第2章 视频监控摄像机的智能化实现方案

2.1CCD摄像机

2.1.1CCD摄像机的组成及原理

1.CCD黑白摄像机的组成及原理

1）CCD黑白摄像机的组成

CCD黑白摄像机的组成及其工作原理框图如图2-1所示，它由下列五大部分组成：①CCD图像传感器；② 扫描驱动及同步信号产生；③ 视频图像处理及放大；④摄像镜头；⑤ 电源变换器。

由图2-1可知，CCD图像传感器是摄像机的核心，它完成光电图像的转换、存储与传输的作用功能。但不管是哪一种面阵CCD，都需要外围驱动电路才能工作，所以摄像机组成的第②部分是产生二相或三相时钟脉冲，以及转移控制脉冲、复位脉冲、行频、场频、消隐和处理电路所需的同步和校正等脉冲信号。由于有了第②部分，当光学图像经镜头会聚到CCD图像传感器后，它才能按驱动脉冲的驱动而输出随时间变化的视频图像信号，这种时序的视频信号包含了图像信号、复位电平和干扰脉冲。

为了取出图像信号、消除干扰，必须将图像信号进行适当的处理与放大，恢复其直流分量，混入同步和消隐信号，达到输出具有一定幅度和负载能力的全视频信号。因此，对CCD面阵器件输出的信号进行一系列的处理，才能形成符合电视传输要求的视频信号。显然，这些需由视频图像处理及放大这部分来完成。

这种视频信号的处理，首先需经过采样保持电路的预处理，其任务就是取出图像信号并消除干扰。除采样保持等预处理外，视频图像处理还包含了AGC（自动增益控制）放大、γ校正、自动黑电平钳位、切割、混同步信号和混消隐信号以及为了与负载匹配连接设置的功率放大等视频处理。这些处理、放大电路已集成化，所以调试方便、性能稳定可靠。值得一提的是，目前的摄像机大都是 DSP摄像机，它是将模拟视频数字化后将所需的视频处理功能，以及为提高与改善图像质量等智能功能编制软件嵌入 DSP 进行数字信号处理。也就是说，上述视频图像处理这部分，大都集成在DSP中了。

摄像镜头的作用就是把物空间的物体成像在像空间共轭的位置上，以供接收器件接收。因此，CCD摄像机就是通过光学镜头把外界的景物成像到CCD的感光面上，从而使CCD完成光电图像的转换。

图2-1中的电源变换器部分是将输入的DC12V电源或市电AC220V变换为整机所需的20V、14V、5V、-9V、-7V等多个直流电源，以满足CCD及各个集成电路工作的需要。

欲了解上述各部分的详情，可参阅作者在电子工业出版社2012年1月出版的《安防视频监控实用技术》书。

为了保证在监视器上显示的图像与CCD摄像机摄取的图像完全一致，即要求送往监视器的视频信号与摄像机送出的视频信号完全同步，必须在视频信号中包含有同步信息，并使这些同步信息以同步脉冲的形式加在行/场消隐期间传送。含有行/场同步信息和行/场消隐信息的黑白全视频信号的波形如图2-2所示。其中，图2-2（a）为场正程期间的行信号波形；图2-2（b）为场逆程期间的信号波形。

2）CCD黑白摄像机的工作原理

CCD黑白摄像机的基本工作原理是：摄像镜头将监控场景的光学图像集聚到CCD图像传感器的感光面上，CCD再将光学图像转换为电荷图像，经扫描驱动及同步信号产生部分的自扫描驱动而逐行输出随时间变化的视频图像信号，然后经视频图像处理及放大部分的处理，消除干扰，最后输出的是黑白全视频信号。

2.CCD彩色摄像机的组成及原理

1）CCD彩色摄像机的组成

CCD彩色摄像机有三片式、二片式、单片式三种。由于三片式及二片式需分光棱镜分光后再经3片或2片CCD芯片输出红、绿、蓝三基色信号，因而其结构相对比较复杂。但对每一条光路来说，由于该光路的CCD传感器上各感光单元全部用于该路光信号的感光，因此可以得到最高的分辨率，所以三片式及二片式彩色摄像机主要用于广播级摄像机。但在安防视频监控系统中所用到的彩色摄像机，都是单片式的，由于1片CCD传感器相当于要对3路光信号感光，即片上各感光单元不能同时对某路光信号感光，因此单片式彩色CCD摄像机的分辨率不如三片式及二片式高，但成本却比前者低很多。

显然，单片式彩色CCD摄像机中不再需要分光棱镜，取而代之的是一种彩色滤色器阵列（Color Filter Array，CFA）。CFA可以从单片CCD芯片中取出红、绿、蓝三基色信号，因而单就最终的效果来看，它与分光棱镜分光后再经3片或2片CCD芯片输出红、绿、蓝三基色信号有着相同的作用。从物理结构上看，CFA相当于在CCD晶片表面覆盖数十万个像素般大小的三基色滤色片，而这些微小的滤色片是按一定的规律排列的。各种单片式彩色CCD摄像机的设计方案，其实质性的特征主要取决于滤色器的结构。不同的彩色滤色器的结构可参见参考文献【1～3】。

单片式CCD彩色摄像机的结构如图2-3所示，它一般由摄像镜头、带镶嵌式滤色器的CCD传感器、将传感器读出的图像信号分离成三种基色信号的彩色分离电路、三种基色信号的处理电路以及彩色编码器等电路所组成。在图中，还有一个1H延迟部分，信号经过它后就被延时 1 个行周期的时间。滤色器和摄像单元具有相同的跨距，即每个滤色单元对应于CCD传感器的一个像素。

2）单片式CCD彩色摄像机的工作原理

单片式CCD彩色摄像机的基本工作原理是：通过镜头的景物信号，经过滤色器后在CCD芯片上成像，并从形成的图像中取出含有彩色信号的图像信号，再和经1H延迟后取出的图像信号一起送入彩色分离电路。这种分离出来的三基色彩色信号，在通过各自的低通滤波器之后，经处理放大后进入彩色编码器，从而得到所需的复合图像信号。

2.1.2CCD摄像机的种类

CCD摄像机的种类很多，除按颜色分为黑白与彩色摄像机外，还可按下列几种分类。

1.按成像器件CCD的光谱特性分类

1）普通可见光CCD摄像机

普通CCD是用半导体硅制成的，其对波长的响应范围为400～1100nm，能感应可见光与近红外光。因此，普通彩色CCD摄像机白天用红外截止滤光片阻挡近红外光到达CCD，只让可见光通过，从而形成鲜艳的彩色图像，这也就是通常所说的普通可见光彩色CCD摄像机。

2）红外CCD摄像机

红外包括波长在0.78～1.5μm的近红外，波长在1.5～10μm的中红外，以及波长在10～1000μm的远红外。由上可知，用半导体硅制作的CCD还能感应近红外光，在漆黑的夜晚，通过红外光源照射场景，使CCD感应场景反射的近红外光，从而形成黑白图像。如果在硅上掺入不同的杂质，则可使波长延伸到中红外甚至远红外，如掺钯可使响应波长到2μm；如果选择适当的接触金属和硅的导电类型及合适的工作温度，其响应波长还可延伸至4μm等。

红外摄像机有主动与被动之分：主动红外摄像机利用红外光源照射被摄物体，由红外摄像机摄取从物体反射回来的红外光学图像，并转换成电信号后在监视器上显示；被动红外摄像机不要红外光源，它是直接感应被摄物体自身射出的红外线来成像的。这种被动红外摄像机在军事方面能透过烟雾发现目标、识别伪装等；在消防方面可用来探测火源与热源，如红外热成像仪就是这种被动红外摄像机。

3）紫外CCD摄像机

紫外线是波长为10～380 nm的不可见光线，其中300～380 nm为近紫外，200～300 nm为中紫外，10～200 nm为真空紫外或远紫外。紫外CCD摄像机是以δ（Delta）掺杂CCD技术为基础的，它包括一个2.5nm厚的硅掺杂层，该掺杂层用分子束外延（MBE）生长在一个薄的CCD背面，δ掺杂能增强对由紫外光子照射产生的电子的探测能力，效率几乎可达200%。1998 年，日本滨松公司开发成功了新型紫外固体摄像器件——薄型背照式电荷耦合器件（Back Thinned Charge Coupled Device，BTCCD），由于采用了特殊的制造工艺和特殊的锁相技术，BTCCD不仅具有固体摄像器件的一般优点，而且具有噪声低、灵敏度高、动态范围大等特点。

BTCCD是一种薄型背照式摄像器件，它主要由三部分组成：垂直CCD移位寄存器、水平CCD移位寄存器和锁定放大器。在时钟脉冲驱动下，信号电荷由垂直CCD移位寄存器一步一步地输送到水平CCD移位寄存器，再由锁相（定）放大器变换成电压信号输出。其框图如图2-4所示，其中锁相放大器作用较重要，它有很高的电荷-电压变换灵敏度和很低的噪声，因而它的信噪比和灵敏度都很高。

BTCCD有很高的紫外光灵敏度，它在紫外波段的量子效率如图2-5所示。从图中可以看到，在紫外波段，量子效率超过40%，可见光部分超过80%，甚至可以达到90%左右。可见， BTCCD不仅可工作于紫外光，也可工作于可光。因此BTCCD是一种很优秀的宽波段摄像器件。紫外摄像机现广泛用于公安刑侦、纸币与证件防伪、生物医学、监视天空与军事上等。欲知紫外摄像机详情，可参阅参考文献【3，4】。

4）X光CCD摄像机

X射线（或X光）是由高速带电粒子与物质原子的内层电子相互作用而发出的，具波长短、光子能量大、透过能力强等特点。X射线的本质也属于电磁辐射，其波长范围在10-3～10nm，短波方向与γ射线相接，长波方向与紫外光相接，一般称波长在0.1～10nm的X射线为软X射线，波长在0.001～0.1nm的X射线为硬X射线。X射线在医学透视、无损探伤、X射线衍射、天文学、材料学等方面有着广泛的应用。

X光CCD摄像机实际是一X光电视系统，主要由X光源、X光荧光转换屏（一般多用X光像增强管）、高分辨率CCD摄像机、监视器等组成。

随着光电信息及数字技术的发展，目前已研发出以感 X 光的硒为基底、直接转换的能实现高清晰的数字透视和X光照相的新型直接数字X光影像器件DR（Direct Radiograph）或DDR （Direct Digital Radiograph），它由光电材料（非晶态硒）和一系列薄膜晶体管阵列（TFT）组成，能将X光直接转换成电子信号，然后转换成图像。现在1536×1536个像素的X光直接成像器件已研制成功，它将引起X光检测技术的一次革命，从而可实现X光图像检测的高质量、高效率、低成本。欲知详情，可参阅参考文献【3，4】。

2.按成像器件CCD的尺寸分类

目前，常见的CCD监控摄像机的光敏面的尺寸如下。

（1）1/2inCCD摄像机。这是目前市场上CCD的尺寸最大的一种，因图像传感器面积大，灵敏度高，多用于微光成像或夜视的摄像机中。

（2）1/3inCCD摄像机。这是目前市场上常用的CCD摄像机的CCD的尺寸。

（3）1/4 inCCD摄像机。这种CCD的尺寸，目前多用于各种放大倍数的能自动聚焦的一体化摄像机中。

（4）1/6in或更小尺寸的CCD摄像机。1/6in或更小尺寸的CCD摄像机，如1/7in或1/8in等，均用于微型的中、低分辨率的CCD摄像机中。

3.按成像器件CCD的分辨率分类

1）低解CCD摄像机

目前市场上的低解CCD摄像机，正确的说法应是500（H）×582（V）像素的CCD摄像机。而市场上说这种像素的黑白CCD摄像机是420TVL是不对的，正确的应该是500×0.75=375TVL；说彩色CCD摄像机也是420TVL更是完全不对的，正确的应该是500×0.75×0.825=309TVL。

2）高解CCD摄像机

目前市场上的高解CCD摄像机，正确的说法应是752（H）×582（V）像素的CCD摄像机。而市场上说这种像素的黑白CCD摄像机是600TVL是不对的，正确的应该是752×0.75=564TVL；说彩色CCD摄像机是480TVL也是不准确的，正确的应该是752×0.75×0.825=465TVL。

3）高清CCD摄像机

高清最早来源于数字电视领域，高清电视（HDTV）是由美国电影电视工程师协会确定的高清晰度电视标准格式，其清晰度是以水平扫描线数作为计量的。高清的划分方式如下。

1080i格式：是标准数字电视显示模式，1125条垂直扫描线，1080条可见垂直扫描线，显示模式为16∶9，分辨率为1920×1080，隔行/60Hz，行频为33.75kHz。

720p格式：是标准数字电视显示模式，750条垂直扫描线，720条可见垂直扫描线，显示模式为16∶9，分辨率为1280×720，逐行/60Hz，行频为45kHz。

1080p格式：是标准数字电视显示模式，1125条垂直扫描线，1080条可见垂直扫描线，显示模式为16∶9，分辨率为1920×1080，逐行扫描，专业格式。

因此，高清CCD摄像机是指百万像素以上的摄像机，上述原本用于广电行业的高清视频标准目前也已被视频监控行业作为公认的技术标准。所以，凡能达到百万像素的摄像机，配套以1080p分辨率的显示设备及相应的传输通道，就可以形成一套可称为高清的视频监控系统。

4.按CCD摄像机的适用照度分类

1）一般照度CCD摄像机

一般照度CCD摄像机即普通摄像机，它要求照度较高，在白天和较深灯光下才能摄取到满意的图像，最低照度一般均要求大于10lx以上。

2）低照度CCD摄像机

低照度CCD摄像机能工作在照度较低的环境中，如可在黎明、黄昏等暗光下，最低照度一般为0.1～0.5lx。

3）微光CCD摄像机

微光CCD摄像机可以工作在月光、星光及阴天等，其最低照度一般可达10-4lx。

5.按CCD摄像机的输出信号分类

1）模拟CCD摄像机

模拟CCD摄像机是输出模拟视频信号的摄像机，如一般监控用的平常所说的低解与高解CCD摄像机。

2）数字CCD摄像机

数字CCD摄像机是输出数字视频信号的摄像机，如平安城市中的大型网络视频监控系统中的网络CCD摄像机。

6.按CCD摄像机的用途分类

1）电视广播用CCD摄像机

电视广播用CCD摄像机通常也称为广播级摄像机，是最高档的CCD摄像机。它具有最好的技术性能，但价格最昂贵。一般，对其技术指标要求很高，如要求信噪比≥60 dB，清晰度≥650TVL。此外，对视频带宽、视频信号的微分增益与相位失真、几何失真，RGB三色信号的配准，镜头的相对孔径和变焦比，摄像机的灵敏度、白平衡与黑平衡、同步方式、RGB 分量输出、滤色片及供电等都有很高的要求。

2）家庭用CCD摄像机

家庭用CCD摄像机主要是为个人和家庭使用而设计制作的，其造价较低，个人或家庭可承受。这种家用级CCD摄像机，在对视频带宽、视频信号的微分增益与相位失真、几何失真， RGB 三色信号的配准，镜头的相对孔径和变焦比，摄像机的灵敏度、白平衡与黑平衡、同步方式、RGB分量输出、滤色片及供电等的要求都远不如广播级与下述的专业级摄像机那样高。但是要求实用、使用方便，且便于随身携带。

3）专业业务用CCD摄像机

专业业务用CCD摄像机通常也称为专业级摄像机，其技术指标介于上述的广播级与家用级CCD摄像机之间，能满足一般的专业使用要求。这种CCD摄像机在高等院校与科研院所等单位使用得较多，尤其测量用CCD摄像机往往有些特殊要求，如用于多摄像机的测量，必须要能外同步等。

4）视频监控用CCD摄像机

视频监控用CCD摄像机，大都用前述的低解与高解模拟CCD摄像机，但随着网络的普及与平安城市大型视频监控的要求，目前多采用网络数字CCD摄像机。随着反恐斗争的需要以及对安全的智能化要求越来越高，已开始使用网络高清数字摄像机，并且正逐步将其智能化。

5）防水防爆等特殊用CCD摄像机

防水防爆等特殊用CCD摄像机是按某种特殊使用要求而设计的。例如，水下用摄像机，对防腐与密封的要求就很高；防爆用CCD摄像机，显然对材料防爆的要求很高。

7.按CCD摄像机的外形分类

1）枪式CCD摄像机

枪式CCD摄像机即普通长方形或长筒形摄像机，是目前监控使用最多的CCD摄像机。通常，这种摄像机需另外配接所需焦距的摄像镜头。

2）半球形CCD摄像机

半球形CCD摄像机，即将单板型摄像机装于半球内（其监控的角度可调），它通常顶装于天花板，下面的人只能看见半球，其颜色应尽量与装修搭配，以达隐蔽的目的。

3）高速球形CCD摄像机

高速球形CCD摄像机是在球形罩内安装内置自动聚焦与自动光圈镜头的一体化摄像机与高速云台的一种摄像机，它大多吊装，不知道的人还以为是一种吊着的装饰灯，目前应用也较多。

4）微型和超微型CCD摄像机

微型和超微型CCD摄像机包括针孔与光学纤维摄像机，主要用于隐蔽观察等特殊用途。如可隐蔽安装于天花板、墙壁、提包、头盔、帽子、眼镜、钢笔、手表、衣服纽扣等中，以用于秘密侦察、监视、偷录与跟踪等。

8.按CCD摄像机的结构组成分类

1）一般CCD摄像机

一般CCD摄像机即一般监控用的通常所说的低解CCD摄像机与高解CCD摄像机。常用枪式CCD摄像机的镜头多是外置的。

2）24h全天候CCD摄像机

24h全天候CCD摄像机是指白天与夜晚均可成像的CCD摄像机，如白天彩色夜晚黑白的彩转黑CCD摄像机。

3）一体化CCD摄像机

一体化CCD摄像机是一种内置有自动光圈与自动聚焦镜头的CCD摄像机，通常，这种摄像机能将图像放大，如16倍、24倍、32倍等。

4）360度全景CCD摄像机

360 度全景CCD摄像机是能一次性地收录前后左右的所有图像信息，没有后期合成，更没有多镜头拼接的一种摄像机。其关键设备是有能360度成像的鱼眼镜头，其结构详情等可参阅参考文献【3】。

5）十字标尺CCD摄像机

十字标尺CCD摄像机是既能显示监控场景又能显示有带刻度十字丝的CCD摄像机，这种摄像机可广泛用于军事、测量以及对各种灾害的监视，详情可参阅参考文献【3】。

6）宽动态CCD摄像机

宽动态CCD摄像机是指能从很暗到很亮的范围内都能摄取清晰的图像的摄像机，即在从很暗到很亮的光照环境下，都可使拍摄的图像具有丰富的明暗层次。其具体实施通常采用2次曝光法，即在同一时间内对摄取的很暗与很亮的场景分别进行长、短不同时间的曝光，最后合成处理输出。显然，多次曝光法将比2次曝光法效果要好一些。

7）网络CCD摄像机

随着数字与网络技术的进展，以及平安城市等大型网络视频监控系统的需要，出现了网络数字CCD摄像机，它可以直接连接在网络上，具有安装方便等优点。

8）高清与智能CCD摄像机

反恐斗争的深入对安防提出了更高的要求，因而出现了百万像素以上的高清摄像机，由于采集图像分辨率高，因而提取、分析与识别图像中的异常目标准确，从而有利于摄像机智能化的目标实现。这种前端的高清与智能摄像机，将只通过网络传送有异常的视频信号到监控中心，并同时预/报警、存储与显示，不仅解放了人力，提高了安全的可靠性，而且还可大大节省网络带宽。

欲知上述各种CCD摄像机的详情，可参阅参考文献【3】。

2.1.3CCD摄像机的优缺点

1.CCD摄像机的优点

以固体成像器件CCD为核心的摄像机与过去以真空管成像器件为核心的摄像机相比，有以下优点：

● 体积小、重量轻、功耗低；

● 耐冲击、可靠性高、寿命长；

● 无像元烧伤、扭曲、不受电磁场干扰；

● 硅CCD除对可见光敏感外，还对近红外光敏感，因而可作为24h全天候摄像机；

● 灵敏度高，不需要额外的辅助光源照明；

● 图像均匀性好，像元尺寸精度优于1μm，分辨率高；

● 基本上不保留残像，图像质量好；

● 视频信号与微机接口容易；

● 应用广泛，可进行非接触的图像测量等。

2.CCD摄像机的缺点

CCD摄像机与CMOS摄像机相比，又有以下的缺点：

● 结构较复杂，需二相、三相或四相驱动脉冲，与其他芯片结合较难、集成度低；

● 制作工艺较特殊，成品率低，成本高；

● 信号逐行读取，帧速低；

● 不能随机存取与无损读取；

● 尺寸大、功耗高；

● 抗晕光及拖尾较差，动态范围比CMOS摄像机低。