Transcript 一、CCD 摄像机的原理CCD

CCD摄像机
一、CCD 摄像机的原理
CCD 摄像机主要由光学系统、光电转换系统、信号处理系统组成。自然
图像通过光学镜头成像于摄像机的光靶面上，光电转换系统通过CCD 元件
利用电视扫描方法把光图像信号转换成随时间变化的视频电信号，再经放大、
处理、编码而成为全电视信号
1)CCD：依靠上面的感光点，把光影像转成电子信号,每一感光点就像一颗
太阳能电池,被光照到后会产生电能,并且能根据光的强度不同产生不同大
小的电能。
2)V-Driver：CCD里的每一个感光点产生的电能, 通过这颗V-DRIVER，产生
不同的脉波,把CCD每点的信号”挤”出来。
3)CDS/AGC: 将CCD里“挤”出来的讯号，在这颗晶片内做”修整”,送进
D.S.P以上三部分, 全都是模拟信号
4)D.S.P：重头戏来了,D.S.P 也就是数字信号处理器, DSP先把模拟信号转
成数字信号,再做一大堆的运算(颜色,亮度,白平衡…..),然后再把数字转
模拟(Encoder,也是包在DSP里头),就是视频输出了.DSP里面比较复杂,我们
所谓通常所说的摄像机方案就是以这颗DSP。
T.G: Timing Gen: 这是在控制整个处理过程的快慢用的,现在一般看
不到了,都包在DSP内了.
二、CCD摄像机的分类
㈠按照成像色彩划分
CCD 摄像机按成像色彩划分为彩色摄像机和黑白摄像机两种。
㈡按照分辨率划分
按照分辨率划分为25 万像素左右，对应彩色330 线/黑白400 线的低档型；
25 万至38万像素之间，对应彩色420 线/黑白500 线的中档型；38 万像素
以上，对应彩色460 线以上，黑白570 线以上的高档型。
㈢按照摄像机灵敏度划分
按照灵敏度可分为最低照度1 至3lux 的普通型；0.1lux 左右的月光型；
0.01lux 以下的星光型，采用红外光源成像的红外照明型，可以为0Lux。
㈣按照CCD 靶面尺寸划分
摄像机摄像器件（CCD）的尺寸分为1 英寸、1/2 英寸、1/3 英寸、1/4
英寸等。其中以1/3” ，1/4” ，1/2”，最为常见。
CCD 尺寸 水平（mm） 垂直（mm） 对角线（mm）
1 英寸
12.7
9.6
16
2/3 英寸 8.8
6.6
11
1/2 英寸 6.4
4.8
8
1/3 英寸 4.8
3.6
6
1/4 英寸 3.6
2.4
4
一般来说，大的CCD 芯片，其相应的象素面积也较大，接收所摄光的面
积增大，必然使象素输出电荷增多，灵敏度上升，在弱光条件下具有较好
的拍摄能力，容易使摄像机整体质量提高，图像细部明显细腻自然。
8mm
6mm
4mm
1/2"CCD°ÒÃæ
1/3"CCD°ÒÃæ
1/4"CCD°ÒÃæ
㈤ 按扫描制式划分
PAL制与NTSC制。 中国采用隔行扫描PAL制式（黑白为CCIR），标准为
625行，50场，只有医疗或其它专业领域才用到一些非标准制式。另外，美
国、日本为NTSC制式，525行，60场（黑白为EIA）。
㈥ 按供电电源划分
110VAC/60HZ（NTSC制式多属此类）， 220VAC/50HZ Or/60HZ，
24VAC/50HZ Or/60HZ。12VDC或9VDC（微型摄像机多属此类）
三、CCD 摄像机常见性能和主要性能指标
3.1 成像元件
这里指的就是CCD,主要区分为彩色,黑白,1/3”,1/4”, 1/2”及品牌。
尺寸:
大小的差别主要在于灵敏度,也就是最低照度,1/4照度会比1/3差,原理很简单:
相同数量的感 光点,摆在1/4上的每一点一定比较小点,他的受光就较少,当然
照度就较差,好处是便宜一些,还有体积较小,板子可以做小一些.
品牌:
以价位来说,从贵到便宜,分别是 Sony, Panasonic,Sharp,A1(L.G)这几种,
Sony 通常会标“Sony Super-HAD CCD”这是Sony的注册商标, 低照度会
标 “Sony Ex-View CCD“ 在一般产品目录上常看到 “ 1/3” SONY
Super- HAD CCD” , Ex-view 也是索尼CCD注册的专有名词, 照度比
Super-HAD 更低,当然价格也贵多了。
3.2 像素:
在PAL制,有752(H) x 582(V),也就是常说的44万像素,及500(H) x 582(V)
也就是常说的25万像素, 在NTSC制,有768(H) x 494(V),也就是所谓38万画
素,及510(H) x 492(V) 也就是所谓25万像素,44万像素,就叫高解,25万就
叫低解,普解或中解.以上讲的像素是指”有效像素”。
3.3 分辩率
25万像素的摄像机,其技术极限大概是320线(注意这里的线数是指水平
分辨率),在十多年前,台湾搞出了摄像机,大概就280-300线之间,但跟日本
比起来就差了一截,怎么办?那就标350线好了,后来又有新公司及韩国搞出
来了,大概在300左右,那就标380条好了,到了近几年,大陆也搞出来了,怎么
办?那就标420好了!, 到现在,全部都标420了,有的甚至标450 ,更让人搞不
懂的是,不管在台湾或是大陆,送去检测,居然也是420线，反正大家已经认
可了这种“潜规则”
44万像素的,技术极限大概在480线左右，一般中台韩做出来大概就是400450之间,同上理,就标480,500,520,550。
还有,最近流行所谓520线的更是个大骗局,为什么他说520线?是因为主
芯片用索尼HQ1(CXD3172AR),翻遍原厂资料,找不到520这个字,只有非官方
说法:是有520线,但仅限Y/C输出.所以只要是HQ1方案,大家就标520，大家
也认可了这种说法。反正多少线数这一块，一般是有“水分”的。
3.4 最低照度:
最简单的定义:在暗房内,摄像机对着被测物,然后把灯光慢慢调暗,直到显
示器上快要看不清楚被测物为止,这时量光线的照度, 就是最低照度.
直观定义：摄像机输出的视频信号幅值为最大幅值的50%,即达到
350mV(标准视频信号最大幅值为700 mV),此时测试到的照度度值则称此摄
像机的最低照度。
测定此参数时还与镜头有关，应特别注明镜头的最大相对孔径
用几毫米镜头,入光量多少,摄像机AGC必须关掉, 几乎没有厂家会去做这种
测试,所以这个参数与上面的分辨率一样，也是有“水分”的，以前,松下
跟索尼的机子低解的标1.1Lux/F1.2,那台湾做出来就标0.5吧,后来的只好
标0.2,你标0.2,我就标0.1,他标0.05…….就这样了.
高解CCD照度会比低解的差，原理是同样芯片面积,一个摆了44万点,一
个摆了25万点,肯定是低解的CCD得到的光点要大
普通型
月光型
星光型
紅外型
正常工作所需照度1-3LUX
正常工作所需照度0.1LUX左右
正常工作所需照度0.01LUX以下
用红外光源成像的红外机，在沒有光线的情況下也可以成像
3.5 信噪比:
任何电路只要通电后都会产生噪声信号,包括元器件及线路本身所产生的,
当然噪声信号越小,画面看起来会越干净,我们用视频信号跟噪声信号的比值
来表示：
信噪比=20log(V2/V1)(dB)
V2指视频信号
V1指噪声信号
注: 以前松下跟索尼的机子信噪比标50 dB ,那台湾做出来就标多少？ 一看
起来就是比较差,不好意思吹牛了,那就标48好,可是不好看?修饰一下
“ >48dB” ，就是这样来的,不论哪家做出来的摄像机,一律就这样标了，也
没有人去测试。
3.6 电子快门
为了让影像亮度正确,我们必须正确控制摄像机的入光量,要调整入光量
要从镜头的光圈及摄像机像机的快门着手
我们用手动镜头时,光圈是固定的,如果这时遇到强光怎办?很简单,在
CCD还没过曝前,D.S.P就赶紧把CCD上的信号”扫”下来,光线强时抓快些,
光线弱时抓慢些,抓一次相当于我门用单反相机时”喀嗏”一声,单反像机
是机械式快门,这里叫”电子快门”。
跟据D.S.P规格书,电子快门速度在PAL制时是1/50-1/100000秒,所以大
家就这样标了,实际应用上，如果机子在太阳下看起来像蒙层细白裟,不是
很清楚,那一般是快门速度不够引起的。
如果用自动光圈镜头,那入光量就由镜头光圈来控制了,这时候，机子本身
快门速度就定在1/50 秒
3.7.背光补偿
什么是背光补偿？这又跟快门速度有关了。举个例子,当一台摄像机装在
ATM上,对着大街,在大太阳下,环境很亮,所以机子快门速度当然是很快的,才
不会过度曝光。这时，如果有人来提款,脸对着镜头,由于目前摄像机采全面
测光, 整体还是很亮,在高速快门下,人脸的曝光量就不足了,会黑黑的,这就是
上面所说的”背光”,一句话：在背面有强光,导致要显示的主体曝光不足而
变黑的情况
所以问题就出在全面曝光上,假使我们只取一部份来测光,比如说中间,那人
脸在中间,这时DSP会测到曝光不足,便会放慢快门速度,这时人脸就清楚了,
但是因为快门速度慢了,导致背景(街上)会过曝而白茫茫一片.
所以,背光补偿就是根据特定的测光区域,调整电子快门(或自动光圈),使得
测光区域内的曝光值正常,不在测光区域内的就不管了。
3.8白平衡
白平衡只用于彩色摄象机,可让摄象机依据照射于物体身体的光源色温
自动调节,让摄象机能配合光源而调整颜色的功能,有自动白平衡(AWB),
自动跟踪白平衡(ATW)和手动白平衡(Manual)三种方式
1) 自动追踪白平衡 (ATW)
ATW对物体的色温变化追踪和侦测，并自动调整白平衡 ,调整范围为
2500~8000K,ATW 最适合于景物的色彩温度不断改变的场合，它可使色
彩表现更自然
2) 自动白平衡 (AWB)
AWB是一项预设功能, 先侦测白色目标并执行白平衡 , 然后, 白平衡设
置好后存储起来,每当进行白平衡时,预设的白平衡设置会被采用，AWB
最适用于有固定光源的地方。
3) 手动白平衡（Manual)
改变图像的红色或兰色状况 , 有多达 107 个等级供调节 , 用以控制
红色和蓝色信号的增益。开手动白平衡将关闭自动白平衡
除此之外，有的摄像机还有将白平衡固定在3200K（白炽灯水平）和
5500K（曰光水平）等档次命令。
3.9 AGC
电子自动增益,是摄像机基本功能,有人为了让画面看来亮些,刻意调得很高,
这样在低照度时，很容易就白茫茫一片,所以一般有AGC开关，让用户自己
来调节，要高就高，要低就低
3.10接头型式:
C-Mount 及 C/S Mount:
又要说故事了,当初做出摄像机时,总得配个镜头,因此搞了个接口标准:
“直径为25.4mm,每英吋32个螺牙,边缘至CCD距离为17.526mm.”
就叫C接口, 摄像机与镜头按照这标准才能搭配.
后来，松下将由八个镜片的镜头改为五个镜片的镜头,省了成本,但是成像
距离短了约五毫米,也就是镜头靠近CCD 5mm。
怎么办? 那就改标准了,把上头”边缘至CCD距离为17.526mm”改为
12.5mm，就叫C/S 接口 ,现在几乎所有机子都用C/S接口,再配一个C/S转C
接口的5mm规格的加长环。
3.11 视频输出
视频输出的标准是1 Vp-p,也就是1伏特(峰峰值)，标都是这样标,但常
有厂家为求看起来”亮”一点,故意增加信号强度,但在外接其它如DVR设备
时由于会引起一些困扰.
3.12 消耗功率:
一般机子在12V 时,大致在90-180mA之间,红外机在红外灯开启时大致在
500-1000mA
四、SONY摄像机的DSP方案
1) SS-1 CXD2163BR
这颗DSP推出也有10年了，可接高解CCD (ICX408AK NTSC, ICX409AK
PAL) 及低解CCD(ICX404AK NTSC ,ICX405AK PAL),索尼长久以来只有这
颗DSP能接高解CCD，因此大家只要想到索尼高解就会想到这颗DSP。
2) SS-11 CXD3141R 或是 CXD3142
这颗DSP在1999年推出,当初把这方案做为低价机种,只能接低解CCD ，
SS-11 只能接低解CCD,但在那时品质还是比其他牌子好些,所谓420线的机
子就是这样来的,拿低解机来冒充高解机也是从这方案来的
现在SONY 420线的方案几乎就用芯片
3) SS-HQ1 CXD3172AR
这颗DSP在2004年推出,就是所谓的520线的方案，这个芯片的问 题 就是
过热,DSP本身温度会高到60度左右,当然如果散热处理得当，还是不会有问
题的， SS-HQ1能接高解也能接低解CCD,而且电源同步也没问题,基本上比
SS-1(CXD2163BR)好多了
4) SS-11X CXD4103R
这颗DSP在2005年推出,是目前索尼最新的DSP,在结构上很像是SS-HQ1的
改良版,不热了,应该有把2163淘汰掉的架式,但这颗芯片目前的缺点是电源
同步杂讯太大。SS-11X能接高解也能接低解CCD
五、常用摄像机选型
在监控系统应用中，摄像机选用十分关键，它直接决定了整个监控系
统的图像效果。
摄像机选用主要依据两个要素进行：
一：摄像机使用环境（应用场合）；
二：摄像机的相关主要参数。
1）摄像机应用场合---摄像机型式的选用
目前摄像机种类繁多，应用场合也不相同。应用场合决定摄像机型式的
选用，要正确选用摄像机，我们必须了解该摄像机的安装场合，确定安装
型式。目前，摄像机安装应用场合主要有：写字楼、酒店、工厂、银行、
监狱、道路等，一般还分为室内与室外使用。
a)枪式摄像机
可安装在室内任何场合，但不太适合监控或安装范围较小的场合
b)半球摄像机
电梯、有吊顶光线变化不大的室内应用场合
c)一体化摄像机
最适合安装在室内监控动态范围较大的场合，也适合安装在室外监控范
围中等的场合（如需监控室外60m半径以内的目标）
d)昼夜型摄像机
适用于环境亮度变化较大场合，如室内外晚上灯光较弱，白天亮度正常
的场合
2) 摄像机相关参数
产品特性：
>高清晰水平520线
采用SONY CCD，有效像素410，000Pixels，水平清晰度高达520线
>日夜黑白转换
根据白天和晚上光线的强弱，自动调整彩色模式和黑白模式。
>电子光圈
电子光圈控制能自动调整快门速度1/60~1/120,000。
>遮蔽区域设置
此项功能可以设置在屏幕上需要遮蔽的区域，以保护隐私。
>高灵敏度
内置的高灵敏度SONY CCD芯片，即使在0.3LUX（0.1LUX黑白模式）
或者0.002LUX（SENS UP开启）情况下也能够得到清晰图像。
>DNR数码减噪功能
采用数码减噪，能减少噪声，提高信噪比，因此即使在黑暗条件下也能
得到较清晰的图像。
>附加功能
SENS－UP，移动侦测，镜像功能，设置图像锐度，内/外同步选择等，都
可以根据不同应用来选择。
六、摄像机简单测试
测试前的准备:
1) 一颗好的镜头:
通常用的是8或9毫米,手动光圈两可变镜头,镜头很关键, 要用好镜头,精工
镜头或Computar
2) 一部好的监视器:
最好用高解析的,500条以上,测分辨率最好用黑白高解析的,但为求方便,彩
色的比较好用, 并将监视器的对比度、颜色、亮度旋钮打到中间。
3)一张摄像机测试图
开始测试:
1.将测试图放正,摄像机对准测试图中心,调整摄像机与测试图距离直到显示
器显示的图型”刚好”占满整个屏幕,也就是,”测试图四角入框”,如果显监
视器!
2),在测试图两旁各放一盏白炽灯,以45度角照在图表上,让图表表面有均匀的
照射光.
3.摄像机尽量装在三脚架或支架上
4.将摄像机背光补偿(BLC)关掉,自动增益(AGC)关掉,白平衡设在ATW,
切到AES(自动电子快门,也就是装手动镜头用的那一档),将镜头光圈开到最
大,调整焦距,让影像调到最清楚为止,这时可以用测试图中间有一圈放射状,
标明 Focus Target 那块图当调焦用,记住,测试图还是要占满全营幕,不多也
不少(四角入框)
5.再把摄像机AES那档切到OFF,,这时屏幕会泛白!把
镜头光圈调小约1/3左右直到影像恢复正确为止,如果
过头了要重来,也就是先把光圈开最大再往回调,不可先
调暗再调亮.
分辨率测试:
仔细看着测试图中有四条向上合成一束的线,(当然是
看屏幕里面的),从下到上,越来越密,直到四条线快合起
来,无法每条分清处,记起来,就是这一点,回过头来去看
那张测视图,找出那点旁边标的线数,就是摄像机的分辨
率!这种测试法误差不会超过20条
频宽测试
看测试图左上方一排密密麻麻的直线(标明Bandwidth in MHz),看屏
幕里,那一块是勉强分的清楚的,下面的数字就是摄像机的频宽,此数据
仅供参考,一般来说分辨率越高的机子频宽越大.
CCD平整度测试
测试图上四个角落各有一个同心圆,如右图:
这有两个功用:
1.用来看测试图摆的正不正,如果摆正了,四个圆圈图应一样清楚.
2.当摆放正确时,如果有一个或两个同心圆会失焦,就表示CCD不平整,该
退货了
阻抗匹配
测试图左边有个黑白大条块:
如果黑色区域渗到白色区域或白色渗到黑区,就表示你的阻抗匹配有问
题,或是有反射讯号,可能是接头没做好,线材有问题等等,此方法可以用来
测试长距离线材传输时的阻抗匹配.
色彩还原度
用测试图上的Color Bar:比较从监视器看
到的跟实际测试图上看到的,很容易就可
看出摄像机的色彩还原度.
其实这个最难测,你怎么确定是摄像机不
对还是监视器跟本颜色就不正确?
如果你认为你的监视器还不错,那就把颜
色,亮度,对比旋纽都摆中间.
如果无法确定显示器没问题,可以弄一张
测试光碟,将监视器色彩弄对.
ATW(自动追踪 白平衡)测试
自动追踪白平衡,在测试上面的色彩还原度时,把光源切换,比如说自然光,日
光灯,灯泡等光源,好的摄像机在不同色温下切换时都能快速找回正确的颜色,
有的机子,当在灯泡下猛然移到窗外,还会整个偏红,或是从窗外快速移至灯
光下,颜色持续偏蓝,就是白平衡不良
信噪比测试:
这没专门的仪器,可是一点法子也没有,但是用简单方法,可以做个机子间的
比较,首先,用手掌摀住镜头,看看屏幕是不是全黑,还是有噪点,噪点越多就越
差, 手掌稍微漏点光进来,看噪点的大小,越粗糙就越不好
谢 谢！
Thanks