门禁系统视频监控前端组成

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发表于 2018-10-12 17:30:02 | 显示全部楼层 |阅读模式
视频监控系统的前端主要由摄像杋、云台、防护罩、解码器、报警探头、安装支架和红外射灯等构成
1.摄像机
摄像机是视频监控系统最前端的设备,通常安装在小区进岀口、楼梯口、电梯轿箱、走廊、过道、重要路口和营业大厅等重要场合,以进行图像的采集工作。摄像机根据摄像器件不同,可分为电真空管和固体摄像器件(又称图像传感器)。固体摄像器件已被广泛运用,下面主要介绍其工作原理摄像机根据固体摄像器件的不同,可分为有CCD( Charge Coupled Device)和CMOS两种。它们的共同特点,都是将光信号转换为电信号,只是在电荷的转移方式上有所不同。
(1)CCD摄像机的工作原理
CMOS摄像机是每个像素点均配有一个放大器,即刻把电荷转换为电压,然后利用MOs开关依次传输出去,而CCD摄像机是把各像素点产生的电荷依次以势阱方式接力传送(类似水桶传递方式),并在出口转换为电压。由于CCD摄像机具有高灵敏度和良好的信噪比所以被广泛用于专业摄像机和视频监控系统中;而CMOS摄像机因其工作电压要求低,功耗小,已被广泛用在手机摄像中。
下面将围绕CCD摄像机相关的技术问题进行介绍。
1)CCD的成像原理。1970年美国贝尔实验室研制出了第一块CCD固体摄像器件,即电荷耦合器件。1983年美国RGA公司推出了三板式(即3个CCCD传感器,用于分别接收R、G、B三基色信号)CCD彩色摄像机。
CCD摄像机的关键部件是CCD芯片。在CCD芯片的单晶硅基片上,呈二维状排列着数量几十万乃至上百万颗光敏器件(通常称为像素),相当于人视网膜上的感光细胞。每个像素的尺寸仅有0.008×0.008mm,相当于人头发丝端面的1/10那么大。而且每个像素都是相对独立的光电转换单元。CCD在外加电压(常称为驱动脉冲电压)驱动下,在光(图像)照射在芯片后被转换为电荷,电荷的数量与光照强度及照射时间成正比。光的强弱不同,与之相对应的光敏器件产生的电荷数量也不同。各个像素积累的电荷在视频时序的控制下,依次以势阱接力传送,经滤波、放大、处理后形成电视标准信号。CCD芯片电荷的积累与光的强弱、时间长短、CCD芯片面积、光敏器件多少有关。故定尺寸的CCD芯片,光敏器件数量越多,光敏器件单元的面积越小,摄像机的分辨率也就越高当CCD面对强光时,会在图像上产生纵向白色亮线影响图像质量,因此在实用中必须加以注意。例如,摄像机镜头应避免直对灯光。2)CCD尺寸。CCD尺寸表示摄像机成像靶面的大小,CCD面积越大,感光器件的面积越大,捕获的光子越多,感光性能就越好,信噪比就越低,成像效果就越好。常用的规格有:1/3i、1/2in、2/3in和1in等。常用的CCD尺寸见表2-1。
2-1.jpg
表2-1常用的CCD尺寸
3)CCD器件片数。理论上CCD传感器在采集红、绿、蓝三基色时,必须用3组CCD传感器件来承担,每组CCD转换一种颜色,才能完成三基色像素的转换。这样,图像的分辨率、信噪比都比较理想,但伴随而来的是,摄像机的结构复杂,造价升髙,因此只有广播级和专业级使用的摄像机才采用三片式CCD传感器。三片式摄像机机身通常标有3-CCD字样。视频监控摄像机多半采用单片式CCD传感器。不难看出,单片式CCD传感器所能转换的像素与三片式CCD传感器相比必然大为减少,因此它的分辨率也就比较低。故单片式摄像机通常用在图像清晰度要求不髙的地方,如安防视频监控系统。此外,还有介于单片式和三片式之间的产品,即二片式摄像机。二片式CCD传感器中的其中一片专用于采集绿光(因为CCD对绿光的感受度低),另一片用于采集红、蓝光。二片式摄像机属于专业级别。
(2)CCD摄像机的基本结构CCD摄像机的基本结构大致可分为3部分,即光学系统(主要指镜头、光圈)、光电转换系统(主要指固体摄像器件—CCD传感器)以及电路系统。CCD摄像机的成像系统如图2-7所示。图中自右至左,镜头组件依次由透镜、电子快门、透镜组
1、透镜组2以及CCD芯片组成。拍摄的图像是由右边沿着此条光路投射在CCD上的。组件中的焦距调节系统和快门系统是由透镜组1和电子快门构成的,二者连接在一起。在电动机的驱动下,透镜组1和电子快门可以左右移动,进行焦距调节,从而获得最清晰的图像。电子快门用来控制曝光时间。
2-7.jpg
图2-7CCD摄像机的成像系统
的长短。多组透镜用来光学变焦成像。左边的CCD芯片,将光信号转换为电信号。CCD芯片感光器件面积越大,成像面积也越大,同理,所记录的图像细节越多,清晰度也越高,各像素间的互扰小,图像质量好。
(3)摄像机的镜头及主要技术参数
摄像机的镜头由若干个光学透镜按一定的方式组合而成,其外形如图2-8所示。镜头的主要技术参数如下所述
2-8.jpg
图2-8摄像机镜头
a)固定光圈定焦镜头b)手动光圈(变焦)镜头c)电动变焦(变倍)镜头
1)焦距。在一束平行光从凸透镜的主轴穿过凸透镜后,出射光线交汇与光轴的某点,该点称为焦点(用F表示)。过入射光线与出射光线的交点作垂直于光轴的平面,平面与光轴的交点是镜头的中心,焦点到镜头中心的距离就是镜头焦距(用f表示)(如图29所示),通常以mm为单位。摄像机镜头就相当于一个凸透镜,CCD就处在这个凸透镜的焦点上。
2-9.jpg
图2-9镜头焦距
2)视场角与焦距。我们常用视场角来表征观察视野的范围。摄像机的视场角可简单表述为镜头对这个视野的高度和宽度的张角。视场角与镜头的焦距∫及摄像机靶面尺寸(水平尺寸h及垂直尺寸v)的大小有关,镜头的水平视场角ah及垂直视场角a可分别由式(2-2)和式(2-3)计算,即
ah=arctan (h/2f)(2-2)
av=arctan(1/2f)(2-3)
由以上两式可知,镜头的焦距∫越短,其视场角越大,物体的成像尺寸就越小,监视的范围就越宽;反之,焦距∫越长,视场角越小,物体的成像尺寸就越大,监视的范围就越窄。变焦与视场角关系图如图2-10所示。
2-10.jpg
图2-10变焦与视场角关系图
在实际应用中,如果所选择的镜头的视场角太小,可能就会因此出现监视死角;而如果所选择的镜头的视场角太大,就又可能造成被监视的主体画面尺寸太小,清晰度变低而难以辨认。因此,只有根据具体的应用环境来选择视场角合适的镜头,才能保证既不岀现监视死角,又能使被监视的主体画面尽可能大而清晰。镜头视场角可分为图像水平视场角以及图像垂直视场角,且图像水平视场角大于图像垂直视场角,通常所指的视场角一般是指水平视场角。
3)变焦镜头。通常将镜头分为定焦镜头和变焦镜头。定焦指的是焦距不可变,而变焦指的是可根据采集图像的需要随时改变焦距。CCD摄像机变焦有两种方式,即光学变焦和数码变焦。
①光学变焦。光学变焦是通过改变镜头中镜片与景物的相对位置来改变物体成像倍数的过程。当镜头的镜片组件沿着水平方向移动的时候,焦距就会发生变化。如焦距拉长后,远处某一特定选中的景物就会变得更加清晰。图2-11a所示框内的楼宇,在焦距被拉长后,则给人以景物被拉近了的感觉,效果如图2-11b所示。变焦距镜头的最长焦距与最短焦距之比,称为焦倍数。
图2-11光学变焦效果
a)框內楼宇b)焦距拉长后的图像
②数码变焦。数码变焦又称为数字变焦,其工作原理是,通过数码相机内的处理器,把图片内的每个像素面积放大或缩小,给人以变焦的效果。这种手法,如同用图像处理软件把图片的面积放大一样,把原来CCD影像感应器上的一部分像素使用“插值”处理手段,将CCD影像感应器上的这部分像素放大到整个画面上。实际上数码变焦并没有改变镜头的焦距。从光学的角度看,由于焦距没有实质改变,所以画面粗糙,图像质量较差,因此数码变焦并没有太大的现实意义。
4)镜头光圈。光圈通常由一组很薄的弧型金属叶片组成,它们被安装在镜头的透镜中间。光圈的作用是控制进入镜头光量的大小,也就是控制CCD靶面照度大小,以适应不同的拍摄之需,否则图像的层次将大为减少。光圈的大小,一般以“相对孔径”来进行度量,其值是镜头光孔的直径和焦距之比。例如,镜头的最大光孔直径为25mm,焦距为50mm那么这个镜头的最大相对孔径就是1:2。相对孔径的倒数称为光圈系数,通常用F来表示这一参数。例如,镜头的相对孔径是1:2,那么其光圈也就是F2.0。由于光圈系数是相对孔径的倒数,并非光圈的物理孔径,所以光圈系数的标称值数字越大,也就表示其实际光圈越小。F值越小,表明可通过镜头进入摄像机CCD的光线越多,随着F值的增大,其实际光孔随之减小。在镜头的标环上将字母F省略,光圈调节环上常标有1.4,2,2.8,4,5.6,8
C是光圈数,用 Close的词头C表示。当光瞳直径为零时称全光闭。

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