第三章 摄像机

9第三章摄像机简介一个CCTV系统最重要的部分是摄像机，摄像机有许多种类和许多使用方法。本章内容将仔细探究摄像机的不同类型及其工作的基本原理，还将解释描述摄像机性能的一些术语，以便使大家能够看明白对于可能要购买的各种各样摄像机将会是十分有用的数据表格。到目前为止，还没有统一的方法要求制造商提供明确表示摄像机性能的数据，因此，在做出选择之前，应该认真研究制造商的产品广告，并参照公共的标准作一下比较。摄像机的类型室内用摄像机室内用摄像机通常被指定用于不需要环境保护的室内。正常情况下，摄像机只不过装个镜头，用于观察指定区域，并安装在墙上或者天花板支架上。如果摄像机位于走廊或光线没有变化的区域，那么仅仅使用手动光圈镜头就可以了。在被观察的区域内有窗户或者天窗的情况下，因为光线会发生变化，如果需要摄像机二十四小时监视，那么必须使用自动光圈镜头，或者采用另外一种控制摄像机电子灵敏度的方法（见书中有关电子快门摄像机章节中的内容）。通常情况下，室内用摄像机的外观也很重要，因为建筑师或类似的人都会希望摄像机隐蔽在周围装饰里。在这种情况下，摄像机可安装在保护罩内。从简单的盒式到半球型、楔型以及各种类型，有许多不同外观的保护罩都可以买到。使用室内保护罩还有其他的一些原因，其中最重要的原因是不想让摄像机被人看见。在这种情况下，甚至用隐蔽的保护罩把摄像机遮蔽起来，要不然，也可以把摄像机伪装成某种东西。保护罩同样在一定的情况下提供了一种保护措施，有许多类型的全封闭保护罩可以用于保护摄像机不受到破坏，灰尘或其他污染。室外用摄像机通常所描述的室外用摄像机被用于户外场合。除了摄像机外壳自身是防水的情况外，差不多室外用摄像机总是装在不受气候影响的保护罩内。正常情况，室外用摄像机10保护罩装有加热器和恆温控制器，以防止保护罩前面的玻璃窗在低温情况下结雾。室外用摄像机一直采用电子灵敏度控制形式，这是因为从白天到夜晚期间，光线等级很可能会变化几百万倍。现在，本书想推荐一种控制这种电子灵敏度最有效的方法，该方法是在自动光圈镜头上装一个中性密度光点滤光镜。在第四章和第十三章中，给出有关镜头和光线照度更详细的叙述。电子快门摄像机现在介绍带有“电子快门”的摄像机。摄像机的电子快门是由照射到成像器件上的光线数量来进行控制的。事实上，其作用等效于早期电影摄像机上安装的各种速度的机械快门。在电影摄像机中，通过光电池测量光线能量，光线增强，快门转动加快；光线减弱，快门转动变慢。在两种摄像机中采用了同样的方法，在最高光线等级情况下，限定快门速度在无图像闪烁的有效工作状态，在最低光线等级情况下，使曝光时间足够长，以致运动中的图像出现模糊不清的现象。一些制造商已经声称，电子快门摄像机不需要自动光圈镜。这在所有条件下未必都好，对于光线水平范围受到限制的室内条件是比较理想的。按照通常作法，应该认真查阅制造商的说明书，核对摄像机涵盖的光线范围。另外一个应该意识到的问题是，因为这种摄像机光圈总是被设立在最大孔径，使得景深大大降低。小型摄像机自从CCD摄像问世以来，摄像机的尺寸明显地减少。可买到的各种款式的小型摄像机主要有两大类：一种是一体化摄像机，一种是成像元件与摄像机分离的摄像机。一体化摄像的尺寸类似于一包香烟的大小。如果需要更小的规格，有传感元件分开的摄像机加上传感器模块只25mm见方。由于装镜头和安置摄像机，使得摄像机最小尺寸受到约束。现行设计的顶级摄像机，包括全部电子器件，大约是大拇指甲大小。线路供电摄像机通常，一台CCTV摄像机必须有某种电源供电。虽然，给摄像机供电布电源线或设定电源点存在着费用问题，但是，不是从集体中点敷设电源线就是接就地电源供电。一些摄像机制造商，由于生产利用传输视频信号的同轴电缆供电的摄像机，引发了争议。11按照敷设电源线或者市电源供电的说法，采用线路供电摄像机的CCTV系统费用会低些，然而，这样做有两个缺点：第一，有些摄像机需要特殊的电源供电和独立视频信号的监视器；第二，在电缆延伸过长的情况下，由于电源电不能通过视频放大器，想放大摄像机传来的信号是不可能的。如果在摄像机上有接地线路干扰，而线路供电摄像机不能使用隔离变压器同样也是一个问题。成像传感器的类型电子管摄像机一个电子管摄像机由图3．1中所表示的各种部件组成。成像电子管是一个中空玻璃管，一端是有特殊涂层的窗口。当光线照到窗口上的时候，特殊涂层释放电子，光线越强，释放的电子越多。这些释放出的电子改变了电子管另一端电子枪发射的电子束强度，释放的电子越多，电流越大。在这种方式中，靠光线照射到电子管窗口上生成电流，于是，该电流是照射到电子管窗口上光线的相似物。照射到窗口不同地方的光线数量，被发射到窗口的扫描电子束检测到，通过同步信号发生器电路驱动的扫描线圈生成变化的磁场，可实现这一目的。磁场改变了从窗口上释放电子的位置，在这种情况下，当扫描时，光线较弱的区域产生比光线较强的区域小的电流。变化的磁场使电子按横跨成像管窗口表面的一系列水平线进行释放。成像管电流十分小，仅有几毫安。来自成像管的信号必须经过放大，才能用来生成聚焦在成像管窗口上的图像。放大器进行信号放大工作，在75Ω负载上产生大约1伏的信号。图3．1电子摄像管组成部份放大器还有第二个输出量。这第二个输出量同样生成1伏信号，但是这一输出被用于自动光圈镜头控制上。不同的制造商在电子摄像管的设计上，已经有了各种各样的发展。1951年由RCA（美国无线电公司）设计的最初的电子摄像管被称为光导摄像管（Silicon）。其它的产品名称还有：1963年菲利普公司生产的氧化铅摄像管（Plumbicon）；1973年日立公司生产的塞蒂康视像管（Saticon）；1974年东芝公司生产的纽维康摄像管（Newvicon）。12电子管摄像机能够提供高达1500线的高分辨率图像。电子管摄像机的缺点如下：1．一些类型的电子管，涂层材料用了一段时间释放电荷的能力降低，造成第一幅影像在下一幅影像生成前，存留时间过短，结果导致出现“拖尾”效应，例如，物体运动时所看到的现象。2．如果摄像机长时间停留在一个信号源上，影像会在摄像管上造成永久的灼痕。3．电子束以弧形移动方式横跨摄像管，因磁场控制电子束不是很精确，这造成图像边缘的失真。4．磁线圈与玻璃管组装件易受震动干扰。5．工作状况会受电磁场干扰的影响。传感器规格第一台摄像机的生产采用的是光导摄像管。通过镜头把摄像聚焦在一个对角线大约1″的矩形面积上（见图3．2）。这是第一个1″规格，也被认为是1″规格摄像管的起源。图3．21″摄像管的规格随着摄像管技术的不断完善，减小摄像管的尺寸，进而使制造更小、更便宜的摄像机成为可能。后来的摄像机成像区对角线尺寸是2/3″，于是，出现了第二种规格。在后面一章里将讲解摄像管规格对镜头焦距计算的影响。不过，简单地说，把同样的影像投射到较小规格的传感器上，必须使用较短焦距的镜头，许多新型镜头都是按2/3″的规格制造的。CCD摄像机CCD是ChargeCoupledDevice（电荷耦合器）首字母缩写，这一名称特指一组采用半导体器件制造的光检测集成电路。从图3．3中可以看到，CCD摄像机与电子管摄像机十分相似，镜头把光线聚焦在CCD成像传感器表面，该电子表面上的明暗区被单独的光电二极管上自动检测到，并集结一个与光线或比例的电荷。也就是说，照到单独光电二极管的光线越亮，产生的电荷就越大。这些光电二极管被成行成列地排成一个矩阵，也叫做图像单元或像素，每个像素上的电荷将按照CCD光电管的行列顺序被移走。成13行的CCD对电荷来说，就像排列的梯子，使每个像素能够逐步地产生电荷。从而在CCD上生成光线电平，然后被处理电路快速记录下来。当首台CCD摄像机被开发出来的时候，使人关注的是可能会替代现有的摄像管式摄像机，而不必改变镜头尺寸。因此，第一台CCD摄像机是按2/3″的规格生产的。随着CCD传感器技术的改进，为了制造更小、更便宜的摄像机，CCD摄像机的规格已经减少到1/2″英寸和1/3″英寸，相关的镜头也更加便宜、更加紧凑。在第四章里，将叙述成像器件的规格尺寸问题。图3．3CCD成像器件CCD摄像机与电子管像摄像机的情况相类似，需要一个放大器，将CCD传感器电路的信号提升到监视器能够接收的电平。CCD摄像机同样采用同步信号发生器，产生记录CCD光电平电荷和用于视频监视器复现影像的同步脉冲信号。混频电路将视频和同步信号结合在一起，生成监视器能够使用的复合视频信号。CCD摄像机有许多优点令其广泛应用，正替代电子管摄像机。首先，CCD摄像机耗电少，电压低，这与电子管摄像机不同。正如在小型摄像机一节的内容中讲述的那样，CCD摄像机能比电子管摄像机小非常多。由于电子管摄像机采用磁场方式扫描成像传感器，所以，相比之下，CCD摄像机图像的线性度更好。在给定的区域，甚至是越出这个区域，制造出一个完满的磁场是极为困难的事，这意味着电子管摄像机生产的图像有时会被磁场弄歪曲了，在边缘凸出（桶形失真）或凹入（枕形失真）。CCD不用磁场，因此没有这种几何扭曲变形。图3．4CCD摄像机原理方框图CCD摄像机还比电子管摄像机要耐用得多。观看太阳或其他明亮的光源很容易损坏电子摄像管的荧光面，而且电子摄像管需要定期更换也成日常保养工作。CCD摄像不存在这样的问题，不会因为高强度光线而损坏，也不会因为对准景物时间过久而灼伤传感器表面。同时，CCD摄像机能够经受震动和机械冲击，这可以大大降低CCD摄像机的维护费用。CCD摄像机的优点：没有几何扭曲变形失真14没有线圈、磁场或玻璃成像管没有重影或图像灼痕结构更紧湊，抗振动不受电磁干扰的影响CCD摄像机的缺点是：迄今为止，CCD摄像管还不能提供与管式摄像相比较的分辨率。动态范围小，灰度等级比较少。传感器规格现在各种不同大小和规格的摄像机都可以买到。最初，摄像机的尺寸是由摄像管的直径指定的，但由于传感器的尺寸指的是其对角线规格的大小，所以这一用法至今仍然保留。在图3．5中，用图例来说现在产品流行的几种规格。本章内容涉及的是成像器件规格大小和镜头兼容性之间的关系。图中是如今能买到的典型的大多数摄像机，不过，仍然有很少一部分系统在使用1/2″摄像管和刚出现的1″CCD传感器摄像机。图3．5传感器尺寸SIT摄像机SIT摄像机是SiliconIntensifiedTarget（硅靶强化摄像管）的缩写。SIT摄像机是对光线非常敏感的管式摄像机。在摄像管里装入一个图像增强器，来现实灵敏性的改善。除了用来加速窗口释放的电子的电压比较高之外（从几百伏到过千伏），图像増强器与常规的摄像管基本上相同。比较大的电压使电子移动得更加快速，这些电子轰击到与CCD传感器非常相似的光电二极管阵列，总的效果是对聚焦在增强器前面窗口上的光线进行了放大。在这种情况下，SIT摄像管比常规电子管摄像机或CCD摄像机更灵敏十至一百倍。SIT摄像管比较昂贵，与任何图像增强摄像管一样，易于被高光电平损坏。ISIT摄像机ISIT是IntensifiedSiliconIntensifiedTarget（增强型硅靶强化摄像管）的缩写。除了在SIT摄像管前加增加一个增强管外，ISIT与SIT基本上一样。采用光纤把来自第一个增强器的光线耦合到SIT摄像管。其效果使管式摄像机具有极高的灵敏度，可用于没15有辅助照明条件下，光线非常暗的场合。ICCD摄像机增强型CCD（IntensifiedCCD）也是采用影像增强管来增加摄像机的灵敏度。与ISIT摄像机类似，用光纤把增强管耦合到CCD芯片上。增强器将CCD摄像机灵敏度提升一百倍左右。帧传输和行传输CCD摄像机有两种类型的CCD成像传感器可供采用：帧传输和行传输传感器帧传输CCD在帧传输CCD中，整个像素矩阵上的内容在经过摄像机电路处理之前一起记录到内存。图3．6帧传输CCD在行传输CCD中，各行上电荷是一次一行逐步向下移动记录的，并按照直线行进行处理。图3．7行传输CCD行传输CCD的优点是比帧传输器件小，因此也比帧传输CCD便宜。缺点是逐行向下移动的过程中，明亮的光点生产的带有大量电荷的像素会从一行泄漏到下一行