CCD摄像机的基础知识(下)

2010-05-24 11:08:00 来源:安防知识网 作者:/雷玉堂
技术/方案频道文章B

[摘要] 大家知道,CCD摄像机的技术参数表中除分辨率、最低照度、信噪比三大技术指标外,一般还给出其他一些参数,如电源、功耗、温度、视频输出、扫描系统、同步系统、镜头接口、外形尺寸以及重量等等。下面就摄像机中常用的又不容易理解的几个技术名词的含义及作用作一介绍。

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CCD摄像机的基础知识(上)

CCD摄像机的基础知识(中)

  γ校正系数

  γ的含义

  众所周知,由CCD摄像机摄取的图像,最终是要在监视器屏幕上显示出来的,因而要求屏幕上显示的图像亮度L必须与被摄景物上的各点亮度LO成比例,即

  L=KLO (1)

  式中,K为常数。但由于实际传输系统的非线性特性,往往会引起重现图像的亮度失真及色度失真。CCD图像传感器及监视器的显像管是决定电视监视系统线性指标的关键器件。一般,CCD图像传感器的光电变换关系为

  当γ1=1时,CCD传感器的光电变换关系为线性关系。对显像管来说,其电光变换关系为

  式中,ug为显像管控制栅极上的信号电压。当γ2=1时,显像管的电光变换关系也为线性关系。

  但是,实际上黑白显像管的γ2=2.2,彩色显像管的γ2=2.8,因此,要校正显像管引入的非线性失真,在放大器中必须要对图像信号引入相反的的非线性失真。即要求放大器的传输特性为

  式中,

  当γ1 =1、γ2 = 2.2时,

  这就是现行一般摄像机中γ为4.5的由来。

  经γ校正后的电视系统的传输特性如图1所示。由于γ2=2.2,γ校正应该在监视器(电视接收机)中进行,但为了降低电视接收机的成本,实际的γ校正都是放在摄像机中进行的。

图1 校正后的传输特性

  由图1所示的传输特性曲线可以看出,γ=0.45、γ=0.7和γ=1的三条曲线分别对应于uc=ui0.45、uc=ui0.7和uc =ui三条线。当γ小于1时,在ui输入很小时传输特性曲线的斜率很大,即放大器的放大倍数很大;随着ui的增加,曲线的斜率逐渐变小,即放大器的放大倍数逐渐变小。显然,这就需要用随电平变化的非线性电阻来控制放大器的增益。

[nextpage]  γ校正电路

  通常,可以用两种方法来模拟γ曲线:

  1、用二极管、电阻和电压源组成串联支路,并使若干个这样的支路并联在一起,作为放大器的反馈支路,当输入电压变化时,各反馈支路的二极管会在不同的输入电压下分别导通,使等效反馈电阻发生变化,从而使放大器的增益特性呈若干段折线状,用折线模拟实际所需的曲线;

  2、根据二极管的非线性特性,直接用一个合适的二极管特性来模拟γ曲线。

  一种四段折线式γ校正电路如图2所示。图中,负极性图像信号经VT1倒相放大,成为正极性的非线性输出信号,γ =0.45。而VT1的发射极接入了四段折线式非线性反馈电阻。当输入信号电平较高时,三个二极管VD1、VD2和VD3都导通,发射极反馈电阻为R5、R1、R2和R3并联,阻值最小,所以放大器的增益最高;当输入信号电平逐渐降低时,VD1首先截止,反馈电阻为R5、R2和R3并联,阻值上升,放大器增益减小;当输入信号电平继续降低时,VD2也截止了,反馈电阻变成R5和R3并联,阻值进一步上升,放大器增益则进一步减小;当输入信号电平降低到使VD3也被截止时,反馈电阻仅剩R5,放大器的增益达到最小值。因此,整个增益变化的特性曲线为四段折线。所以,只要正确设计和调整各个二极管的偏压和各个反馈电阻的阻值,就能够获得较为理想的γ特性曲线。

  由图可知,各段折线的起始点,即γ特性曲线的各个转折点,分别由二极管的偏置电压决定,这些偏压可分别用RP1、RP2、和RP3调节。各段折线的斜率,即各不同输入信号电平的增益,则分别由电阻R1、R2 和R3决定。当信号从黑电平到白电平变化时,VT1的射极电阻Re1、Re2、Re3与Re4将按下式变化:

  由上分析可知,如果γ特性曲线所分的折线段数为n,则需要的二极管的支路数为(n-1)。显然,n越大,则折线模拟的γ特性越接近理想。但n越大,电路越复杂,其调整也复杂。因此,一般实用中采用三四个二极管支路,就可满足要求。

  现行摄像机大都采用了γ=0.45值。但有些摄像机外壳的后面板上,还设置了一个γ值选择开关,可供用户在γ=1与γ =0.45间使用选择。

  自动光圈(AUTO IRIS)

  一般,在实际应用的电视监控系统中,摄像机通常都是在大范围光照度变化的场合应用的,如早晚的光照度与中午的光照度,晴天的光照度与阴天的光照度,它们都会有很大的差别。因此,为保证CCD摄像机能够正确曝光成像,就必须随时调整镜头的光圈,以保证电视监控图像信号不会出现“限幅”现象,否则可能使图像亮处失去灰度层次,或因通光量减小而使画面灰暗且出现噪点。但摄像机位置一旦固定下来之后,每天去手动调整光圈是非常不现实的,只有使摄像机能提供驱动自动光圈镜头的接口,能附带自动光圈功能,才能在配接自动光圈镜头的情况下,使摄像机输出的视频图像信号,自动地保持在标准状态。

  通常,电视监控用的标准CCD或CMOS摄像机,大都带有驱动自动光圈镜头的接口,其中有些只提供直流DC驱动或视频驱动(Video Drive,简称VD)中的一种驱动方式,有些则可同时提供DC和视频两种驱动方式,并设置开关供用户选择。

  不同品牌及型号的摄像机所带自动光圈接口的位置及形式不完全一样。有的自动光圈接口设置在机身的后面板上,有的则设在机身的侧面。几种不同形式的的自动光圈接口如图3所示,其中阴式方四孔接口最为常见,但不同摄像机对其各针脚的定义又不完全相同。一般视频驱动自动光圈接口使用3个针,即电源正、视频、接地;而直流驱动自动光圈接口使用4个针,即阻尼正、阻尼负、驱动正、驱动负。具体将该接口定义为何种光圈驱动方式须由另外的拨动开关来选择,也有的由摄像机盖板内视频处理板上不同的插座位置来选择,并在出厂前设定一种方式,还有的干脆在摄像机机身侧面及后面板上直接设定两个不同的自动光圈接口。

  自动光圈的工作原理是,根据视频信号电平的变化输出一控制电压,去驱动镜头中控制光圈的微型电动机做正反向转动,从而实现光圈的自动调整,使摄像机输出的视频信号保持在预先选定的标准电平上,即峰值电平的70%。

  视频信号电平,可以取为信号的平均电平或峰值电平,预选电平则由摄像机内部调整的基准电压进行控制。一般,为使画面上的主体目标达到最佳亮度,应排除边缘图像亮度对信号电平的影响,因而光圈的调整应以中心部分的图像信号电平的变化为依据。为此,在信号选取电路中设置一个产生“窗口脉冲”的电路或“自动光圈门”电路。其窗口的大小不超过整个显示图像面积的40%;有的窗口是矩形的,其高度为显示画面高的65%,宽度为画面宽的65%;也有的只选用画面总面积20%的椭圆形窗口。

  一种自动光圈控制电路的方框图如图4所示。由图可知,从处理放大器来的视频信号,经放大后进入开关S1和S2。开关S1由窗口脉冲控制。在窗口脉冲期间,开关S1接通,所选取的信号经二极管VD给电容器C1充电,充电电压可达信号峰值电平;窗口脉冲结束时,开关S1断开,C1停止充电。这时,控制脉冲A来到,使开关SA接通,C1上的电压被转移到C2上,经缓冲后送入比较放大器,将它与基准电平进行比较,所得到的误差电压经放大后,送到摄像机的自动光圈输出端口,并进入自动光圈镜头的电动机控制电路。

  若输入信号电平高于标准信号电平,误差电压为负,使光圈减小,直至信号电平等于标准信号电平时,误差电压才为零,使电动机停止转动,光圈停止变化。反之,误差电压为正,光圈变大。

  一般,DC驱动自动光圈镜头比视频驱动自动光圈镜头的价格便宜一些,这是因为DC驱动自动光圈控制电路在摄像机内,而视频驱动自动光圈控制电路在镜头中。

[nextpage]  电子快门(Electronic Shutter)

  电子快门类似于照相机的机械快门功能,在这里是调整控制CCD图像传感器的感光时间,以便改善运动目标图像的清晰程度。实际上,CCD感光的实质是信号电荷的积累,感光时间越长,信号电荷的积累时间就越长,输出信号电流的幅值也就越大。因此,通过调整光生信号电荷的积累时间,即调整时钟脉冲的宽度,就可实现控制CCD感光时间的功能。所以,正确调整电子快门的时间,可保证摄像机在正确的对焦下,拍摄的图像目标清晰。

  当前,一般的固体成像器件的摄像机绝大多数都带有电子快门功能,其电子快门时间一般为(秒)。并且,高档CCD摄像机一般将电子快门时间分为若干档,可通过多档拨动开关手动调节,也可在自动方式下由摄像机根据检测到的光强度自动调节。而普通的CCD或CMOS摄像机一般只在其机身侧面或后面板上设有一个自动电子快门ON/OFF开关,还有些产品干脆将自动电子快门做成内置式,使用者就只能在它ON状态下使用了。

  为了提高摄像机的低照度灵敏度,即使摄像机在低照度环境下也能拍摄到较为清晰的画面,有的摄像机还设置了类似于照相机的B门或T门感光拍摄方式的多场积累电子快门方式。在这种方式下,CCD感光单元可以暂停若干场的电荷转移,使其光敏单元中的电荷得以暂存,直到对某场景进行多场曝光后再进行电荷转移。由于电荷的积累作用,使输出信号的幅度也相应得以提高,这就相当于提高了摄像机的低照度灵敏度。常见的场积累时间一般为2场、4场或6场。值得指出的是,这种多场积累电子快门方式,仅适合于非运动场景的摄像监视。

  利用CCD摄像机的高速电子快门,可以防止拍摄高速运动物体时造成的“运动模糊”现象。所谓“运动模糊”即摄像机在拍摄快速运动的物体时会出现“拖影”,这是由于CCD的感光时间太长,而在这段感光时间内物体已经产生了位移,也就是说,在一个电荷转移周期内,运动物体在CCD感光面的不同位置都成了像。为防止“运动模糊”现象,应该缩短入射光在CCD感光面上的作用时间,即在每一场内只将某一段时间产生的电荷作为图像信号输出,而将其余时间产生的电荷排放掉,不予使用。这样就等于缩短了存储电荷的时间,相当于缩短了光线照射CCD感光面的时间,如同加了快门一样,这就是电子快门的实质。

  电子快门速度的控制方法,如图5所示。当接通电子快门开关时,快门控制脉冲加到CCD的N型硅衬底,行频快门脉冲使感光单元的电荷一行一行地放掉,直到快门脉冲停止,电荷停止泄放。快门打开的时间长短由每场出现的行频脉冲数决定,而这个脉冲数由快门速度选择开关控制。快门速度越高,则脉冲数目越多。

  自动电子快门功能还能实现自动光圈的效果:当通过镜头的光通量较强时,输出信号电流也会较大,此时电子快门自动调节到高速档,使信号电荷的积累时间变短,从而使输出信号电流的幅值减小;当通过镜头的光通量较弱时,输出信号电流也会变小,此时电子快门自动调节到低速档,使信号电荷的积累时间加长,从而使输出信号电流的幅值增加。自动电子快门的速度大多是连续可调的,由此实现了当被摄景物的光照度变化时,CCD或CMOS摄像器件的输出电流基本保持稳定。

  值得注意的是:当选用高速电子快门档时,由于CCD的电荷积累时间相对缩短,使摄像机输出的视频信号幅度减小,使图像变暗,此时应相应加大摄像机镜头的光圈,或相应提高监视现场的光照度。如快门速度为1/2000s时,信号电平将降低到快门关时的1/40倍,故光圈要加大5档,或光照度提高40倍。

  一般,在拍摄快速运动物体时,最适宜应用电子快门,因为它能使运动物体清楚地显示出运动过程,所以非常适于拍摄体育竞技比赛的图像,或公路上行驶车辆的场景监控等。

[nextpage]  自动增益控制(AGC)

  通常,要求摄像机输出的视频信号,必须达到电视传输规定的标准电平,即0.7Vpp。为了能在不同的景物照度条件下都能输出0.7Vpp的标准视频信号,必须使放大器的增益能够在较大的范围内进行调节。这种增益调节,一般都是通过检测视频信号的平均电平自动完成的。能实现此功能的电路,就称为自动增益控制(AGC)电路,简称AGC电路。

  目前,市面上常见的CCD或CMOS摄像机都具有AGC的功能:即当有弱信号时自动提高摄像机内部的放大增益;有强信号时自动降低摄像机内部的放大增益。即使最终的输出信号基本不随输入信号的变化而变化,输出信号幅值基本维持不变。

  需要注意的是,具有AGC功能的摄像机,在低照度时的灵敏度会有所提高。但此时的噪点也会比较明显,这是由于信号和噪声被同时放大了的缘故。

  需要说明的是,一般摄像机的AGC调整范围为0〜18dB,有些则可达到30dB。AGC电路的原理在大多数电子类书籍中都可找到,因此这里不再赘述。

  逆光补偿(BLC)

  在电视监控系统工程中,对着出入口的摄像机常常会遇到逆光现象。图像出现逆光现象,主要是视场范围光线照度强弱反差太大引起的。有下面三种方法可以改善摄像机的逆光问题。

  1、通过调整出入口摄像机的安装位置,尽量避开来自外界阳光的直射,如将摄像机镜头对着走出门口的人员等安装方法,能在很大程度上改善逆光现象。

  2、通过提高室内光源的照度,使室内光线增强,以减小与外界光亮的反差,也可改善逆光现象。

  上述二种方法是用普通摄像机改善逆光现象的方法,当然还可辅以一些方法综合应用:如在出入口地面铺设地毯以防止地面光的反射;在靠近出入口附近的窗户用窗帘遮挡阳光的直射等。

  3、通过选用具有逆光补偿等相应功能的摄像机,来改善逆光现象。

  所谓逆光补偿也称作背光补偿(Back-Light Compensation即BLC),它可以补偿摄像机在逆光环境下所摄画面过亮与过暗看不清细节的情况。由前述知,一般摄像机的AGC的自动调节范围是有限的,一旦出现很强的信号(即强烈的逆光),其AGC放大器就饱和而起不到自动调节的作用。当摄像机引入逆光补偿功能时,摄像机仅对整个视场的一个子区域(如从第80行〜200行的中心区域)进行检测,通过求此区域的平均信号电平来确定AGC电路的工作点。由于子区域的平均电平很低,AGC放大器会有较高的增益,使输出视频信号的幅值提高,从而使监视器上的主体画面明朗。此时的背景画面会更加明亮,但其与主体画面的主观亮度差会大大降低,整个视场的可视性就会得到改善。

  超动态摄像机的自动调节范围比一般摄像机大,因而也可改善逆光现象。对DSP摄像机来说,它可将整个视场均分为若干图像子块(如16个子块),对每一个图像子块分别进行平均电平检测,并根据检测结果对每一个子块分别进行局部处理,因而其逆光补偿效果比模拟CCD摄像机要好些。

  线锁定同步

  线锁定同步(LINE LOCK)是一种利用交流电源来锁定摄像机场同步脉冲的一种同步方式。当图像出现因交流电源造成的网波干扰时,将此开关拔到线锁定同步(L.L.)的位置,就可消除交流电源的干扰。

  例如某品牌摄像机提供了VD线同步功能,只要将交流电整流整形为简单的方波后即可输入到VD端,使摄像机与电源同步。因此,即使距离很远的多台摄像机也可以完全互相同步,从而可大大降低画面跳动或闪烁现象,尤其在使用非数位式矩阵切换时最为需要。

[nextpage]  CCD的动态范围及超高动态

  CCD的动态范围

  CCD摄像器件的动态范围,是指其输出的饱和电压与暗场下噪声峰——峰电压之比,即

  动态范围=Vsat/VNp-p (5)

  式中,Vsat为输出饱和电压;VNP-P为噪声的峰—峰值。

  动态范围也可这样来定义和计算,即由CCD势阱中可存贮的最大电荷量和噪声决定的电荷量之比。

  CCD摄像机的超高动态

  众所周知,当目标景物太亮或者太暗时,一般的CCD摄像机很难有很宽的亮或暗目标景物的适应范围。而人眼可靠瞳孔放大缩小来进行进光量调节,有能力看到很亮或很暗的目标景物。人的这种瞬间动态范围,约100:1。而CCD摄像机因原始动态范围只有3:1,则无法适合100:1的动态范围。这也正是CCD摄像机与人眼的差异所在。

  为使CCD摄像机的动态范围能接近人眼或更好些,很多公司都研发成功超高动态范围CCD摄像机。现以某公司研发的DSP数字视频处理器来说明超高动态范围的原理。它具有近200K个门电路的功能,设有128pin,可以同时由计算机设定和调整CCD摄像机的多项参数,其中具有超高动态范围设定所需的双曝光及高速运算功能,如图6所示。

  该DSP内含一个可以由1/2秒至1/120秒的可变电子快门电路,用以对较暗的景物取得正确曝光(图6中a,b),另一个电路则为对高亮度的物体正确曝光的高速快门,其速度为1/120~1/120000秒,如此即可同时取得两张对明暗两区均为正确的影像,再将两影像在DSP中高速运算相加后即实现亮暗动态范围很宽的图像。例如室内人物照度为10Lx,而室外景物为1000 Lx,此时CCD摄像机采用1/60秒的速度对室内景物取得正确曝光,再用1/6000秒对室外景物取得正确曝光,然后将两张图像结合即成为完美图像。

  但是,一般CCD摄像机并不具有这种双曝光的功能,这是因为一般的通用电路芯片不能实现这样高速运算,由于该DSP具有200K个高速运算门电路的运算速度,同时解决了双曝光的两图像的分别记忆存储,紧接着即可做合成计算的功能,合成处理后再按标准制式实时输出视频信号。

  用这种技术所作的超高动态摄像机由于动态范围可达280:1,已经比人眼的动态范围100:1更宽广,所以可应用于监视明暗极为不均的场合。

  市面上的超高动态范围CCD摄像机均是利用上述原理工作的,而深圳景阳公司的CMOS-DPS摄像机就不是这种双曝光的方法,因为它是每个像素都数字化了,其明暗的处理就更加方便了。

[nextpage]  DSP的含义及其在摄像机中的应用

  DSP(Digital Signal Processing)即数字信号处理,它是利用数字计算机或专用数字信号处理设备,以数值计算的方法对信号进行采集、变换、综合、估值、识别等加工处理,借以达到提取有用信息、便于应用的目的。

  由于有了DSP功能的芯片出现,所以近些年才出现了DSP的新型摄像机。这种摄像机的主要特点就是:在摄像机内部的电路采用了大规模数字信号处理集成电路(DSP LSI),并且由微处理器对系统的状态进行检测与控制,因此其稳定性、可靠性、一致性等都大大提高。DSP芯片是一种特殊的微处理器,就是根据数字信号处理理论的数学模型和算法,设计出专门的数字信号微处理器芯片。计算程序全部“硬化”,数字滤波器所需要的其它设备也全部集成、硬化,比如加法器、存储器、控制器、输入/输出接口,甚至其它类型的外部设备等。许多在模拟信号处理器中无法进行的工作,都可以在数字处理中进行,如二维数字滤波、数字动态图像检测、数字背景光补偿、肤色轮廓校正、细节补偿频率调节、准确的彩色矩阵、精确的γ校正、自动聚焦等。因此,有了DSP的摄像机,可大大提高图像的质量。

  此外,通过数字设定,可进行画面格式变换,还可均衡调节各参数值,把摄像机之间的差别缩减到最小。DSP彩色摄像机,还能方便地输出亮度信号与色度信号分离的视频信号(简称Y/C信号或S-Video信号)。

  DSP技术不仅使摄像机在性能上获得优势,而且缩小了体积,节省了零件及装配时间,从而降低了成本。目前一般的DSP运算速度为100MIPS,即每秒钟运算1亿条指令,现TI公司的DSP TM320C6X芯片的处理速度已高达2000MIPS以上,这正好是网络摄像机等视频产品所需要的。

  显然,有了DSP,就可以使摄像机具有很多新的功能,如:

  1、可提高摄像机本身的性能

  ·智能数字背景光补偿(Intelligent Digital Back-light Compinsation);

  ·数字自动跟踪白平衡(Digital Auto Tracing White Balance);

  ·数字动态展宽 (Digital Wide Dynamic Range);

  ·数字自动聚焦(Digital Self-regulation Focus);

  ·电子灵敏度增强(Electronic Sensitivity Up)及数字降噪(Digital Noise Reduction) ;

  ·屏幕菜单显示(On-Screen Display简称OSD)等等。

  2、可增加摄像机的智能化功能

  ·数字动态图像的检测、处理与识别;

  ·视频变换、模糊、丢失的检测、处理与识别;

  ·出入口人或物的计数的检测、处理与识别;

  ·人群拥挤与注意力的检测、处理与识别;

  ·人与物异常行为的检测、处理与识别;

  ·生物特征的检测、处理与识别等。

  最后,为避免初学者烧毁摄像机,还要将摄像机的供电电源简单交待一下:

  摄像机的供电电源一般为直流12V,有些则为交流24V或交流220V(国外有些为交流110V)。因此在实际应用中,应特别注意电源电压,而直流供电摄像机还应注意电源极性,以免烧毁摄像机。值得提出的是,有少数摄像机可以自动识别直流12V或交流24V,因此该摄像机的电源供给可以不考虑电源的大小或直流电源的极性,但要注意,千万不能直接接入220V交流电源。

  结语

  以上,将摄像机通常遇到的有关的技术名词等作了介绍,结合前面的(上)、(中)两篇的基本技术知识,相信读者认真学习了以后,对摄像机定会毫不陌生,并且还能分辩一些错误的与认识不清的概念,同时也应初步学会对摄像机进行对照选择、调整、检测与使用。当然,需要更深入地了解,更全面地懂得摄像机,还需要阅读一些专门的技术书藉与资料。

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[责任编辑:曹雪芹]

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