深入浅出安防视频监控系统

佳能的大部分数码单反相机都是采用了CMOS传感器，适马的SD10也是采用了Foveon X3技术的CMOS，尼康也在今年联合索尼开发出了千万像素级别的CMOS芯片，用在了他们的顶级数码单反相机D2X上。几年前人们还称CMOS是“未来的传感器”，如今CMOS已改变了这种身份，甚至可以和CCD分庭抗礼，我们只能感叹科学技术的日新月异。 现在图像传感器在移动电话以及摄录像机和数码相机方面都面对着一个急速成长的市场。欧洲、韩国及日本制造商却关注着带内置照相机的移动电话，它将给图像接收设备创造一个不断成长的市场。 1.2.CCD图像传感器 CCD的结构就象一排排输送带上并排放满了小桶，光线就象雨滴撒入各个小桶，每个小桶就是一个像素。按下快门拍照的过程，就是按一定的顺序测量一下某一短暂的时间间隔中，小桶中落进了多少“光滴”，并记在文件中。一般的CCD每原色的光度用8位来记录，即其小桶上的刻度有8格，也有的是10位甚至12位，10位或12位的CCD在记录色彩时可以更精确，尤其是在光线比较暗时。早期的CCD是隔行扫描的，同一时刻，每两行小桶，只有一行被测量，这样可以提高快门速度，但图像精度大为降低。 随着技术的进步，人们已能让CCD记录在几十分之一秒，甚至几千分之一秒的时间里，落进各个“小桶”的“光滴”的量，所以，新的CCD一般都是逐行扫描的。 全帧传输(FullFrame Transfer)CCD和隔行传输(Interline Transfer)CCD： 普通消费级的数码相机商采用的都是隔行传输CCD，它在一块半导体上集成制造出感光器件：光电二极管和一些电路。每个单元呈整齐的矩阵式排列，行数乘以列数就是这个CCD的像素数量。每个像素单元中有大约30％的面积用来制造光电二极管，在剩余的可用面积中，会放置一个转移寄存器。在接受一个指令后，光电二极管感受到的光强，会被放置在这个转移寄存器中并暂时存储在这里，这是一个模似信号。接着就是把这每一个像素中的光强值，变成数字信号，再由相机中的处理器组合成一幅数字图像。由于每个像素单元中，真正用于感光的面积只占30％左右，所以它的感光效率比较低。所以在真正的成品中，会在每个像素单元的上面，再放一个小的光学镜片，我们把它叫做“微透镜”。微透镜在光电二极管的正上方，面积造得比较大，这样就能把更多的入射光集中到光电二极管上，使等效的感光面积达到像素面积的70％左右。 全帧传输CCD和隔行传输CCD的工作原理：柯达的专业数码相机中采用的CCD是全帧传输CCD。在每个像素单元中，有70％的面积用来制造光电二极管。整个像素的框内几乎全是感光面积。不需要也没办法放置更大面积的光学镜片来提高它的采光量。它的读出顺序和隔行传输CCD是一样的。这种结构的好处是，可以得到尽量大的光电二极管，达到更好的成像质量。可以说，同样的CCD面积，全帧传输肯定会有更好的性能。全帧传输CCD在感光器件中的每个光电二极管的有效像素的面积更大，从而可以捕捉到更多的图像数据。一般而言，全帧传输CCD能够捕捉到的有效图像数据大约是隔行传输CCD的两倍，从而具有更大的动态范围、更低的噪点和较高的感光度等优点，从而改善了暗部和高光部分的细节表现。但是全帧传输CCD不能输入视频图像，不能用液晶屏做取景器，必须以机械快门配合工作。奥林巴斯的E-1也是采用了这种CCD。 原色CCD和补色CCD：实际上CCD本身是不能分辨颜色的，所以，在实际应用时需要使用色彩滤镜，一般地就是在CCD器件的滤镜层涂上不同的颜色。滤镜上不同的色块按G-R-G-B(绿-红-绿-蓝)的顺序象马赛克一样排列，使每一片“马赛克”下的像素感应不同的颜色。例如，在一个130万像素的CCD上，有325000个像素感应红色，325000个像素感应蓝色，650000个像素感应绿色。在一个使用这种CCD的分辨率为1280x1024的数码相机中，有640x512个红色像素、640x512个蓝色像素和640x1024个绿色像素，绿色像素多一点，是因为人类眼睛对绿色的敏感性和对其它颜色不一样。最后在记录图像时，每个像素的真实色彩就是它与周围像素象混合的平均值。目前大多数数码相机都是采用这种CCD。而补色CCD使用了另一种排列方式的滤镜，它的颜色是直接涂在CCD表面的，其色彩是按C-Y-G-M(青-黄-绿-洋红)的顺序排列的，每个像素的最终颜色也是取其与周围像素的平均值，但这种算法更为复杂一些。在一个分辨率为1280x1024的使用这种CCD的数码相机中，有640 x 512个青色像素，640x512个黄色像素640x512个绿色像素以及640x512个洋红色像素。佳能的早期数码相机，比如PowerShot Pro70、PowerShot A50就是采用了这种CCD。 超级CCD：富士的“超级CCD”技术发展于1999年，八角形的光电二极管和蜂窝状的像素排列大大改善了每个像素单元中的光电二极管的空间有效性。这对于同样数量像素的传统CCD而言，它有更高的灵敏度、更高的信噪比和更广泛的动态范围。普通CCD由于在互相垂直的轴上间隔较大，使其水平和垂直分辨率低于对角线上的分辨率，而“超级CCD”互相垂直的轴上间隔变窄，因此水平和垂直分辨率高于对角线上的分辨率，这也就意味着水平和垂直分辨率得到了相对提高。超级CCD的另一意义是使CCD的面积与像素矛盾得以缓和。因为要提高影像质量就必须增加CCD的像素，因此在CCD尺寸一定的情况下，增加像素就意味着要缩小了像素中的光电二极管。我们知道单位像素的面积越小，其感光性能越低，信噪比越低，动态范围越窄，因此这种方法不能无限制地增大分辨率，所以，如果不增加CCD面积而一味地提高分辨率，只会引起图像质量的恶化。但如果在增加CCD像素的同时想维持现有的图像质量，就必须在至少维持单位像素面积不减小的基础上增大CCD的总面积。而目前更大尺寸CCD加工制造比较困难，成品率也比较低，因此成本也一直降不下来，这一矛盾对于CCD而言是难以克服的。“超级CCD”其像素按45度角排列为蜂窝状后，控制信号通路被取消，节省下的空间使光电二极管得以增大，而八角形的光电二极管因更接近微透镜的圆形，从而可以比矩形光电二极管更有效的吸收光。光电二极管的加大和光吸收效率的提高使每个像素的吸收电荷增加，从而提高了CCD的感光度和信噪比。“超级CCD”发展到了第四代，技术已经比较成熟，但目前为止仅有富士一家相机厂商采用。 1.3.CMOS图像传感器 CMOS传感器采用与存储器及逻辑IC同样的互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺。传统上，CMOS传感器的灵敏度较低，在灯光暗淡场合转发的图像质量不佳。因此，即使CMOS传感器的灵敏度较低，且可运用单一电源，但在大批量产品中的应用依然落在了CCD图像传感器的后面。 今天情况正在发生变化。CMOS图像传感器除了在移动终端及电子手持或图像设备应用时具有低功耗优势，之外，其灵敏度也取得了新的进展。移动电话极大的市场潜力，促使许多公司跨入CMOS图像传感器领域。夏普是首先进入的公司之一，它为日本移动服务提供商J-Phone开发了一种内置照相机的移动电话机。该产品获得巨大成功，为其他同类制造商铺平了发展道路。 器件的图像质量通过工艺与电路技术进步而大获改善，在最低照相机亮度方面的灵敏度尤有改进。东芝公司年初推出了一种VGA级传感器TCM5063T和CIF传感器TCM5073T，在黑暗处摄录较之普通产品，其输出电压只及三分之一，灵敏度高一倍，最低照明亮度只要3勒克斯。它采用的是新开发的低漏泄电源光电二极管。 像CCD传感器一样，封装技术是CMOS传感器面临的一大问题，问题在于如何缩小包括信号处理LSI在内的照相机模块尺寸。富士通公司为此开发成功一种CMOS传感器模块尺寸为7.80×6.98×4.98mm，体积0.27cc。这种单芯片产品采用了公司自己的凸点芯片载体(BCC-Bump Chip Carrier)封装，这是一种无引线模压线键合的芯片规模封装，采用树脂凸点。不久，公司还将推出另一类传感器模块系列，采用更低漏泄电流的改进工艺技术。 1.4.CCD与CMOS的比较 CCD存储的电荷信息，需在同步信号控制下一位一位地实施转移后读取，电荷信息转移和读取输出需要有时钟控制电路和三组不同的电源相配合，整个电路较为复杂，速度较慢。CMOS光电传感器经光电转换后直接产生电压信号，信号读取十分简单，还能同时处理各单元的图像信息，速度比CCD快得多。 CCD与CMOS两种传感器在“内部结构”和“外部结构”上都是不同的[12]。CCD器件的成像点为X－Y纵横矩阵排列，每个成像点由一个光电二极管和其控制的一个电荷存储区组成；CCD仅能输出模拟电信号，输出的电信号还需经后续地址译码器、模数转换器、图像信号处理器处理，并且还需提供三相不同电压的电源和同步时钟控制电路。CMOS器件的集成度高、体积小、重量轻， 它最大的优势是具有高度系统整合的条件，因为采用数字——模拟信号混合设计，从理论上讲，图像传感器所需的所有功能，如垂直位移、水平位移暂存器、传感器阵列驱动与控制系统（CDS）、模数转换器（ADC）接口电路等完全可以集成在一起，实现单芯片成像，避免使用外部芯片和设备，极大地减小了器件的体积和重量。安捷伦科技[13]采用一种新型的业内标准——32针CLCC（陶瓷无引线芯片载体）研制出应用CMOS图像传感器的数码相机原型产品，只有30mm×30mm×2.5mm大小，非常适合工程监控和工厂自动化等领域。 从功耗和兼容性来看[14]，CCD需要外部控制 信号和时钟信号来获得满意的电荷转移效率，还需要多个电源和电压调节器，因此功耗大；而CMOS-APS使用单一工作电压，功耗低，仅相当于CCD的1/10-1/100，还可以与其他电路兼容，具有功耗低、兼容性好的特点。 CCD传感器需要特殊工艺，使用专用生产流程，成本高；而CMOS传感器使用与制造半导体器件90％的相同基本技术和工艺，且成品率高，制造成本低，目前用于摄像的50万像素的CMOS传感器不到10美元。 CCD使用电荷移位寄存器，当寄存器溢出时就会向相邻的像素泄漏电荷，导致亮光弥散，在图像上产生不需要的条纹。而CMOS-APS中光探测部件和输出放大器都是每个像素的一部分，积分电荷在像素内就被转为电压信号，通过X-Y输出线输出，这种行列编址方式使窗口操作成为可能，可以进行在片平移、旋转和缩放，没有拖影、光晕等假信号，图像质量高。 高速性是CMOS电路的固有特性，CMOS图像传感器可以极快地驱动成像阵列的列总线，并且ADC在片内工作具有极快的速率，对输出信号和外部接口干扰具有低敏感性，有利于与下一级处理器连接。CMOS图像传感器具有很强的灵活性，可以对局部像素图像进行随机访问，增加了工作灵活性。 2.光学成像原理 一个成像系统主要包含以下几个要素： 1. 视场 ：能够在显示器上看到的物体上的部分 ·分辨率 ：能够最小分辨的物体上两点间的距离 2. 景深：成像系统能够保持聚焦清晰的最近和最远的距离之差 。 3. 工作距离：观察物体时，镜头最后一面透镜顶点到被观察物体的距离。 4. 畸变 ：由镜头所引起的光学误差，使得像面上各点的放大倍数不同，导致变形 5. 视差 ：是由传统镜头引起的，在最佳聚焦点外物体上各点的变化，远心镜头可以 解决此题。 6. 图像传感器尺寸 ：图像传感器（一般是 CCD 或 CMOS ）有效的工作区域，一般指的是水平尺寸。对所希望的视场来说，这个参数对决定预先放大倍数（ PMAG ）是很重要的。多数图像传感器的长度与宽度之比是 4:3 7. 预放大倍数 ：是指视场与图像传感器尺寸的比值，这个过程是由镜头来完成的。 8. 系统放大倍数 ：是指显示器上的图像与实际物体大小的比值，也就是整个系统的放大倍数。它也可以写成预放大倍数与电子放大倍数的乘积，而电子放大倍数则是显示器尺寸与图像传感器尺寸的比值。 9. 分辨率 ：分辨率的大小表征了对物体上细节的辨别能力，下图简单的说明了物体上的两个方块区域成像到 CMOS/CCD相机上。可以看出，因为图像传感器上像素间的距离已经确定，如果想要区分物体上很近的两点，它们之间必须隔开一定的距离。 3.摄像机 3.1.摄像机的原理与作用 摄像机的组件主要有传感器、芯片、外壳，其中传感器和芯片是决定摄像机功能和性能的主要元件。摄像机是获取监视现场图像的前端设备，它以面阵CCD 图像传感器为核心部件，外加同步信号产生电路、视频信号处理电路及电源等。 摄像机的传感器分为CCD 与CMOS 两种，CMOS 传感器是一种通常比CCD 传感器低10 倍感光度的传感器。因为人眼能看到1Lux 照度（满月的夜晚）以下的目标，CCD 传感器通常能看到比人眼略好在0.1~3Lux，是CMOS 传感器感光度的3 到10 倍。近年来，新型的低成本CMOS 图像传感器有了较快速的发展，基于CMOS 图像传感器的摄像机已开始被应用于对图像质量要求不高的可视电话或会议电视系统中。由于CMOS 图像传感器的分辨率和低照度等到主要指标暂时还比不上CCD 图像传感器，因此，在电视监控系统中使用摄像机仍为CCD 摄像机。CCD 是电耦合器件（Charge Couple Device）的简称，CCD 传感器的优点是：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，是代替摄像管传感器的新型器材。CCD 的工作原理是：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。 3.2.摄像机的主要技术指标 1、CCD 尺寸：亦即摄像机靶面，原多为1/2 英寸，现在1/3 英寸的已普及化，1/4 英寸和1/5 英寸也已商品化。 2、CCD 像素：是CCD 的主要性能指标，它决定了显示图像的清晰程度，分辨率越高，图像细节的表现越好。CCD 是由面阵感光元素组成，每一个元素称为像素，像素越多，图像越清晰。现在市场上大多以25 万和38 万像素为划界，38 万像素以上者为高清晰度摄像机。 3、水平分辨率：彩色摄像机的典型分辨率是在320 到500 电视线之间，主要有330 线、380 线、420线、460 线、500 线等不同档次。常用的黑白摄像机的分辨率一般为380-600， 分辨率是用电视线（简称线TV LINES）来表示的，彩色摄像头的分辨率在330~500 线之间。分辨率与CCD 和镜头有关，还与摄像头电路通道的频带宽度直接相关，通常规律是1MHz 的频带宽度相当于清晰度为80 线。 频带越宽，图像越清晰，线数值相对越大。一般的监视场合，用400 线左右的黑白摄像机就可以满足要求。而对于医疗、图像处理等特殊场合，用 600 线的摄像机能得到更清晰的图像。 4、最小照度：也称为成像灵敏度。是CCD 对环境光线的敏感程度，或者说是CCD 正常成像（输出正常图像信号）时所需要的最暗光线的数值。照度的单位是勒克斯（LUX），数值越小，表示需要的光线越少，摄像头也越灵敏。 月光级和星光级等高增感度摄像机可工作在很暗条件，2~3lux 属一般照度，现在也有低于1lux 的普通摄像机问世。黑白摄像机的灵敏度大约是0.02-0.5Lux(勒克斯)，彩色摄像机多在1Lux 以上。0.1Lux的摄像机用于普通的监视场合；在夜间使用或环境光线较弱时，推荐使用0.02Lux 的摄像机。与近红外灯配合使用时，也必须使用低照度的摄像机。另外摄像的灵敏度还与镜头有关，0.97Lux/F0.75 相当于2.5Lux/F1.2 相当于3.4Lux/F1.照度（又称灵敏度）。在摄像机的技术指标中，往往还提供最低照度的数据。在选择时，这个数据更为直观，所以具有一定的价值。最低照度与灵敏度有密切的关系，同时与信噪也比有关。 5. 电子快门：电子快门的时间在1/50-1/100000 秒之间，摄像机的电子快门一般设置为自 动电子快门方式，可根据环境的亮暗自动调节快门时间，得到清晰的图像。有些摄像机允许用户自行手动调节快门时间，以适应某些特殊应用场合。 6. 外同步与外触发：外同步是指不同的视频设备之间用同一同步信号来保证视频信号的同步，它可保证不同的设备输出的视频信号具有相同的帧、行的起止时间。为了实现外同步，需要给摄像机输入一个复合同步信号(C-sync)或复合视频信号。外同步并不能保证用户从指定时刻得到完整的连续的一帧图像，要实现这种功能，必须使用一些特殊的具有外触发功能的摄像机。 7. 光谱响应特性：CCD 器件由硅材料制成，对近红外比较敏感，光谱响应可延伸至1.0um 左右。其响应峰值为绿光(550nm)，分布曲线如右图所示。夜间隐蔽监视时，可以用近红外灯照明，人眼看不清环境情况，在监视器上却可以清晰成像。由于CCD 传感器表面有一层吸收紫外的透明电极，所以CCD 对紫外不敏感。彩色摄像机的成像单元上有红、绿、兰三色滤光条，所以彩色摄像机对红外、紫外均不敏感。 8．扫描制式：有PAL 制和NTSC 制之分。 9、摄像机电源：交流有220V、110V、24V，直流为12V 或9V。 10、信噪比：表示在图像信号中包含噪声成分的指标，是指摄像机的图像信号与它的噪声信号之比，信噪比用分贝dB 表示，信噪比越高越好，在显示的图像中，表现为不规则的闪烁细点。噪声颗粒越小越好，典型值为46db，若为50db，则图像有少量噪声，但图像质量良好；若为60db，则图像质量优良，不出现噪声，达到65dB 时，用肉眼观察，已经不会感觉到噪声颗粒存在的影响了。摄像机的噪声与增益的选择有关，一般摄像机的增益选择开关应该设置在0dB 的位置 进行观察或测量 。在增益提升位置，则噪声自然增大。反过来，为了明显的看出噪声的效果 ，可以在增益提升的状态下进行观察。在同样的状态下，对不同的摄像机进行对照比较，以判别优劣。噪声还和轮廓较正有关，轮廓较正在增强图像细节轮廓的同时，使得噪声的轮廓也增强了，噪声的颗粒增大，在进行噪声测试时，通常应该关掉轮廓校正开关。 11、视频输出：多为1Vp-p、75Ω，均采用BNC 接头。 12、镜头安装方式：有C 和CS 方式，二者间不同之处在于感光距离不同。 13、逆光补偿：在某些应用场合，视场中可能包含一个很亮的背景区域，如逆光环境下的门、窗等，而被观察的主体则处于亮场包围之中，画面一片昏暗，无层次。此时，逆光补偿自动进行调整，将画面中过亮场景降低亮度，并同时提升暗的场景，整个视场的可视性可得到改善。 14、电源同步鎖定（L、L）：是一种利用交流电源来锁定摄像机场同步脉冲的一种同步方式。当有交流电源造成的网波干扰时，将此开关拔到L.L 位置即可。 15、自动增益控制（AGC）：通过检测视频信号平均电平自动调节增益的电路，具有AGC 功能的摄像机，在低照度时的灵敏度会有所提高，但此时的噪点也会比较明显。在低照度时自动增加摄像机的灵敏度，从而提高图像信号的强度来获得清晰的图像。 16、自动电子快门：当摄像机工作在一个很宽的动态光线范围时，如果没有自动光圈，可采用自动电子快门档，以固定光圈或手动光圈来实现，此时，快门速度从1/60S（NTSC）1/50S PAL 1/10000S范围连续可调，从而可不管进来光线的强度变化而保持视频输出不变，提供正确的曝光。 17、自动白平衡：其用途是使摄像机图像能精确在复制景物颜色，一般处理方式是取画面的2/3 的颜色进行平衡运算，求出基准值（近似白色）来平衡整个画面。 18、轮廓校正：所谓轮廓校正，是增强图像中的细节，使图像显得更清晰，更加透明。但是轮廓校正也只能达到适当的程度，如果轮廓校正量太大，则图像将显得生硬。此外，轮廓校正的结果将使得人物的脸部斑痕变得更加突出。因此，新型的数字摄像机设置了在肤色区域减少轮廓校正的功能，这是智能型的轮廓校正区域。这样，在改善图像整体轮廓的同时，以保持了人物脸部比较光滑。但是具有轮廓校正功能的摄像机在电视监控领域很少使用，一般只出现广播电视领欲。 19、伽玛校正系数：r=0.45.典型直。 摄像机摄取的图像在监视器上显示出来，要求屏幕上显示的图像亮度必须与被摄景物上的亮度成比例，由于传输系统的非线性能关系，往往会引起重现图像的亮度失真及色度失真，CCD 图像传感器，显像管，决定电视线。 3.3.摄像机的分类 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，在各商家列出的闭路电视监控器材清单中的摄像机通常都是不带镜头的（一体化摄像机除外），因此在实际应用中，应根据目标物体的大小和摄像头与物体的距离，及监控现场的实际环境及用户要求，为摄像机配合适的镜头摄像机有黑白和彩色之分，由于黑白摄像机具有高分辨率、低照度等优点，特别是它可以在红外光照下成像，因此在电视监控系统中，黑白CCD 摄像机仍具有较高的市场占有率。CCD 芯片就像人的视网膜，是摄像头的核心。目前我国尚无能力制造，市场上大部分摄像头采用的是日本SONY、SHARP、松下、LG 等公司生产的芯片，现在韩国也有能力生产，但质量就要稍逊一筹。 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，可选用黑白摄象机。 2、依分辨率划分：分辨率是 CCD 的主要性能指标，它决定了显示图像的清晰程度，分辩率越高，图像细节的表现越好。 CCD 是由面阵感光元素组成，每一个元素称为像素，像素越多，图像越清晰。现市场上大多是 25 万和 38 万像素摄像头。其中影像像素在38 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。分辨率是用电视线（简称线 TV LINES ）来表示的，彩色摄像头的分辩率在 330 — 500 线之间。分辩率与 CCD 和镜头有关，还与摄像头电路通道的频带宽度直接相关，通常规律是 1MHz 的频带宽度相当于清晰度为 80 线。频带越宽，图像越清晰，线数值相对越大。 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。