1、1 n视频监控原理和技术视频监控原理和技术n 摄像机基础知识摄像机基础知识n 镜头和滤光片基础知识镜头和滤光片基础知识 视频监控原理和技术视频监控原理和技术2 视频监控基本定义 视频监控的定义 利用视频技术探测、监视设防区域，实时显示、记录现场图像，检索和显示历史图像的电子系统或网络系统 视频监控系统是安全技术防范的一个子系统 视频监控技术是安全防范技术的一部分主要功能功能要求业务对象监视控制管理实时，清晰报警及时、云镜操作灵活存储、检索、回放、认证、维护等视频源控制信令用户命令 CCTV系统的基本结构 CCTV：闭路电视系统 技术：主要是电视技术 组成：摄像机、监视器、录像机、视频分配器、画
2、面分割器等 功能：监视（监听）、录像、回放等 线缆：视频电缆（SYV，特性阻抗75，信号电平1.0Vp-p最大传输距离500m）3 模拟视频监控系统4 网络视频监控的基本结构 技术：主要是视频编解码技术、嵌入式技术 组成：硬盘录像机、摄像机、监视器等 功能：监视（监听）、控制、录像、回放、对讲等 线缆：视频电缆、485控制线 主要应用：金融、楼宇、小区等5 基本概念图像、视频和码流 图像（Image）视频（Video）时间上连续的图像组成视频：ImageVideo 视频中的某一幅图像称为一帧（Frame）帧率（Frame Rate）FPS 每秒的帧数 码流（Bit Stream）将图像压缩后形
3、成的数据 码率（Bit Rate）bps/Bps 对码流进行量化 码率类型：定码率（CBR）、变码率（VBR）码流类型：视频流、音频流、复合流6 基本概念图像7l 分辨率（Resolution）l 像素（Pixel）u水平：Widthu垂直：Heightl 线数（TVL）l 分辨力u水平u垂直 扫描方式81357911131524681012141612345678910111213141516 奇场(Odd Field)偶场(Even Field 只有1场 视频制式 PAL（Phase Alternating Line）：供电频率为50Hz、场频为每秒50场、帧频为每秒25帧、扫描线为625
4、行 图像彩色误差较小，与黑白电视的兼容也好 中国、德国、英国等 NTSC（National Television System Committee）：供电频率为60Hz，场频为每秒60场，帧频为每秒30帧，扫描线为525行 美国、日本、韩国等 SECAM（Sequentiel Couleur A Memoire）：按顺序传送彩色与存储 俄罗斯、法国、埃及9 分辨率WD1D14CIF112CIF1 1/2DCIF3/4 2/3CIF1/2 1/2QCIF1/4 1/4PAL960576720576704576704288528384352288176144NTSC9604807204807044
5、8070424052832035224017612010 高清分辨率100万万-720P130万万-960H200万万-1080P200万万-UXGA300万万500万万1280 X 7201280 X 9601920 X 10801600 X 12002048 X 15362560 X 192011 分辨率大于等于720p称为高清 码率的选择12Bitrate(bps)QCIFCIF/QVGA2CIF/DCIF4CIF/VGA720PUXGA/1080P256K768K1.5M 2M3M4M5M8MFrame Rate:25fps 不同分辨率对应不同的码率范围，通常而言，码率与图像质量成正比
6、关系 如果码率小于该范围，则图像质量较差 如果码率大于该范围，则显得浪费 每小时录像文件大小（单位：M字节/小时）码率（Kbps）3600秒81024 摄像机基础知识n 视频监控原理和技术n摄像机基础知识n 镜头和滤光片基础知识镜头和滤光片基础知识13 按传感器类型分 监控监控摄像机的分类摄像机的分类CCD摄像机CMOS摄像机普通型摄像机日夜型摄像机 按功能分 按清晰度分标清摄像机高清摄像机红外摄像机 按传输方式分模拟摄像机网络摄像机14 按外形结构分枪机枪机半球半球红外一体红外一体化化普通半球防暴半球嵌入式半球红外半球其他其他迷你摄像机车载摄像机 监控监控摄像机的分类摄像机的分类15 组成：
7、主要由镜头、影像传感器（CCD/CMOS）、ISP(Image Signal Processor)及相关电路组成 工作原理：被摄物体经镜头成像在影像传感器表面，形成微弱电荷并积累，在相关电路控制下，积累电荷逐点移出，经过滤波、放大后输入DSP进行图像信号处理，最后形成视频信号（CVBS）输出传感器 ADCDSPDAC光光图像码流模拟摄像机系统结构CVBS 模拟摄像机基本概念16 网络摄像机基本概念 组成：主要由镜头、影像传感器（CCD/CMOS）、ISP(Image Signal Processor)、DSP（Digital Signal Processor）及相关电路组成 工作原理：被摄物体
8、经镜头成像在影像传感器表面，形成微弱电荷并积累，在相关电路控制下，积累电荷逐点移出，经过滤波、放大后输入DSP进行图像信号处理和编码压缩编码压缩，最后形成数字信号输出。DSP CCD/CMOSISPNET光图像码流网络摄像机系统结构17CCD与CMOS相比：其主要优势在于灵敏度高、分辨率优、噪声比低；CMOS与CCD相比：则有成本低、功耗小等特点。CCD与CMOS是当前被普遍采用的两种图像传感器，其都是将图像转换为数字数据信号,其主要的差异是数字数据传送方式不同。CMOS，即“互补金属氧化物半导体”互补性氧化金属半导体(Complementary Metal Oxide Semiconduct
9、or)，传感器中每个象素都会邻接一个放大器及A/D转换电路，用类似内存电路的方式将数据输出。电荷耦合器件(Charge Coupled Device)，传感器中每一行中每一个象素的电荷数据都会依次传送到下一个象素中，由最底端部分输出，再经由传感器边缘的放大器进行放大输出。CCDCCD简介：简介：CMOSCMOS简介：简介：CCD/CMOSCCD/CMOS简介简介 CCDCCD与与CMOSCMOS比较比较分辨率分辨率灵敏度灵敏度信噪比信噪比集成度集成度功耗功耗成本成本CCD优优优优优优CMOS优优优优优优 CCD/CMOSCCD/CMOS简介简介感光靶面尺寸1”2/3”1/2”1/3”1/4”对
10、角线16mm11mm8mm6mm4.5mm垂直9.6mm6.6mm4.8mm3.6mm2.7mm水平12.7mm8.8mm6.4mm4.8mm3.6mm有效像素（Effective Pixels）有效像素数是指真正参与感光成像的像素值。最高像素的数值是图像传感器的真实像素，这个数据通常包含了感光器件的非成像部分。以SP1409 1/4”为例，其总像素为：1296（H）736（V），有效像素为：1280（H）720（V）；CMOS的有效像素决定了图像的清晰度水平。一般来讲此值越大越好，感光面积越大成像质量越好一般来讲此值越大越好，感光面积越大成像质量越好 CCD/CMOSCCD/CMOS简介简介
11、20 摄像机主要性能指标分辨力 标示摄像机清晰度的参数，通常用水平电视线（TVL）来表示 现阶段常见的分辨力参数有 420TVL、480TVL、540TVL 600TVL、650TVL 700TVL、720TVL21 日夜转换模式 电子式 机械式（ICR）摄像机主要性能指标日夜转换模式 日夜转换 低照度场景中转换为黑白模式可有效提升摄 像机的灵敏度彩色 黑白红外透过红外截止22 摄像机主要性能指标最低照度 标示摄像机能够正常输出图像的最低照度值，有时被称为“灵敏度”l 单位：Lux（勒克斯）以摄像机正常工作照度范围划分：l 普通型：13 Luxl 月光型：0.1 Lux左右l 星光型：0.01
12、 Lux以下l 红外型：0 Lux，采用红外照明 摄像机的最低照度参数通常由三部分组成，例如：彩色 0.01Lux F1.2色彩模式（彩色/黑白）。同一支摄像机工作在彩色或黑白模式下，其照度参数不相同照度参数，表示摄像机在正常输出图像时，到达传感器的最小光照强度光圈值。表示该照度参数是在镜头设定于何种光圈值条件下取得的。23 摄像机主要性能指标自动增益 AGC（Auto Gain Control）将来自图像传感器的信号放大到可以使用水准的视频放大器，其放大量即增益，并自动根据信号电平调整增益幅度 优点是提升了摄像机的动态范围，缺点是将噪声一同放大AGC 关闭AGC 开启24信噪比（S/N ra
13、tio）信噪比是信号电压对于噪声电压的比值，通常用符号S/N来表示。由于在一般情况下，信号电压远高于噪声电压，比值非常大，信噪比的单位用dB来表示。一般摄像机给出的信噪比值均是在AGC（自动增益控制）关闭时的值，因为当AGC接通时，会对小信号进行提升，使得噪声电平也相应提高。信噪比的典型值为4555db，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。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 摄像机主要性能指标信噪比25 摄像机主要性能指标白平衡 用于彩色摄像机，确保在不同色温环境下正确
14、表示色彩 分为手动白平衡和自动白平衡两种 手动白平衡 自动白平衡IncandescentFluorescentDaylight加入AWB后26 摄像机主要性能指标 常见光源色温光源色温范围钨丝灯，白炽灯2500-3200K碳棒灯4000-5500K荧光灯，节能灯4500-6500K氙灯5600K碳精灯5500-6500K日光平均5400K有云天气下的日光6500-7000K阴天日光12000-18000K27 Gamma源于CRT（显示器/电视机）的响应曲线，即其亮度与输入电压的非线性关系。一个理想的Gamma校正通过相反的非线性转换把该转换反转输出来。Gamma 校正补偿了不同输出设备存在的
15、颜色显示差异，从而使图像在不同的监视器上呈现出相同的效果。Gamma值值的修正，可以改变画面明暗，增加对比。Output=input gamma 一般CRT显示器的亮度响应曲线 摄像机主要性能指标Gamma校正28经过Gamma校正的视频信号CRT监视器信号还原 视频信号经过Gamma校正以后在显示器端被还原为线性信号 摄像机主要性能指标Gamma校正29电子电子快门（快门（Electronic shutter，ES）根据人眼的视觉暂留特性，为了确保看到的图像是连续的，PAL制电视信号的标准是25帧/秒隔行扫描，就是说，每一秒种经过我们眼前的图像实际是由25个画面构成的连续画面，因为是隔行扫描
16、，每2个场才能构成一个帧，所以每1秒钟，PAL制的图像是50场，1场的时间就是快门的间隔，每一秒钟，快门必须要工作50次，才能确保输出的图像是50场/秒的PAL制图像，所以PAL制的最低快门速度是1/50秒。实际应用中，因为环境中光线可能会很强，这个时候可能会需要控制进光量，就需要控制快门速度，速度越快时，光线能够进入的时间就越少，进光量就越少，相对来说，图像就会显得比较暗，反之快门速度越慢，图像就会越亮。说明：说明：一般厂家将快门设置成多档可调，PAL制下：1/50到1/100000；NTSC制下：1/60到1/100000;摄像机主要性能指标 电子快门30 ALC/ELC（自动亮度控制（自
17、动亮度控制/电子亮度控制）电子亮度控制）一般监控摄像机可以选择两种工作方式：ALC模式和ELC模式；ALC模式适用于自动光圈镜头，由镜头更具图像亮度自动调整光圈大小，使图像效果得到优化。这种模式下，电子快门会固定在1/50秒（PAL制）；ELC模式适用于固定光圈或手动光圈镜头；当选择ELC时，电子快门根据射入的光线亮度而连续自动改变CCD图像传感器的曝光时间（一般从1/50到1/10000秒连续调节）。注意：注意：A.在室外或明亮的环境下，由于ELC控制范围有限，还是应该选择ALC式镜头；B.以固定光圈镜头采用ELC方式时，图象的景深可能小于使用ALC式镜头所获得的景深。因此，摄像头在完全打开
18、固定光圈镜头而采用ELC方式时。景深会比使用ALC式镜头时小，而且图象上远处的物体可能不在焦点上。摄像机主要性能指标 ALC/ELC31锐锐度（度（Sharpness）锐度是反映图像边缘对比度的一个指标。如果将锐度调高，图像平面上的细节对比度也更高，边缘会越清晰，看起来更清楚。但是，并不是将锐度调得越高越好。如果将锐度调得过高，则会在黑线两边出现白色线条的镶边，图像看起来失真而且刺眼。比如，这种情况出现在不大的人脸图像上，就会不但在人脸的边缘出现白色镶边，而且在发际、眉毛、眼眶、鼻子、嘴唇这些黑色和阴影部位边上出现白色镶边，看起来很不顺眼。所以，为了获得相对清晰而又真实的图像，锐度应当调得合适
19、。说明：说明：A.提高锐度并不能提高清晰度；B.提高锐度，会相应的增加图像噪点，锐度越高，噪点越大；摄像机主要性能指标 锐度32饱和度饱和度饱和度是反映图像上物体颜色的浓淡程度。饱和度越高，图像颜色越浓；反之越淡；Flicker（闪烁）（闪烁）日常使用的普通光源如白炽灯、日光灯、石英灯等都是直接用220/50Hz 交流电工作，每秒钟内正负半周各变化50 次，因而导致灯光在1 秒钟内发生100（502）次的闪烁，再加上市电电压的不稳定，灯光忽明忽暗，这样就产生了所谓的“频闪”。对于 camera sensor 来说，对光源亮度的变化是比较敏感的。如果不加抑制，可能会有明显的图像的明亮变化闪烁的现
20、象发生。使用摄像机的闪烁抑制功能，能使图像亮度稳定，不会忽明忽暗。摄像机主要性能指标 饱和度/Flicker+saturation-saturation original33慢慢快门快门/帧累积（帧累积（Slow Shutter）当使用1/50秒图像（PAL制下）仍然不够亮，这就需要运用其他技术了。获得低照度下图像的方法是通过电荷单帧累积方式增加CCD在单帧图像的曝光量，从而提高摄像机对单帧图像的灵敏度。这种方式也可以获得较低的照度指针，但是需要降低图像的连贯程度，一旦拍摄的物体发生变化或者移动的时候，前后两个时间在一起累加的可能并不是同一个像素点，这样在整体图像上移动物体就会出现“拖影”现象
21、，如果物体移动过快而帧累积时间过长的话，移动物体甚至会变成虚影。所以，帧累积技术一般应用于在弱光环境中监控静止的场景。说明：说明：一些厂家也将慢快门/帧累积叫成Sense Up；一般帧累积分为若干档，标示为X2，X4，X8，X16表示的是曝光时间延长2倍、4倍、8倍等，数值越高，曝光时间越长，“拖影”现象越严重。摄像机特殊功能 慢快门/帧累积34 摄像机特殊功能背光补偿 采用背光补偿技术，让摄像机找到拍摄最佳图像的参考亮度，然后自动提供适当的光补偿量，帮助用户很好地识别一个背部光照很强的物体。背光补偿往往针对目标图像的特定区域有效。BLC OFF BLC ON35 摄像机特殊功能宽动态 针对逆
22、光场景，宽动态技术在后景区域使用短快门曝光，在前景区域使用长快门曝光，生成合成图像。所以能看清图像暗处的细节，而图像亮处又不过曝。宽动态技术可获得比背光补偿技术更加清新、艳丽的图像。背光补偿功能开启宽动态功能开启背景过曝过曝背景清晰背景清晰36 摄像机特殊功能低照度 对图像进行噪声滤除、电子防抖动、自动曝光控制等技术，将摄像机灵敏度提高了10%以上，在超低照度下，仍可获高清晰度、亮丽的图像。相同照度下普通摄像机图像相同照度下低照度摄像机图像37 镜头和滤光片基础知识镜头和滤光片基础知识n 视频监控原理和技术n 摄像机基础知识n镜头和滤光片基础知识镜头和滤光片基础知识38 镜头镜头：镜头就是摄像
23、机的眼睛。画面的清晰程度和影像层次是否丰富等表现能力，受光学镜头的内在质量所制约。镜头接口镜头接口CS型安装座摄像机上使用C型镜头的话，需要加一个高度为5mm的转换接圈。D型按照接口方式不同，又分为螺纹型（M12）和直插型（14）两种监控摄像机镜头的工业标准监控摄像机镜头的工业标准C-Mount，CS-Mount和D-MountC型和CS型镜头的口径及螺纹都是一样的，区别在于：C型从镜头安装基准面到焦点的距离是17.526mm；CS型从镜头安装基准面到焦点的距离是12.5mm；3914镜头（直插镜头，无螺纹镜头）M12镜头（有螺纹镜头）镜头接口镜头接口40按照按照光圈调节方式分类：光圈调节方式
24、分类：手动光圈镜头自动光圈镜头：直流驱动自动光圈镜头（DC Auto Iris lens）视频驱动自动光圈镜头（Video Auto Iris lens）按照视角大小不同分类：按照视角大小不同分类：广角镜头：视角90度以上，观察范围较大，近处图像有变形。标准镜头：视角30度左右，使用范围较广。长焦镜头：视角20度以内，焦距可达几十毫米或上百毫米。变焦镜头：镜头焦距连续可变，焦距可以从广角变到长焦，焦 距越长则成像越大。针孔镜头：用于隐蔽观察，经常被安装在如天花板 或墙壁等地方。镜头种类镜头种类41焦距焦距透镜的光心到光聚集之焦点的距离。它基本上就是从镜头的中心点到传感器平面上所形成的清晰影像之
25、间的距离。镜头的焦距决定了该镜头拍摄的物体在传感器上所形成影像的大小。假设以相同的距离面对同一物体进行拍摄，那么镜头的焦距越长，则物体所形成的影像就越大。当摄像机镜头的成像尺寸被确定之后，对一个固定焦距的镜头来说则相对具有一个固定的视野，常用视场来表示视野的大小。它的规律是，焦距越短，视角和视场就越大。所以短焦距镜头又被称为广角镜头。镜头镜头的参数指标的参数指标42 光圈系数（光圈系数（F值）值）:为了控制通过镜头的光通量的大小，在镜头的后部均设置了光圈。镜头焦距和镜头有效孔径的比值称为光圈系数，也称为F值，光圈系数决定被摄像的照度(亮度)，F 值越小，光圈越大，到达SENSOR的通光量就越大
26、。计算方式：F=f/D；其中D为镜头的有效孔径；镜头的最大光圈系数往往标示在镜头上，如1:1.2或F1.2。视场角（视场角（FOV）:镜头所能覆盖的范围，(物体超过这个角就不会被收在镜头里),一个摄像机镜头能涵盖多大范围的景物，通常以角度来表示，这个角度就叫镜头的视角FOV。被摄对象透过镜头在焦点平面上结成可见影像所包括的面积，是镜头的视场。镜头镜头的参数指标的参数指标43景深（景深（DOF）：）：当镜头聚集于被摄影物的某一点时，这一点上的物体就能在电视画面上清晰地结像。在这一点前后一定范围内的景物也能记录得较为清晰。这就是说，镜头拍摄景物的清晰范围是有一定限度的。这种在摄像管聚焦成像面前后能
27、记录得“较为清晰”的被摄影物纵深的范围便为景深。当镜头对准被摄景物时，被摄景物前面的清晰范围叫前景深，后面的清晰范围叫后景深。前景深和后景深加在一起，也就是整个电视画面从最近清晰点到最远清晰点的深度，叫全景深。一般所说的景深就是指全景深。镜头镜头的参数指标的参数指标44 分辨率（分辨率（Resolution）：）：又称鉴别率、解像力，指镜头清晰分辨被摄景物细节的能力，制约镜头分辨率的原因是光的衍射现象。分辨率的单位是“线对/毫米“（lp/mm）。镜头各参数间的相互影响关系镜头各参数间的相互影响关系 1.焦距大小的影响情况焦距越小，景深越大，畸变越大;2.光圈大小的影响情况光圈越大，图像亮度越高
28、，景深越小；3.像场中央与边缘一般像场中心较边缘分辨率高;一般像场中心较边缘光场照度高;镜头镜头的参数指标的参数指标45 为了获得预期的摄像效果，在选配镜头时，应着重注意六个基本要素（选配镜头原则）：1、被摄物体的大小；2、被摄物体的细节尺寸；3、物距；4、焦距；5、CCD摄像机靶面的尺寸；6、镜头及摄像系统的分辨率说明：镜头的成像尺寸要与传感器靶面相匹配；当镜头的成像尺寸比传感器靶面尺寸小时，图像的4个角会出现黑角。例如1/3“的镜头用在1/2”CCD的摄像机上，会有黑角；反之，则没有问题，但视场角会减小。镜头的选择基本要镜头的选择基本要素素46 滤光片滤光片：阻隔不需要的光波频段。：阻隔不
29、需要的光波频段。人眼可见的光波波长范围约为380nm-780nmSensor的光谱响应曲线 滤光片47滤光片滤光片的种类的种类 按功能分，监控常用的滤光片主要有以下三种：普通型滤光片通过380-680nm的可见光；日夜型滤光片配合850nm红外灯使用的滤光片，可通过380-680nm及峰值为850nm的极窄一段波长的红外光。可移动滤光片（ICR）一般由两片滤光片组成，一片可通过可见光，阻隔其他波段的光；一片可通过任何波段的光。由摄像机或光敏电阻控制其切换。这种滤光片需要用带IR纠正的镜头来弥补其两种滤光片折射率不一致造成的失焦问题。按材质分，滤光片主要有两种：镀膜片 蓝玻璃，有色玻璃 滤光片种类48 组成组成 根据应用场合的不同，滤光片主要有以下四种组合方式：光学玻璃上镀膜用于光敏电阻 单片式蓝玻璃 蓝玻璃+水晶片 镀膜+水晶片 滤光片组成4950
