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CCD摄像机与镜头的选用及配合

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CCD是电荷藕合器件(Charge Couple Device)的简称,它能够将摄入光线转变为电荷并将其储存、转移,把成像的光信号转变为电信号输出,完成光电转移功能,因此是理想的摄像元件。CCD摄像机就是以其构成的一和中微型图像传感器。
  1.1 CCD摄像机的特点
  CCD摄像机具有体积小、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摄像机比以前的摄像管式摄像机具有的最大优点。
  衡量CCD摄像机性能的技术指标主要有以下几个方面:
  (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机在300线以上,黑白摄像机在350线以上。
  (2)灵敏度(也称最低照度):灵敏度用“勒克斯',(Lx)表示。如某一摄像机的最低照度为0.1lx,其灵敏度一般0.1lx以上的摄像机为普通型;0.1lxi以下的摄像机为星、月光级高灵敏度型,也称作电子增感摄像机或夜视型摄像机
  (3)信噪比:摄像机的图象信号与它的噪声信号之比,用S/N表示。S表示摄像机在假设元噪声时的图像信号值,N表示摄像机本身产生的噪声值(比如热噪声),二者之比即为信噪比,用分贝(dB)表示。信噪比越高越好,典型值为46dB。
  (4)视频输出:一般用输出信号电压的峰一峰值表示,多为1Vp-p~1.2Vp-p,即1V~1.2V峰-峰值负极性输出,且为750复合视频信号,采用BNC接头(同步头朝下)。
  (5)CCD靶面尺寸:常见的CCD摄像机靶面大小分为:
  1英寸----靶面尺寸为宽12.7mm×高9.6mm,对角线16mm。
  2/3英寸----靶面尺寸为宽8.8mm×高6.6mm,对角线11mm。
  1/2英寸----靶面尺寸为宽6.4mm×高4.8mm,对角线8mm。
  1/3英寸----靶面尺寸为宽4.8mm×高3.6mm,对角线6mm。
  1/4英寸----靶面尺寸为宽3.2mm×高2.4mm,对角线4mm。
  CCD摄像机靶面小,将能降低成本,因此1/3英寸及以下的摄像机将占据越来越大的市场份额。
  除了上述几种技术指标外,摄像机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和24V,直流供电电压有24V,12V和9V。摄像机与镜头接口形式有C/CS型之分。扫描制式基本有两种AL-B和NTSC。
  另一个值得重视的指标是同步方式。现代的CCD摄像机,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机的内同步发生器。在切换摄像机输出时,图像元滚动,不会造成画面失真。此外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。
  1.2 摄像机镜头的分类和技术特性
  1.2.1 以镜头安装方式分类
  与普通照相机所用卡口镜头不同,所有摄像机的镜头均是螺纹口的,CCD摄像机的镜头安装有两种工业标准,即C安装座和Cs安装座。两者之螺纹部分相同,都是1英寸32牙螺纹座,直径均为25.4mm。不同之处在于C安装座从镜头安装基准面到焦点的距离是17.526mm;Cs安装从镜头安装基准面到焦点的距离则为12.5mm。如果要将一个C安装座镜头装到一个CS安装座摄像机上时,则需要使用镜头转换器,即C/CS调节圈。
  1.2.2 以镜头视场大小分类
  标准镜头:视角300左右,当镜头焦距近似等于摄像靶面对角线长度时,则定为该机的标准镜头。在2/3英寸CCD摄像机中,标准镜头焦距定为16mm,在1/2英寸CCD摄像机中,标准镜头焦距定为12mm,在1/3英寸CCD摄像机中,标准镜头焦距定为8mm。
  广角镜头:视角550以上,焦距可小到几毫米,能提供较宽广的视景。
  远摄镜头:视角200以内,焦距可达几十厘米、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焦距摄取图像,适合长距离变化观察和摄取目标。变焦镜头的特点是: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。
  针孔镜头:镜头端头直径仅几毫米,可隐蔽安装。针孔镜头或棱镜镜头适用于有遮盖物或有特殊要求的环境中,此时标准镜头或容易受损、或容易被发现,采用针孔镜头或棱镜镜头可满足类似特殊要求,比如在工业窑炉及精神病院等场所。
  1.2.3 以镜头光圈分类
  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场所,自动光圈镜头因光照度发生大幅度变化时,其光圈亦作自动调整,可提供必要的动态范围,使摄像机产生优质的视频信号,故适合于亮度变化较大场所。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。
  1.2.4 从镜头焦距上分类
  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:即标准镜头,焦距的长度视CCD靶面的尺寸而定。
  长焦距镜头:因人射角较窄,故仅能提供一个狭窄的视景,适用于远距离监视。
  1.2.5 焦距和视场角
  焦距是从透镜中心到一个平面的距离,在此平面可产生一个目标物之清晰影像,通常用焦距值f表示。镜头焦距f、镜头到目标物的距离d、视野H×V之间的关系如图1所示。
  由此可知,镜头的焦距与视场角的大小成反比,即焦距越长,视场角越小;焦距越短,视场角越大。
  1.2.6 相对孔径和光圈
  镜头的相对孔径是镜头的人射膛D与焦距f之比,它是决定镜头通光能力的重要指标。式F=f/D表示,即光圈数。F值越小,头上均标有其最大的F值,如6mm/F1.距f为6mm,最大孔径为4.29mm。对孔径的平方成正比,对孔径就应是原来的在倍,倍。在镜头的标环上常标有1.4、2、2.8、4、5.16、22等档。
  另一个值得注意的是景深问题,像机通过镜头,除了能把一还使该景物前后一面上,这段范围叫做景深。物距有关,焦距越短景深越大,距越近,景深越小。
  2 CCD摄像机与镜头的选配原则
  2.1 CCD摄像机的选用原则
  CCD摄像机与镜头的选用原则是根据使用场合、监视对象、目标距离、安装环境及监视目的来选择所需的摄像机。
  一般来讲,在保证摄像系统可靠性及基本质量的前提下尽可能采用中低档次的摄像机和镜头,这一方面可以节省投资,另一方面,通常档次越高的设备由于其造价高产量必然较少,故相对来说可靠性指标比之中低档次产品要低,而维护使用的费用及技术水平却要求较高。作为电视监控系统不能像电视台那样配备水平较高的专业技术人员,因操作的限制,高档次设备得不到高质量画面的例子屡见不鲜的。   彩色摄像机能辨别出景物或衣着的颜色,适合观察和辨认目标细节,但造价较高,清晰度较低,若进行宏观监视,目标场景色彩又较为丰富,此时最好采用彩色摄像机。从技术发展来看,彩色摄像机应用比重越来越大。
  黑白摄像机清晰度较高,灵敏度也高于彩色摄像机,但没有色彩 体现,所以在照度不高,目标没有明显的色彩标志和差异,同时又希望较清晰地反映出目标下,应选用黑白摄像机。
  球形摄像机,是科学技术发展渗透到安全防范领域的代表之一,它是集CCD摄像机、变焦镜头、全方位去台及解码驱动器于一体的新型摄像系统,其在性能方面已实现了云台的高速及无级变速运动、镜头变焦及光圈的精确预置、程序式的多预置设定,甚至运动过程中的焦功能,从而使摄像系统具备自动巡视和部分自动跟踪功能,从单纯的功能型向智能型转变。
  球形摄像机近年来被广泛地应用在宾馆、医院、娱乐场所、营业场所及室外等领域,尤其是行为与场景需要特别关注之处。
  带视频移动检测报警功能的摄像机应用在银行、博物馆、军事重地等领域,具有更有效、更完美的优势。
  2.2 CCD摄像机与镜头的配合原则
  在选择CCD摄像机与镜头的配合时,首先要明确机械接口是否一致,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摄像机CCD靶面规格一致,即镜头标明的为1/3英寸,则选用摄像机的规格也应为1/3英寸。否则不能相互配合。例如:使用1/3英寸摄像机,还勉强可以装备1/2英寸镜头,此时摄像系统显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英寸摄像机时,则图像就不能充满屏幕,图像边缘不是发黑就是发虚。
  当确定了摄像点位置后,就可根据监视目标选择合适的镜头了。选择的依据是监视的视野和亮度变化的范围,同时兼顾所选摄像机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,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,应调查摄像机的安装位置,再核算直至满意为止。摄像机与被监视目标有公式(1)。
  f=v×d/V(1)
  式中 f 为计算焦距;
  V 为视场高;
  v 为像场高(即CCD靶面高);
  d 为物距。
  例如:某CCD摄像机采用1/3英寸靶面,用以监视商场收银台,有效范围为2m×2m,摄像机安装于距收银台7m处,该摄像机需配多大焦距镜头?
  利用式(1)有:v=3.6mm  V=2m  d=7m
  因此:f=3.6×7/2=12.6mm
  故可采用标称焦距为12mm的定焦镜头。变焦镜头焦距的计算与定焦镜头一样,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,兼有宏观和微观监视要求,需要经常反复监视恒、没有同时监视要求的场合,宜采用变焦镜头并配合云台,否则尽量采用定焦镜头。在需要秘密监视或特殊应用场合,针孔(棱形)镜头可轻而易举地达到监控目的。
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