成像面。成像面的尺寸规格不同,形成的图像大小也不同。CCD的成像尺寸常用的有1/2英寸、1/3英寸等多种规格,见表1所示。
6.同步方式
现代的CCD摄像头大多采用相位可调线路锁定的同步方式,即以交流电源频率(50Hz)作为用于垂直同步的参考值,而代替了摄像头的内同步发生器。在切换摄像头输出时,图像无滚动,不会造成画面失真。此歹卜还有一个外部调整的相位控制(±90%),所以可获得非常精确的同步。
除了上述几种技术指标外,摄像头的供电电源分为直流和交流两种供电型式,常见的交流供电电压有110V、24V,直流供电电压有24V、12V和9V。摄像头与镜头接口形式有C/CS型之分,扫描制式有PAL-B和NTSC之分。
三、摄像头的选择
摄像头的选择应根据使用场合、监视对象、目标距离、安装环境及监视目的来确定。在实际选择时,首先要注意CCD与镜头的接口,尽量选用同一种工业标准的接口,以免给安装带来麻烦,其次要求镜头成像规格与CCD靶面规格一致,即镜头标明的为1/3英寸,则选用CCD的规格也应为1/3英寸。否则,不能相互配合。如使用1乃英寸CCD,还勉强可以装备1/2英寸镜头,此时摄像现的视场角要比镜头标明的视角小很多;但反过来把1/2英寸镜头用于2/3英寸CCD上时,则图像就不能充满屏幕,图像边缘会发黑或发虚。
当确定了摄像点位置后,就应根据监视目标选择合适的镜头。选择的依据是监视的视野和亮度变化的范围,同时兼顾所选摄像头CCD靶面尺寸。视野决定使用定焦镜头还是变焦镜头,变焦选择倍数范围。亮度变化范围决定是否使用自动光圈镜头。
无论选用定焦镜头还是变焦镜头都要先确定焦距,为了获得最佳的监视效果,一般都应根据工程条件进行计算,计算工式为f=v×d/V(f为焦距,V为视场高,v为像场高,即CCD靶面高;d为物距)。根据计算结果选用标称焦距的镜头,当标称焦距镜头的焦距与计算结果相差较大时,应调整摄像头的安装位置,直至满意为止。
例如:某CCD摄像头采用1/3英寸靶面,用以监视商场收银台,有效范围为2m×2m,摄像头安装于距收银台7m处,这时需配镜头焦距f=v×d/V =3.6×7/2=12.6mm。这时可采用标称焦距为12mm的定焦镜头。变焦镜头焦距的计算方法与定焦镜头一样,只要最大和最小焦距能满足视野要求即可。
一般来说,监视固定目标应该选用定焦镜头。对于具有一定空间范围,并要求对不固定目标进行整体或局部监视时,宜采用变焦镜头并配合云台。
另外,球形摄像头近年来被广泛地应用在宾馆、医院、娱乐场所、营业场等领域,如图6所示。球形摄像头集CCD摄像头、变焦镜头、全方位云台及解码驱动器于一体,可实现云台的高速及无级变速运动,镜头变焦及光圈的精确预置,从而使摄像系统具有自动巡视和部分自动跟踪功能,这样监控系统实现了由单纯的功能型向智能型转变。
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