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        門禁系統視頻監控前端組成

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        發表于 2018-10-12 17:30:02 | 只看該作者 |只看大圖 回帖獎勵 |倒序瀏覽 |閱讀模式
        視頻監控系統的前端主要由攝像杋、云臺、防護罩、解碼器、報警探頭、安裝支架和紅外射燈等構成
        1.攝像機
        攝像機是視頻監控系統最前端的設備,通常安裝在小區進岀口、樓梯口、電梯轎箱、走廊、過道、重要路口和營業大廳等重要場合,以進行圖像的采集工作。攝像機根據攝像器件不同,可分為電真空管和固體攝像器件(又稱圖像傳感器)。固體攝像器件已被廣泛運用,下面主要介紹其工作原理攝像機根據固體攝像器件的不同,可分為有CCD( Charge Coupled Device)和CMOS兩種。它們的共同特點,都是將光信號轉換為電信號,只是在電荷的轉移方式上有所不同。
        (1)CCD攝像機的工作原理
        CMOS攝像機是每個像素點均配有一個放大器,即刻把電荷轉換為電壓,然后利用MOs開關依次傳輸出去,而CCD攝像機是把各像素點產生的電荷依次以勢阱方式接力傳送(類似水桶傳遞方式),并在出口轉換為電壓。由于CCD攝像機具有高靈敏度和良好的信噪比所以被廣泛用于專業攝像機和視頻監控系統中;而CMOS攝像機因其工作電壓要求低,功耗小,已被廣泛用在手機攝像中。
        下面將圍繞CCD攝像機相關的技術問題進行介紹。
        1)CCD的成像原理。1970年美國貝爾實驗室研制出了第一塊CCD固體攝像器件,即電荷耦合器件。1983年美國RGA公司推出了三板式(即3個CCCD傳感器,用于分別接收R、G、B三基色信號)CCD彩色攝像機。
        CCD攝像機的關鍵部件是CCD芯片。在CCD芯片的單晶硅基片上,呈二維狀排列著數量幾十萬乃至上百萬顆光敏器件(通常稱為像素),相當于人視網膜上的感光細胞。每個像素的尺寸僅有0.008×0.008mm,相當于人頭發絲端面的1/10那么大。而且每個像素都是相對獨立的光電轉換單元。CCD在外加電壓(常稱為驅動脈沖電壓)驅動下,在光(圖像)照射在芯片后被轉換為電荷,電荷的數量與光照強度及照射時間成正比。光的強弱不同,與之相對應的光敏器件產生的電荷數量也不同。各個像素積累的電荷在視頻時序的控制下,依次以勢阱接力傳送,經濾波、放大、處理后形成電視標準信號。CCD芯片電荷的積累與光的強弱、時間長短、CCD芯片面積、光敏器件多少有關。故定尺寸的CCD芯片,光敏器件數量越多,光敏器件單元的面積越小,攝像機的分辨率也就越高當CCD面對強光時,會在圖像上產生縱向白色亮線影響圖像質量,因此在實用中必須加以注意。例如,攝像機鏡頭應避免直對燈光。2)CCD尺寸。CCD尺寸表示攝像機成像靶面的大小,CCD面積越大,感光器件的面積越大,捕獲的光子越多,感光性能就越好,信噪比就越低,成像效果就越好。常用的規格有:1/3i、1/2in、2/3in和1in等。常用的CCD尺寸見表2-1。

        表2-1常用的CCD尺寸
        3)CCD器件片數。理論上CCD傳感器在采集紅、綠、藍三基色時,必須用3組CCD傳感器件來承擔,每組CCD轉換一種顏色,才能完成三基色像素的轉換。這樣,圖像的分辨率、信噪比都比較理想,但伴隨而來的是,攝像機的結構復雜,造價升髙,因此只有廣播級和專業級使用的攝像機才采用三片式CCD傳感器。三片式攝像機機身通常標有3-CCD字樣。視頻監控攝像機多半采用單片式CCD傳感器。不難看出,單片式CCD傳感器所能轉換的像素與三片式CCD傳感器相比必然大為減少,因此它的分辨率也就比較低。故單片式攝像機通常用在圖像清晰度要求不髙的地方,如安防視頻監控系統。此外,還有介于單片式和三片式之間的產品,即二片式攝像機。二片式CCD傳感器中的其中一片專用于采集綠光(因為CCD對綠光的感受度低),另一片用于采集紅、藍光。二片式攝像機屬于專業級別。
        (2)CCD攝像機的基本結構CCD攝像機的基本結構大致可分為3部分,即光學系統(主要指鏡頭、光圈)、光電轉換系統(主要指固體攝像器件—CCD傳感器)以及電路系統。CCD攝像機的成像系統如圖2-7所示。圖中自右至左,鏡頭組件依次由透鏡、電子快門、透鏡組
        1、透鏡組2以及CCD芯片組成。拍攝的圖像是由右邊沿著此條光路投射在CCD上的。組件中的焦距調節系統和快門系統是由透鏡組1和電子快門構成的,二者連接在一起。在電動機的驅動下,透鏡組1和電子快門可以左右移動,進行焦距調節,從而獲得最清晰的圖像。電子快門用來控制曝光時間。

        圖2-7CCD攝像機的成像系統
        的長短。多組透鏡用來光學變焦成像。左邊的CCD芯片,將光信號轉換為電信號。CCD芯片感光器件面積越大,成像面積也越大,同理,所記錄的圖像細節越多,清晰度也越高,各像素間的互擾小,圖像質量好。
        (3)攝像機的鏡頭及主要技術參數
        攝像機的鏡頭由若干個光學透鏡按一定的方式組合而成,其外形如圖2-8所示。鏡頭的主要技術參數如下所述

        圖2-8攝像機鏡頭
        a)固定光圈定焦鏡頭b)手動光圈(變焦)鏡頭c)電動變焦(變倍)鏡頭
        1)焦距。在一束平行光從凸透鏡的主軸穿過凸透鏡后,出射光線交匯與光軸的某點,該點稱為焦點(用F表示)。過入射光線與出射光線的交點作垂直于光軸的平面,平面與光軸的交點是鏡頭的中心,焦點到鏡頭中心的距離就是鏡頭焦距(用f表示)(如圖29所示),通常以mm為單位。攝像機鏡頭就相當于一個凸透鏡,CCD就處在這個凸透鏡的焦點上。

        圖2-9鏡頭焦距
        2)視場角與焦距。我們常用視場角來表征觀察視野的范圍。攝像機的視場角可簡單表述為鏡頭對這個視野的高度和寬度的張角。視場角與鏡頭的焦距∫及攝像機靶面尺寸(水平尺寸h及垂直尺寸v)的大小有關,鏡頭的水平視場角ah及垂直視場角a可分別由式(2-2)和式(2-3)計算,即
        ah=arctan (h/2f)(2-2)
        av=arctan(1/2f)(2-3)
        由以上兩式可知,鏡頭的焦距∫越短,其視場角越大,物體的成像尺寸就越小,監視的范圍就越寬;反之,焦距∫越長,視場角越小,物體的成像尺寸就越大,監視的范圍就越窄。變焦與視場角關系圖如圖2-10所示。

        圖2-10變焦與視場角關系圖
        在實際應用中,如果所選擇的鏡頭的視場角太小,可能就會因此出現監視死角;而如果所選擇的鏡頭的視場角太大,就又可能造成被監視的主體畫面尺寸太小,清晰度變低而難以辨認。因此,只有根據具體的應用環境來選擇視場角合適的鏡頭,才能保證既不岀現監視死角,又能使被監視的主體畫面盡可能大而清晰。鏡頭視場角可分為圖像水平視場角以及圖像垂直視場角,且圖像水平視場角大于圖像垂直視場角,通常所指的視場角一般是指水平視場角。
        3)變焦鏡頭。通常將鏡頭分為定焦鏡頭和變焦鏡頭。定焦指的是焦距不可變,而變焦指的是可根據采集圖像的需要隨時改變焦距。CCD攝像機變焦有兩種方式,即光學變焦和數碼變焦。
        ①光學變焦。光學變焦是通過改變鏡頭中鏡片與景物的相對位置來改變物體成像倍數的過程。當鏡頭的鏡片組件沿著水平方向移動的時候,焦距就會發生變化。如焦距拉長后,遠處某一特定選中的景物就會變得更加清晰。圖2-11a所示框內的樓宇,在焦距被拉長后,則給人以景物被拉近了的感覺,效果如圖2-11b所示。變焦距鏡頭的最長焦距與最短焦距之比,稱為焦倍數。
        圖2-11光學變焦效果
        a)框內樓宇b)焦距拉長后的圖像
        ②數碼變焦。數碼變焦又稱為數字變焦,其工作原理是,通過數碼相機內的處理器,把圖片內的每個像素面積放大或縮小,給人以變焦的效果。這種手法,如同用圖像處理軟件把圖片的面積放大一樣,把原來CCD影像感應器上的一部分像素使用“插值”處理手段,將CCD影像感應器上的這部分像素放大到整個畫面上。實際上數碼變焦并沒有改變鏡頭的焦距。從光學的角度看,由于焦距沒有實質改變,所以畫面粗糙,圖像質量較差,因此數碼變焦并沒有太大的現實意義。
        4)鏡頭光圈。光圈通常由一組很薄的弧型金屬葉片組成,它們被安裝在鏡頭的透鏡中間。光圈的作用是控制進入鏡頭光量的大小,也就是控制CCD靶面照度大小,以適應不同的拍攝之需,否則圖像的層次將大為減少。光圈的大小,一般以“相對孔徑”來進行度量,其值是鏡頭光孔的直徑和焦距之比。例如,鏡頭的最大光孔直徑為25mm,焦距為50mm那么這個鏡頭的最大相對孔徑就是1:2。相對孔徑的倒數稱為光圈系數,通常用F來表示這一參數。例如,鏡頭的相對孔徑是1:2,那么其光圈也就是F2.0。由于光圈系數是相對孔徑的倒數,并非光圈的物理孔徑,所以光圈系數的標稱值數字越大,也就表示其實際光圈越小。F值越小,表明可通過鏡頭進入攝像機CCD的光線越多,隨著F值的增大,其實際光孔隨之減小。在鏡頭的標環上將字母F省略,光圈調節環上常標有1.4,2,2.8,4,5.6,8
        C是光圈數,用 Close的詞頭C表示。當光瞳直徑為零時稱全光閉。

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