视频监控系统原理及维护-课件(2).ppt

1、第2章 前端设备【本章导读】本章将详细分析视频监控系统前端的镜头、摄像机、云台（含防护罩等辅助设备）的架构与原理，并对系统应用时的设置、调试、维护及日常故障的处置进行介绍。本章中有关图像、声音传感器、镜头（含光学系统定量分析）及其参数等内容，由于技术适用程度问题，把它们放在教学光盘的资料补丁中，如需要进一步学习请参阅教学光盘的资料补丁。2.1 光学成像 把现实空间的物体成像于图像传感器件的感光靶面中，即所谓的光学成像。首先应该先了解光学成像的过程。2.1.1 光学成像原理基础光学成像指通过光学把现实空间的物体成像在图像传感器件的感光靶面上。怎样才能在图像传感器的靶面上获得清晰的物像呢？这就涉及

2、到光学成像的过程原理。一般，通过合理的设计（包括合理选择镜头的各项参数并考虑物体的照明条件、聚光方式、光学系统的传输损失、像面照度的计算方法等有关辐射度学方面的问题），可使该像的位置、尺寸、清晰度、物像光强度等符合实际应用场合的技术条件。2.1.2 光学成像过程 如图2-1所示，为物体的光学成像过程，即将各种不同形状、不同介质的反射镜、透镜及棱镜按一定的方式组合起来，使由空间的物体发出的光线通过这些光学零件的透射、折射、反射，按人们的需要改变传播方向后，为接收器件所接收。这些光学零件的组合称为光组，又称光学系统。2.1.3 光学系统基础知识理想光组是指光组能在任意大的空间内、用任意宽的光束成完

3、整的像。1理想光组的基本性质理想光组的基本性质主要有如下3个。（1）点成点像如图2-2所示，图中的A与A、B与B点一一对应，即对于物空间的任何一个点，在像空间中必有一个点与之对应，而且只有一个点与之对应。通常把这两个对应点称为共轭点。（2）线成线像如图2-2所示，图中的线AB与线AB一一对应，即对于物空间的任何一条直线，在像空间中必有一条直线与之对应，而且只有一条直线与之对应。通常把这两条对应线称为共轭线。（3）对称轴共轭 如图2-3所示，物空间和像空间存在着唯一的共轭对称轴。当物空间内某点A绕该空间内的对称轴旋转任意一个角度 时，其共轭像点A也必绕像空间的相应的对称轴旋转同样的角度。通常把这

4、一对共轭的对称轴称为光轴。通过对上述3点基本性质的认识，还可得到以下推论：如果A、B两点分别与A、B共轭，那么直线AB同样与直线AB共轭；同心光束经理想光组变换后，还是同心光束；物空间的任何一个平面通过理想光组变换后，在像空间的共轭图像也必为一个平面；如果物空间内的平面垂直于光轴，那么其共轭像平面也必垂直于光轴；理想光组一对共轭面的横向放大率是一个常数，与物高无关。2理想光学系统的基本点、面 理想光组物空间的点与像空间的点是相互对应的，如果知道理想光组的焦点、主点、焦面、主面和节点等基本点、面参数，便可根据物体的位置与大小，通过作图或运算求出像的位置与大小。（1）焦点和焦面 理想光组的焦点有像

5、方焦点与物方焦点之分。像方焦点指与光轴上无穷远的物点共轭的像点，记作F；物方焦点指与光轴上无穷远的像点共轭的物点，记作F。如图2-4所示，过像方焦点F且垂直于光轴的像平面称为像方焦面。像方焦面特性是：自物方无穷远的轴上的点或轴外点发出的平行光束，经理想光学系统后，必会聚于像方焦点F 处或像方焦面上的一点B。反过来讲，由物方焦点F或物方焦面上一点B发出的光束，经理想光学系统后必定是一束与光轴平行或与光轴有一定倾斜角的平行光束，如图2-5所示。（2）主面与主点 图2-4与2-5中的HQ和HQ平面即为主面。主面指的是横向放大率（像高与物高之比）为1的一对共轭面。两图中，物平面HQ为物方主面，像方主面

6、指像平面HQ。物方主点是指主面HQ与光轴的交点H，像方主点是指像方主面HQ与光轴的交点H。由图可知，两个主点H与H和两个主面HQ与HQ均彼此共轭。（3）焦距 如图2-6所示，焦距是指主点到焦点的距离。其中，物方主点H到物方焦点F之间的距离称为物方焦距，记为f；像方主点H 到像方焦点F 之间的距离称为像方焦距，记为f。焦距f和f 均为代数量，分别以主点H、H为起点计算到焦点F、F 的距离，以光线传播（从左向右）的方向为正，从右向左为负，图中f值为负，f 值为正。如果用F,F,H和H的相对位置来确定物像变换特性，那么，我们可通过作图与计算的方法，求出像的位置和大小。3理想光学系统的物像关系 理想光

7、学系统的物像关系，既可以通过作图法来求解，也可以通过解析法来求解。这里，只要清楚其求解的途径即可，具体的求解方法见教学光盘的资料补丁。（1）理想光学系统的作图求像 如图2-7所示，此方法简单、直观，而解析分析方法的计算结果较精确。（2）理想光学系统的解析求像 解析求像就是对于给定的理想光学系统，依据物点的坐标，通过计算来确定像点的坐标。由于坐标系取法的不同，描写物像对应关系的数学形式也有所不同。物像公式主要有以焦点为坐标原点的物像公式（牛顿公式）和以主点为坐标原点的物像公式（高斯公式）。4光学系统的放大率 由于共轴理想光学系统只是对垂直于光轴的平面所成的像才和物相似，所以绝大多数光学系统都只对

8、垂直于光轴的某一确定的物平面成像。为了进一步了解这些确定的物平面的成像性质，应该从轴向放大率、横向放大率、角放大率三个方面对光学系统的放大率作进一步的分析（详见教学光盘资料补丁）。5光束限制 光学系统中限制光束的因素主要有光阑、渐晕、焦深和景深等。（1）光阑 光阑由光学零件的镜框或加入专门的带孔金属板等构成，其对称中心一般都在系统的光轴上。在实际光学系统中，只可能在一定空间和一定光束孔径范围内构成满意的物体像。因此，必须在光学系统中采用光阑，以限制成像空间和光束孔径。光阑的作用是改善系统的成像质量，决定通过系统的光能，拦截系统中有害的杂散光等。按用途可分为视场光阑、有效光阑、消杂光光阑等。视场

9、光阑 视场光阑用以限制系统的成像范围。其对前方系统所成的像称入射窗，对后方系统所成的像称出射窗。有效光阑 有效光阑用以限制轴向成像光束孔径的大小，也称孔径光阑。其对前方系统所成的像称入射光瞳，如图2-8所示。轴外物点B和入射光瞳中心Z的连线称主光线。对于目视光学系统，其最大视场的主光线在像方与光轴的交点处，称为眼点。眼点距离是指眼点到目镜最后一个表面的距离。（2）渐晕 渐晕是一种光学现象，是指除入射光瞳外，还会有其他光阑的物方的像会使轴向光束孔径减小。有关渐晕系数的定量分析详见教学光盘的资料补丁。（3）焦深 实际光学系统矫正像差后，除在理想成像面上可获得清晰的像外，常把理想波面的参考点沿轴向离

10、焦，使波差不超过/2（由/4到/4），此时，也能得到清晰的像，其所对应的离焦量称做焦深，用2 表示。（4）景深 如图2-9所示，摄像机的镜头（少数只对一个平面成像的光学系统除外）一般都要求对一定深度的空间成像，即光学系统应能使距镜头不同距离的各空间物体同时在像平面上成清晰的像。这就引出了空间物体在平面上成像的清晰度问题，即景深问题。图2-9中，A所处的平面为基准物平面，分别位于A物平面前、后的A1物平面和A2物平面处的空间物体B1和B2经光学系统后，分别成像在和像平面上。其中，A1物平面上的B1点的像点对应像平面上的点，并在基准像面上形成光斑。同理，A2物平面上的B2点的像点对应像平面上的点，

11、也在上形成光斑。如果光斑直径很小，那么A1、A2物平面上的物点在像平面上成的像，仍然可以认为是清晰的。把能在基准像面上获得清晰像的物空间深度（即A1和A2之间的距离）称作系统的景深。系统成像的清晰与否是主观的相对概念，必须有标准才有意义，这个标准就是像平面上允许的最大光斑。景深范围就是在一定光斑直径下求得的。由此可知，容许的光斑直径的大小与光学系统接收器（人眼、感光乳剂、光电器件等）的分辨率有关，也与对象的清晰度要求有关，清晰度要求低则允许的大，景深就越大。此外，照相物镜的相对孔径和焦距与景深有关。对照相物镜来说，1f，式（2-1）可近似写成 式中，为照相物镜的相对孔径。从式（2-2）可知，相

12、对孔径越小（即光圈越小），则景深越大；在相同的条件下，焦距越小（如短焦距的广角镜头），则景深越大。1211211|l|f|ZllDf2121122()ZZDllDfff 6分辨率 分辨率是光学系统的一个重要性能指标，指光学系统刚好能分辨的两物体之间的最小间隔。（1）理想光学系统的衍射分辨率 按照几何光学理想成像的定义，由同一物点发出的光线，通过光学系统以后应全部相交于一点。然而，在实际成像中，通常得到的是一个具有一定面积的光斑。因为光实际上也是一种电磁波，通过光学系统中限制光束口径的孔径光阑的衍射会生成衍射像。根据物理光学中的衍射原理可知，衍射光斑的中心亮斑集中全部能量的80%以上，而第一亮环

13、的最大强度不到中心亮斑最大强度的2%。衍射光斑中各环的能量分布如图2-10中曲线所示。中心亮斑的直径可表示为 (2-3)式中，为光的波长；为像空间介质折射率；为像方孔径角。衍射像有一定的大小，把两个衍射像间所能分辨的最小间隔称为理想光学系统的分辨率。实验证明，两个像点间能够分辨的最短距离约等于中央亮斑的半径R，如图2-11所示。max1.222sinRnU由式（2-3）可知 (2-4)式（2-4）即为理想光学系统的衍射分辨率公式。（2）摄像物镜分辨率 摄像物镜的作用是将外界物体成像在CCD器件的靶面上，其分辨率一般以像平面上每毫米内能分辨的线条数N表示。摄像物镜近似为对无限远的物体成像：(2-

14、5)将式（2-5）代入式（2-4）所示的理想衍射分辨率公式中，即 max0.61sinRnUmaxsin2DUfmax0.611.22sinfRnUn D当 时，由于 ，则 R1.22F (2-7)根据式（2-7），若以每毫米能够分辨的线条数N来表示光学系统的分辨率，则 (2-8)式（2-8）即摄像物镜的分辨率公式。显然，摄像物镜的F数越小，则光学系统的分辨率越高。7变焦距物镜系统 对同一摄像系统而言，有时要求拥有长焦距物镜，用来分辨远距离的小目标，有时又要求配备短焦距，以便在一个较大的视场中摄取一个较大空间的像。变焦距物镜系统的出现满足了上述要求的需要，当摄像物镜系统的焦距及视场在一定范围内

15、改变时，其在CCD靶面上的像面位置保持稳定。变焦距物镜系统也包括变焦距摄像物镜和一个可变的光圈。1n fFD111.22NRF 对变焦距物镜的性能要求是：变倍比；焦距小视场；短焦距大视场；电动变焦。对其结构的要求是：体积要小；重量要轻。对其成像质量的要求是：各种焦距均满足图像质量及像面恒定，使像面在变焦过程中始终在CCD传感器的靶面上。现在的变焦距物镜均采取改变透镜组间隔来改变整个物镜的焦距的方式。移动透镜组改变焦距时，总伴随着像面的移动。因此，要对像面的移动给以补偿。按补偿组的性质，有光学补偿和机械补偿两种。无论哪种补偿方式，变焦距系统一般都有前固定组（可调焦组）、变焦组和后固定组3个部分。

16、2.2 镜头的参数 镜头是视频监控系统前端设备中的重要部件之一，又称摄像镜头。一般视频监控系统使用的摄像机不配镜头，可按用户需要，选择与摄像机相匹配的镜头，两者配合使用。镜头的参数主要包括成像尺寸、焦距、相对孔径、视场角等，一般在镜头所附的说明书中都有注明。由于篇幅的原因，我们只对参数的含义作简单介绍，详细的内容请参阅本教材配备的教学光盘中的参考资料。2.2.1 成像尺寸 以12.7（1/2 in）镜头配12.7（1/2 in）靶面的摄像机为例，当镜头的成像尺寸比摄像机靶面的尺寸大时，不会影响成像，但实际成像的视场角要比该镜头的标称视场角小，如图2-12所示。而当镜头的成像尺寸比摄像机靶面的尺

17、寸小时，画面的四个角上将出现如图2-13所示的黑角，原因是成像的画面四周被镜筒遮挡。2靶面尺寸规格 靶面尺寸规格见表2-1，常见CCD芯片的靶面尺寸有6.35 mm（1/4 in）,8.47 mm（1/3 in）,12.7 mm（1/2 in）,16.9 mm（2/3 in）,25.4 mm（1 in）等几种，它们分别对应着不同的成像尺寸，实际选用时，应该尽量使镜头的成像尺寸与摄像机靶面尺寸的大小相适宜。2.2.2 焦距 1镜头的焦距 和前面已介绍过的有所不同，在实际应用中，镜头的焦距为构成镜头的组合光组的焦距，其符号为f，决定摄取图大小。2应用镜头的焦距 如图2-14所示，用不同焦距的镜头对

18、同一位置的某物体摄像时，配长焦距镜头的摄像机所摄取的景物尺寸就大，反之亦然。其具体的理论计算参见教学光盘。正确选择镜头的焦距，可解决摄像机能看清多么远的物体与看清多么宽的场景的问题。2.2.3 相对孔径 1相对孔径 相对孔径是指镜头的实际有效孔径D与焦距f之比（假设光圈的有效孔径为d，因光线折射的关系，故镜头的实际有效孔径为D），其符号为A，数学表达式为 AD/f 由于镜头相对孔径决定了像的照度E与镜头的相对孔径A的平方成正比（被摄像的照度），因此用相对孔径的倒数来表示镜头光阑的大小，其数学表达为 F f/D F为光阑F数，在镜头的可调光圈上标注有1.4,2,2.8,4,5.6,8,11,16

19、,22等序列值，相邻的两个数值中，后一个数值是前一个数值的倍。2应用相对孔径 一般镜头所标的F值均指该镜头的最小光阑数，表示此镜头的最大通光特性。因此，F值越小，说明该镜头的最大通光性越好。2.2.4 视场角 1视场角的含义 如图2-15所示，视场角指镜头对其确定视野的高度和宽度的张角，符号为，又分为水平视场角h和垂直视场角v。2应用视场角 视场角与焦距f呈反比，与摄像机靶面的水平和垂直尺寸呈正比。若镜头视场角过小，会造成监控死角；过大又会使被监控物尺寸太小。所以在实际应用时，需要按照具体的应用环境选择视场角合适的镜头，以避免上述问题的产生。2.3 各类型的镜头镜头的种类有多种，每一种镜头都有

20、其特点，功能与结构也不尽相同，而且价格相差非常大，所以，应该了解各种镜头的特性，以便在实际应用中正确、灵活地选择镜头。2.3.1 固定光圈定焦镜头 1固定光圈定焦镜头的结构 如图2-16所示，固定光圈定焦镜头是最简单的镜头之一，结构简单，价格便宜。此镜头上只有一个可手动调整的对焦调整环，左右旋转该环可使成在CCD靶面上的像最为清晰，此时在监视器屏幕上得到图像也最为清晰。2应用固定光圈定焦镜头 由于镜头上没有光圈调整环，所以其光圈不可调，故进入镜头的光通量只能通过改变被摄现场的光照度来调整，如增减被摄现场的照明灯光等。固定光圈定焦镜头一般用于光照度比较均匀的场合，如室内全天以灯光照明为主的场合。

21、在其他场合，需要与带有自动电子快门功能的CCD摄像机合用，通过电子快门的调整来模拟光通量的改变。2.3.2 手动光圈定焦镜头 1手动光圈定焦镜头的结构 图2-17 手动光圈定焦镜头结构 如图2-17所示，手动光圈定焦镜头是在固定光圈定焦镜头的基础上增加光圈调整环而成的，价格相对也比较便宜。其光圈调整范围一般可从F1.2（或F1.4）到全关闭。2应用手动光圈定焦镜头（1）手动光圈定焦镜头虽能方便地适应被摄现场的光照度，但因光圈的调整是通过手动人为地进行，所以当摄像机安装位置固定后，就不能再频繁地调整光圈了，故其适合在光照度比较均匀的场合使用。（2）在光照度变化比较大的场合（如早晚与中午、晴天与阴

22、天等）使用时，要与带自动电子快门功能的CCD摄像机合用，通过电子快门的调整来模拟光通量的改变。2.3.3 自动光圈定焦镜头自动光圈定焦镜头 1自动光圈定焦镜头的结构 如图2-18所示，自动光圈定焦镜头相当于在手动光圈定焦镜头的光圈调整环上增加一个由齿轮啮合传动的微型电动机，并从其驱动电路上引出3或4芯的屏蔽线，接到摄像机的自动光圈接口座上。2自动光圈定焦的原理 当进入镜头的光通量变化时，摄像机CCD靶面上产生的电荷也相应地发生变化，使得视频信号电平或其整流滤波后的平均电平发生变化，产生一个控制信号，并通过自动光圈接口座上的3或4芯线传送给自动光圈镜头，使镜头内的微型电动机相应地做正向或反向转动

23、，从而调整光圈的大小。自动光圈镜头有含放大器与不含放大器两种规格。2.3.4 手动变焦镜头 1手动变焦镜头的结构 图2-19 手动变焦镜头的结构 如图2-19所示，手动变焦镜头有一个焦距调整环，可以在一定范围内调整镜头的焦距，其变比一般为23倍，焦距一般在3.68 mm。2带自动光圈的手动变焦镜头的结构 带自动光圈的手动变焦镜头有直流驱动和视频驱动两类，如精工的SSV0408G、腾龙的13VG2812AS（直流驱动），以及13VA2812AS（视频驱动）、Comptutar的H6Z0812AIVD等。如图2-20所示，为具有10倍（550 mm）手动变焦功能的三种镜头。如图2-21所示，为某种

24、带自动光圈的手动变焦镜头实物图。焦距调整环 3应用手动变焦镜头 实际应用时，手动调节镜头的变焦环，可方便地选择被监视现场的视场角。例如，可选择对整个房间监视或对房间内某个局部区域的监视。若对监视现场的环境情况不熟悉，就有必要采用此镜头。对大多数视频监控系统而言，手动变焦镜头一般用在以下两种场合。（1）对视场要求较为严格，且用定焦镜头又不易满足要求的场合。图2-22 自动光圈电动变焦镜头实物图（2）在照片底片分析、文件微缩等桌面近距离摄像工作环境中。2.3.5 自动光圈电动变焦镜头自动光圈电动变焦镜头 1自动光圈电动变焦镜头的结构 自动光圈电动变焦镜头是在自动光圈定焦镜头的基础上增加两个微型电动

25、机构成的，其中一个电动机与镜头的变焦环啮合，当其受控而转动时可改变镜头的焦距；另一个电动机与镜头的对焦环啮合，当其受控而转动时可完成镜头的对焦。如图2-22所示，为自动光圈电动变焦镜头的实物图。如图2-23所示，自动光圈电动变焦镜头一般引出两组多芯线，其中一组为自动光圈控制线，其原理和接线方法与前述的自动光圈定焦镜头的控制线完全相同；另一组为控制镜头变焦及对焦的控制线，一般与云台镜头控制器相连，而镜头控制器与云台控制器通常是集成在一起的，其原理请参阅2.8节。2应用自动光圈电动变焦镜头 当操作远程控制室内镜头控制器上的变焦或对焦按钮时，将会在此变焦或对焦的控制线上施加一个正（或负）的直流电压，

26、该电压加在相应的微型电动机上，使镜头完成变焦及对调整功能。2.3.6 电动三可变镜头 如图2-24所示，电动三可变镜头是在电动两可变镜头的基础上发展起来的，它把光圈调整电动机的控制由自由控制方式改为由控制器手动控制，因此包含三个微型电动机，引出一组6芯控制线与镜头控制器相连。常见的电动三可变镜头有6倍、10倍和12倍等几种规格，如精工的SL08551M、Computar的H6Z0812M等。如图2-25所示，为电动三可变镜头控制线的接线图。2.3.7 针孔镜头 如图2-26所示，针孔镜头的孔径一般仅为1 mm左右，主要用在隐蔽监视的场合。标准型针孔镜头具有较细且很长的镜筒，镜筒前端呈锥形，内有

27、一个微小的“针孔”，其后端则与普通镜头一样，可以方便地与摄像机配接。图2-27所示为针孔镜头外观图。图2-28所示为一种具有90转角的针孔镜头的外观图。2微型针孔镜头 微型针孔镜头的尺寸很短，通常安放在单板式超小型CCD摄像机上，置于天花板等细微之处，透过微小的孔隙来监视现场。3应用针孔镜头 由于“针孔”很小，因此针孔镜头的相对孔径很小（光阑F数较大），与摄像机配合使用时，透过针孔镜头的光通量也很小，使摄像机的成像质量下降（图像的亮度不够，信噪比变差）。因此，配用针孔镜头的摄像机最好选用低照度型的，并尽可能保证监视场所的光照度。2.3.8 一体机专用镜头 1一体机专用镜头 如图2-29所示，一

28、体机专用镜头通常都是自动光圈的变焦镜头，其中很多还具有自动聚焦功能。2应用一体机专用镜头 和其他镜头不同的是，一体机专用镜头没有全封闭的外壳、C或CS接口，因此，一体机专用镜头是一种半成品，都是由一体化像机生产厂家直接与镜头生产厂家定制或选购，使之与自己生产或组装的CCD或CMOS图像传感器及相应的摄像机电路相匹配，再配以合适的外壳而构成完整的一体化摄像机。2.4 镜头的选择与维护2.4.1 选择镜头 1应用镜头选择计算尺选择镜头（1）镜头选择计算尺 镜头选择计算尺如图2-30所示。（2）镜头选择计算尺的结构及功能 镜头选择计算尺由上、下两个圆盘及一个透明的扇形片组成，圆盘及扇形片上均有刻度，

29、分别标有视场角、被摄物体的水平尺寸及垂直尺寸、镜头的焦距、CCD芯片靶面尺寸及被摄物体距CCD摄像机的距离等参数。（3）具体应用 使用时，应该先依据某个事先确定的已知量，计算出其他量。例如，确定1/3 in CCD摄像机配用8 mm镜头时的视场角，以及在3 m摄距时被摄物体在监视器屏幕上所占面积的大小：旋转扇形片，使标有1/3 in的CCD靶面尺寸刻度线对准上圆盘上8 mm的焦距刻度线。这时，扇形片上的H线即指明该镜头的水平视场角（约为33），V线则指明镜头的垂直视场角（约为25）；旋转下圆盘，使物距刻度线对准3 m。此时扇形片上H线的下方对应物体尺寸刻度线1.6，表明1/3 in的CCD摄像

30、机在配用8 mm镜头时，可以将3 m远、1.6 m宽的物体摄入监视器；当物距增加到5 m时，摄入物体的宽度可达2.7 m。也可先用该盘选定物距及被摄取物体的大小，最后估算出应配用镜头的焦距。2cosmicar.exe应用程序选择镜头（1）cosmicar.exe应用程序界面 如图2-31所示，为镜头厂商专门编制的cosmicar.exe镜头选择应用程序界面。（2）cosmicar.exe应用程序的功能 此程序运行时，若参数输入区输入给定的被监视场景（物体）的大小及其距摄像机的距离，程序会自动给出最佳的镜头选择参数列表，并可以打印输出。若是输入一个选定的镜头，该程序便可将该镜头的所有成像参数给出

31、（如视场角，以及在多远处可以看到多大的场景或物等），并给出成像示意图。当输入光阑指数F时，该程序还可给出景深范围。3具体应用方法 如图2-32所示，为cosmicar.exe的数据输入界面。当需要选用一款合适的镜头时，应该按以下几个步骤进行：（1）选择镜头的类型（手动光圈型（Manual Iris）或自动光圈型（Auto Iris）；（2）选择被观测物体的优先考虑因素，以垂直高度（Vertical）或水平宽度（Horizontal）作为选用依据；（3）选择镜头的尺寸（Camera Format Size），本例选择1/3 in；（4）输入观测距离（Desirable Working Dista

32、nce）和被监视物体的尺寸（Object Size），选用的镜头的要求是在5 m处可观看宽度为1.8 m的物体。（5）输入上述参数后，单击按钮（Execute），便进入推荐镜头的参数界面，如图2-33所示。（6）要用1/3 in的镜头在5 m处观看1.8 m宽的物体，镜头的焦距应为13.3 mm，此时视场角为20.35。图中，List of Recommended Lenses的几个列表中列出了可满足上述要求的各种镜头。（7）由于13.3 mm为非标准规格，在1/3 in规格的镜头中最接近于计算焦距值的镜头是8.0 mm的镜头，故其中焦距为8.0 mm的1/3 in镜头TS812可作首选。（8

33、）在确定了所选择的镜头（TS812）后，单击显示数据按钮（Display Data），观看所选镜头的基本参数，如图2-34所示。（9）图2-34同时还列出了所选镜头（TS812）的成像尺寸，其中在左下部给出1.8 m宽的物体在监视屏幕上显示时对屏幕的充满程度。由于所选镜头的焦距（8 mm）与计算值（13.3 mm）有一定的偏差，因此，该图同时说明了要使1.8 m宽的物体横向充满屏幕时的最佳物距应为3.05 mm（而不是原定的5 mm）。（10）单击景深按钮（Depth of Field）可确定该镜头的景深，如图2-35所示。（11）由图2-35可知，当镜头的F指数为1.2时的景深范围为1.86

34、7.85 m。如果实际工程安装时镜头的位置无法前移，而只能安装在设计要求的5 m远处，则可通过单击界面下端的工作距离优先按钮（Desirable Working Distance as a Priority）来观看在5 m处安装该镜头时的成像效果，如图2-36所示。（12）在图2-36的上部标出了所选镜头在工作距离优先时的成像参数，其中左侧示出1.8 m宽的物体在5 m远处被摄像时，其成像对于监视器屏幕的充满程度，右侧则为该成像的具体参数（物体对屏幕的水平充满程度为61.2%；若屏幕在水平方向被某物体的像充满，则该物体的最大宽度可达到2.94 m）。2.4.2 维护镜头 关于镜头的日常维护，应

35、该注意以下几点：（1）定期擦拭镜头，以保持其清洁。要使用专用的镜头纸擦拭。在擦拭过程中，注意从中间按顺（或逆）时针方向进行。对有霉变迹象的镜头，应放在专用的镜头液中浸泡一段时间，再用木镊子夹着镜头纸进行擦拭。（2）对于电动镜头，应该定期检查电源电压是否正常。（3）定期检查CS接口是否正常。2.5 摄像机摄像机2.5.1 摄像机的种类摄像机是视频监控系统前端的主要设备之一，早期使用的是摄像管式摄像机，由于其固有功率消耗大、低照度指标差及笨重等原因，基本上处于被淘汰状态。而现行视频监控系统使用的摄像机，一般都是基于CCD图像传感技术的固态摄像机，又分为黑白和彩色两大类。近年来，由于网络技术与多媒体

36、技术的飞速发展，出现了基于CMOS图像传感技术的PC摄像机（也有黑白与彩色之分），逐渐应用于网络多媒体监控系统上。同时，受数字化技术的推动，还出现了数字信号处理摄像机（即DSP摄像机）等品种。摄像机的分类如图2-37所示。2.5.2 摄像机的扫描制式 这里仅介绍CCD摄像机的扫描制式。为使摄像机输出的视频信号的制式符合现行的电视标准，要求加于CCD传感器上的时钟脉冲应与视频信号同步。1“光电光”转换过程（1）“光电”转换过程“光电”转换指摄像机通过CCD的自扫描系统，将透过光学镜头在摄像机靶面上按空间位置分布的图像，分解成与像素对应的时间信号的过程。（2）“电光”转换过程“电光”转换指监视器用

37、与摄像端完全相同的电子束扫描方式，将图像在屏幕上重现出来。具体步骤如下：如图2-38（a）所示，为亮度按正弦分布的光栅图像。某一水平扫描线对应的亮度分布如图2-38（b）所示，该图像经CCD图像传感器扫描输出。如图2-38（c）所示，为输出后的电压按时间分布的视频信号。在图2-38中，图（b）和图（c）都是正弦波，其纵坐标分别是亮度L和信号电压U，而横坐标则分别为水平距离x和时间t。光栅图像的亮度L越高，则扫描输出的信号电压U越高。2空间物像时间信号转换过程 以摄像机摄取简单字符“TL”为例。当摄像机对准字符图案“TL”时，通过摄像机的光学成像系统会在CCD靶面上形成一个“TL”图案，如图2-

38、39（a）所示。假定CCD靶面由129（共108）个像素组成，亮点（背景）像素对应高电平输出，暗点（字符）像素对应低电平输出，则从图案的左上角开始，逐点从左到右、自上而下地将每一像素点都转换成相应的电信号输出，即得到如图2-39（b）所示的输出信号。此“像素电压”的逐点转换过程即为扫描。上述时间电压信号将送到监视器的显像管中，按与摄像端同样的规律进行扫描的电子束电流变大（能量变高），因而，当电子束轰击显像管的荧光屏时，被轰击的那一部分荧光粉的亮度就比较亮；反之，控制电压低时，电子束电流变小，被轰击的那一部分荧光粉的亮度就比较暗。电子束从左至右每完成一个扫描过程后，迅速回到左端并开始下一个移动过

39、程，其位置比上一个过程的轨迹稍低一些，这个过程称为扫描逆程或“回扫”。为避免图像紊乱，回扫期须尽量短，并且使得电子束被截止。因此，上述显示过程中，CRT中的电子束在荧光屏上的运动规律与摄像机端送出的信号完全同步，这样，监视器上CRT重现的图像和摄像机摄取的图像一致。3扫描制式（1）扫描过程例如，大家看到的夜航飞机的灯光，是一个在夜空中移动的亮点，而当一颗流星高速划过夜空时，大家就会因肉眼分辨不出亮点的位置而看成一条亮线。这实际上是眼睛的视觉惰性引起的幻觉，所以电子束的扫描过程必须进行得非常快，利用眼睛的视觉惰性与GRT上荧光物质的余辉效应，使眼睛感觉不到发光体闪烁时的最低频率（大约为4850帧

40、/秒），这样就不会看到运动的扫描点，而只看到屏幕上平行的系列扫描亮线。随着扫描线的增加，眼睛也分辨不清在稍远距离垂直方向的扫描线，只看到发亮的光栅。这说明整个扫描过程必须快速、连续地进行。如果用视频信号去控制电子束，那么每条扫描线的亮度随被摄取景物亮度的变化而变化，我们就会看到与摄像机拍摄的景物场面一致的“视频画面”了。（2）扫描的连续性若物体的运动速度与扫描速度有差异时，即使瞬间能在摄像靶面上形成图像，但等不到扫描结束这个瞬时图像就会消失，且在完整的扫描过程中，都会重复这个现象。由于每个瞬间，运动物体都会在摄像靶面上发生成像位移，因此，将无法分辨扫描输出的图像。这是由于电子束扫描太慢的原因：

41、当其扫描到运动物体的最初位置时，运动物体早已运动到其他位置了。所以，为了解决视频图像的闪烁问题，还要保持运动物体一定程度上的连续性，1s内显示尽量多的画面。此外，要提高画面的清晰度，每一帧画面的扫描线越多越好，扫描线的间隙过大，会使一帧画面的完整性受到影响。（3）隔行扫描技术 电视扫描制式电视扫描采用隔行扫描技术，这是为了降低视频信号的带宽，并尽量保持图像的分辨率。它把一帧画面分成两场来扫描，第1场为奇数场，扫描第1,3,5,7,行；第2场为偶数行，扫描第2,4,6,8,行。相当于将一幅画面的扫描行数减少了一半，两场扫描合起来（注意：奇偶场扫描线是交织排列的，参见图2-41），才构成一幅完整的

42、图像。视频信号的构成我国现行电视标准中规定，每秒钟由场扫描形成的光栅的重复次数是50次，以消除人眼的不适，而实际显示的画面只有25幅，即电视扫描的场频为50 Hz，而帧频为25 Hz。电视扫描的行周期Th为64 s，其中行正程时间为52 s，行逆程时间为12 s；场周期Tv为20 ms，其中场正程时间为18.4 ms，场逆程时间为1.6 ms。要保证监视器显示的图像和摄像机摄取的图像相同，摄像端、显像端的信号相对某个信号必须同步。因此，视频信号应包括确定每一行扫描线起始位置的水平同步信号和确定每一幅画面起始位置的垂直同步信号。如图2-40所示，为含有行、场同步信息和场消隐信号的负极性黑白全电视

43、信号的波形。视频信号还包括使电子束在水平面回扫期间被可靠截止的水平消隐（又称行消隐）信号和使电子束在垂直回扫期间被可靠截止的垂直消隐信号，上述信号组合起来构成完整的复合视频信号。隔行扫描方式的原理一帧图像的构成如图2-41所示，其中的实线表示奇数场的正程为从左至右进行，行扫描逆程期间因电子束被截止而看不见回扫线。场扫描正程由从上到下的一行行的扫描线组成，而扫描逆程则指扫描到最后一行后重新返回到下一场的起始扫描位置，场扫描逆程期间的电子束也是被截止的。另外，由于一帧图像由奇数扫描线构成，因此，奇数场的扫描进行到最后一行的一半时，电子束便折返到下一场扫描的起始位置（即偶数场从半行处开始扫描）。这也

44、是所有隔行扫描系统的每帧扫描行数一定取为奇数行的缘故。图2-41中，由于电子束在水平方向上一行一行地扫描成一场或一帧图像，所以扫描行数的多少取决于电子束在水平方向上的扫描速度Vhf。当场频一定时，扫描行数越多，要求电子束的扫描速度越快。在待传送的图像细节fx给定的条件下，时间频率与扫描速度成正比。由于图像信号的低频分量接近零频，所以，视频系统中直接用视频信号的上限频率fb来代表视频信号的带宽。这就意味着，所要传送的图像信号的视频带宽与扫描行数之间需要折中，在兼顾图像清晰度指标和电视设备的前提下，我国规定的电视的视频带宽为6 MHz，考虑其在水平和垂直方向上应有大致相等的分辨率，选定每帧图像的扫

45、描行数应为625行，由于电视扫描的帧频为25 Hz，则对应的行频fh为625 25 Hz15 625 Hz。（4）隔行扫描制式的应用 在电视信号系统发射前和发射的各个环节中，视频信号都不是正极性的，这是因为信号高电平对应白图像，低电平对应黑图像，因此信号系统电平越高，则画面越亮。我国现行电视标准规定，经发射机发射的电视信号采用负极性，即高电平信号对应黑图像，低电平信号对应白图像。电视信号采用负极性传输的主要目的是降低外来干扰的可见度，对正能量的干扰脉冲来说，若加在正极性信号上，接收时则会显示刺眼的亮点，而若是加在负极性信号上，则会显示不显眼的暗点。2.6 摄像机电路摄像机电路2.6.1 黑白C

46、CD摄像机电路 如图2-42所示，以DL32面阵CCD摄像机为例。该器件主要由光敏区、存储区、水平移位寄存器和输出电路等四部分构成。其中，光敏区和存储区均由256320个三相CCD单元构成；水平移位寄存器由325个三相交迭的CCD单元构成；输出电路由输出栅OG、补偿放大器和信号通道放大器构成。DL32面阵CCD摄像机工作时需11路驱动脉冲和6路直流偏置电平。11路驱动脉冲分别是：光敏区的三相交迭时钟脉冲VA1、VA2和VA3，存储区的三相交迭时钟脉冲vb1、VB2和VB3，水平移位寄存器的三相交迭时钟脉冲H1、H2和H3，偏置电荷注入脉冲is和复位脉冲R。6路直流偏置电平分别是：复位管和放大管

47、的漏极电平UOD，直流复位栅电平URD，注入直流栅电平UG1与UG2，输出直流栅电平UOG和衬底电平UBB。以上直流偏置电平值对于不同的器件，要求也不相同，要根据具体情况做适当的调整。DL32面阵CCD摄像机的各路驱动脉冲时序图如图2-43所示。其管脚图如图2-44所示。汝图2-45所示，为CCD摄像机的原理框图，从2.5.2内容我们清楚：CCD摄像机将所摄取的图像要在监视器上正常显示，就必须输出同步头朝下的正极性视频信号。此外，摄像机还应有同步信号产生电路、视频信号处理电路及电源等外围电路。1同步信号产生电路（1）同步信号产生电路简介 如图2-46所示，为摄像机逻辑驱动脉冲形成示意方框图。同

48、步信号产生电路是CCD摄像机重要的组成部分，在图2-46中，水平时钟发生器产生18.3 MHz的脉冲信号，经三相交迭脉冲发生器产生频率为6.1 MHz的三相交迭脉冲、同频率的复位脉冲R、偏置电荷注入脉冲IS，用于驱动水平移位寄存器，产生每行的视频信号。由1 MHz振荡器产生1 MHz的信号，经水平计数器及译码/编码网络发出几路主控信号，一路经选能门，控制水平三相交迭脉冲发生器，使水平驱动器与行、场正程，逆程（消隐）同步；另一路经复合同步电路产生行、场消隐脉冲，与视频放大电路产生的视频信号合成后形成全电视信号输出。由垂直计数器及其译码/编码网络产生垂直三相交迭脉冲，分别驱动光敏区和存储区。经过这

49、样的逻辑电路即可产生如图2-43所示的驱动脉冲。（2）同步信号产生电路的工作过程外界景物在物镜成像后至CCD光敏区靶面，该CCD的各电极上加上如图2-43所示的脉冲后，若在第一场光积分期间（光经物镜成像到CCD靶面上）VA3为高电平，则VA3下的256326个像元进行光积分，光积分时间为场正程扫描时间18.4 ms。在第一场光积分期间，存储区与水平移位寄存器在VB、H和R的作用下，将前一场（上一帧的第二场）信号一行行地输出。每64 s输出一行，行正程时间为52 s，消隐时间为12 s。在行消隐期间，VB1、VB2和VB3脉冲将存储区内的电荷包信号由下至上逐步进一行，最上一行信号传送到水平移位寄

50、存器内。等待消隐结束，在行正程期间，在水平驱动脉冲的作用下一位一位地输出。输出256行，共用18.4 ms，余下的时间为空输出。在1.6 ms的消隐期间，光敏区与存储区在VA、VB的作用下，快速将光敏区的信号电荷转移到存储区。场消隐期结束后，进入第二场光积分期间（即场正程扫描期间），输出第一场信号。这时，VA2处于高电平，而VA2电极下势阱则进行光积分，VA1、VA3处于低电平，起隔离作用。（3）三极管钳位电路 如图2-47所示，为三极管钳位电路，视频信号经射极跟随器VT1输入，经过电容C后送到输出射极跟随器VT3，C为钳位电容，VT3是钳位开关管。该电路也可将消隐电平钳位到E0，当输入信号的