【安防天下】模拟视频监控系统——模拟监控系统的构成&视频采集设备

1 模拟监控系统的构成

模拟视频监控系统又称闭路电视监控系统， 一般由前端信号采集部分、中间信号传输部分、后端矩阵切换及控制部分、显示及录像等4 部分组成。

前端视频采集设备（摄像机）将光信号转换成电信号后， 通过信号传输部分传送到矩阵输入端，矩阵的输出连接到监视器， 利用矩阵的切换功能实现前端摄像机到监视器之间的选择切换；操作键盘与矩阵控制器连接， 控制信号通过信号传输通道发送到前端摄像机的解码器， 进而实现对云台及镜头的控制（PTZ 操作）；多画面处理器的作用是在一个监视器中可以同时以“ 多画面分割形式” 显示多个画面， 从而节省了监视器或录像机： 磁带录像机（VCR ）可以对选择的视频信号进行录制， 报警接口单元实现其他系统如门禁、防盗系统的报警信号接入， 进而完成报警集成联动功能。

2 视频采集设备

视频采集设备包括摄像机、镜头、云台、解码器、支架、防护罩、视频分配器等。可以根据不同的需要选择不同的设备， 如室内环境可能只需选择摄像机、镜头，而室外摄像机可能需要配置防护罩、支架及辅助灯光等， 如果需要进行大范围监视， 则需要给摄像机配置云台及变焦镜头。视频采集设备的核心是摄像机及镜头， 实现光信号到电信号的转变； 防护罩对摄像机及镜头实现保护功能；云台承载摄像机，实现摄像机上下左右的运动；解码器接收控制矩阵发来的控制信号，转换成电信号，实现对云台的上下左右运动（Pan 、Tilt）的控制及变焦镜头的拉近拉远（zoom ln 、zoom Out）控制； 加热器、雨刷等是辅助设备， 可以给裰像机提供合适的运行环境。

2.1 摄像机相关技术

通常，摄像机是指含镜头的摄像机，如半球摄像机、快球摄像机等都是摄像机和镜头构成的一体化设备。但是，对于普通枪式摄像机，由于可能需要配置不同类型的镜头，因此“摄像机”一般不包括镜头的裸摄像机，那么在实际使用中需根据应用的具体需求，选择一个合适的镜头与裸摄像机配套。

2.1.1 摄像机的工作原理

摄像机的主要部件是电耦合器件，它能够将光线信号变成电荷信号并可以将储存的电荷取出，使电压发生变化，因此是理想的摄像原件。CCD的工作原理是：被摄物体反射的光线传播到镜头，经镜头聚焦到CCD芯片上，CCD根据光的强弱积聚相应的电荷，各个像素积累的电荷再视频时序的控制下，逐点外移，经过滤波、放大处理后，形成视频信号输出。

2.1.2 摄像机的分类

摄像机按照不同分类方法，可以有很多种分类，并且各个分类之间是交叉的。比如按照色彩可以分类为彩色摄像机和黑白摄像机：按照CCD 的靶面尺寸可以分为1／3 " 和1/4 " 等；按照同步方式可以分成内同步、外同步、电源同步：按照照度指标分成一般照度、低照度、星光级照度摄像机等。而在实际应用中， 比较直观的、常见的分类方式是按照外形来设计及部署摄像机，摄像机按照外形一般分类如下：

• 枪式摄像机
• 半球摄像机
• 云台摄像机
• 一体化球型摄像机

2.1.3 摄像机的主要参数

1. CCD 尺寸
   CCD 尺寸主要有1/4’’ 、1/3 " 、1/2" 几种，在同样的像素条件下，CCD 面积不同，也就直接决定了感光点大小的不同。感光点（像素）的功能是负责光电转换，其体积越大，能够容纳电荷的极限值也就越高，对光线的敏感性也就越强，描述的图像层次也就越丰富。
2. 清晰度
   清晰度是指人眼看到的宏观图像的清晰程度，是由系统和设备的客观性能的综合因素造成的人们对最终图像的主观感觉。清晰度作为一种主观感觉，是可以定量地进行测量的，它有标准的测量方法。评估摄像机清晰度的指标是水平分辨率，其单位为电视线(TVLine)，即成像后最高可以分辨的黑白“ 线对” 的数目。其数值越大成像越清晰。图像清晰度与CCD 和镜头有关，与摄像机电路通道的频带宽度直接相关（通常规律是1MHz 的频带宽度相当于清晰度为80TVLine) 。
3. 分辨率
   分辨率指在视频摄录、传输和显示过程中所使用的图像质量指标，或显示设备自身具有的表现图像细致程度的固有屏幕结构，换句话说就是指单幅图像信号的扫描格式或显示设备的像素规格。分辨率的单位是“ 像素点数Pixels ”，而不是“ 电视线TVLine ”，分辨率代表着水平行和垂直列的像素数目，用“ 水平像素× 垂直像素”来表达，如1280 × 1024 代表水平行有1280个像素而垂直列上有1024 个像素。这样整个画面大约有130 万个像素， 分辨率越高， 就可以呈现更多信息， 图像质量越好。在传统的CCTV 系统中， 受制于技术本身的限制，最大分辨率为720 × 480（NTSC 制式）及720 × 576（PAL ），那么相当于总共像素数量约40 万像素，就是常说的DI 分辨率水平。

注意： 图像信号的分辨率与显示设备的分辨率， 都是不会改变的， 而对同样的图像信号和显示设备， 我们看到的清晰度却是可以改变的， 因为清晰度虽然在显示设备上得到体现， 但是不仅与图像信号本身及显示设备分辨率有关， 还与信号通道带宽有关系，也就是说， 图像信号、显示设备及传输通道三个因素共同决定着清晰度，从数值上来说，同一信号，清晰度将小于分辨率； 同一分辨率的图像信号， 通过不同的传输渠道和不同的显示设备，最终得到的图像清晰度是各不相同的，因此，分辨率与清晰度之间并没有直接换算关系。拿我们身边的电视机举例，我们看到的图像的直观视觉感受体验就是清晰度，这与两个因素有关，一个是图像信号塬的分辨率， 另一个是显示设备本身的分辨率，比如同一台电视机，看DVD 大片时，显然就比VCD 清晰度要高，因为信源（ DVD 片） 的分辨率高，而如果两台电视机看同样一个DVD 大片，那么，电视机（ 显示设备） 的分辫率越高， 看到的图像清晰度就越高，因此清晰度是由多层次的综合因素决定的， 而分辨率是一个客观的东西。

4. 最低照度
   照度是反映光照强度的一种单位，其物理意义是照射到单位面积上的光通量，照度的单位是每平方米的流明（Lm）数， 也叫做勒克斯（ Lux ， 法定符号为Lx): 1 Lx= 1Lm / m²。 最低照度是测量摄影机感光度的一种方法，也就是说，标称摄像机能在多黑的条件还可以看到可用的影像。简单地说，在暗房内， 摄像机对着被测物， 然后把灯光慢慢调暗，直到监视器上快要看不清楚被测物为止，这时测量光线的照度，就是该摄像机最低照度。通常用最低环境照度指标来表明摄像机灵敏度， 黑白摄像机的灵敏度一般是在0.01~0.5Lx之间， 彩色摄像机多在0.1Lx 以上。考察最低照度指标还需要看这个指标是在什么条件下测得的。如摄像机标称最低照度指标！ 0.25Lx/F1.4/501RE/AGC ON ，这表明0.25Lx 的低照度是用F1.4 通光量镜头、视频信号测量电平在501RE(350mv)、AGC 为ON 的条件下测出来的。

注意： 摄像机的最低照度指的是摄影机输出的视頻信号电平低到某一临界值时的景物（ 环境）光亮度值。测定此参数时，应特别注明镜头的最大相对孔径。例如，使用F1.2 的镜头，当被照景物（ 环境） 的光亮度值低到0.04 时， 摄像机蝓出的视頻信号幅值为最大幅值的50％，即达到35 V （ 标准视频信号最大幅值为700mV)。则称此摄影机的最低照度为0.04Lx/F1.2。 被摄景物的光亮度值再降低， 摄像机输出的视频信号的幅偵就达不到350mv了，反映在监视器的屏幕上，将是很难分辫出层次的、灰暗的图像。
提示： 照度最简单的测量： 在暗房内，摄像机对着被测物， 然后把灯光慢慢调暗． 直到监视器上快要看不清楚被测物为止，这时测量光线的照度，就是最低照度。实际上还得考虑通光量多少， 摄像机AGC必须关掉， 视频讯号是降到多少IRE 等。另外， 高解CCD 照度会比低解的差，因为， 同样芯片面积， 高解的像素点数多， 其体积较小， 小像素点的感光性能更差，照度自然就差． 所以标准的照度标注方法应该是： 镜头通光量、AGC 关闭、IRE 值等。

一般情况下的环境照度参考值如下： 夏日阳光下为100000Lx ， 晴间多云为10000Lx ，阴雨天为1000Lx ， 全月晴窄为0.1Lx。

5. 信噪比
   所谓“ 信噪比” ， 指的是信号电压对于噪声电压的比值，通常用符号S/N 来表示。信噪比是摄像机的一个重要的性能指标。当摄像机摄取较亮场景时，监视器显示的画面通常比较明快， 观察者不易看出到面中的干扰噪点；而当摄像机摄取较暗的场景时，监视器显示的画面就比较昏暗，观察者此时很容易看到画面中雪花状的干扰噪点。干扰噪点的强弱（ 也即干扰噪点对画面的影响程度）与摄像机信噪比指标的好坏有直接关系，即摄像机的信噪比越高，干扰噪点对画面的影响就越小。

注意：一般摄像机给出的信噪比指标值均是在AGC（自动增益控制）关闭时的值，因为当AGC开启时，会对小信号进行提升，使得噪声电平也相应提高，CCD摄像机信噪比的典型值一般为45~55dB之间。

6. 自动增益控制 AGC
   自动增益控制即AGC(Automatic Gain Control) 。所有摄像机都有一个将来自CCD 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，等效于有较高的灵敏度，可使其在微光下更加灵敏，然而在亮光照的环境中放大器将过载，使视频信号畸变。为此，需利用摄像机的自动增益控制（AGC）电路去探测视频信号的电平，适时地开关AGC ，从而使摄像机能够在较大的光照范围内工作，产生动态范围，即在低照度时自动增加摄像机的灵敏度，从而提高图像信号的强度，来获得清晰的图像。
7. 背景光补偿BLC
   背景光补偿即BLC(Backlight Compensauon) ，也称作逆光补偿或逆光补正，它可以有效地补偿摄像机在逆光环境下拍摄时画面主体黑暗的缺陷。通常，摄像机的AGC工作点是通过对整个视场的内容作平均来确定的，但如果视场中包含一个很亮的背景区域和一个很暗的前景目标，则此时确定的AGC工作点有可能对于前景目标是不够合适的。
8. 宽动态范围
   宽动态范围即WDR（Wide Dynamic Range) 。当在强光照射下的高亮度区域及阴影、逆光等相对亮度较低的区域在一幅图像中同时存在时，摄像机输出的图像会出现明亮区域因曝光过度成为白色，而黑暗区域因曝光不足成为黑色，严重影响图像质量。摄像机在同一场景中对最亮区域及较暗区域的表现是存在局限的，这种局限就是通常所讲的“ 动态范围”般的“ 动态范围” 是指摄像机对拍摄场景中景物光照反射的适应能力，具体指亮度（反差）及色温（反差）的变化范围。
   宽动态摄像机的动态范围比传统只具有3 ： 1 动态范围的摄像机超出了几十倍。
   

注意： 宽动态技术与背光补偿技术不同，背光补偿是对画面整体加亮，是通过数字DSP 芯片处理成的，一般的CCD 就可以实现此功能。而宽动态摄像机通常需要双扫描的CCD，即在一个信号周期内可以进行两次拍照的CCD，利用这个特点进行一次短时间的拍照输出一幅图像，再根据现场情况进行拍照输出一幅暗的或亮的图像，将两个图像通过DSP 芯片组合生成一种“ 暗的地方加亮， 亮的地方变暗“ 的合成图像，从而达到较好的视觉效果。

2.2 镜头相关介绍

镜头之于摄像机的成像器件，相当于眼睛的晶状体之于视网膜。没有晶状体，人的眼睛看不到东西，而没有镜头，摄像机将会无法成像并输出图像。摄像机的镜头是视频监控系统的关键器件，它的质量（指标）优劣直接影响摄像机的整机性能指标。

2.2.1 镜头的主要分类

镜头的关键指标就是镜头的焦距，通常根据镜头焦距的不同，进行不同的分类。镜头的焦距决定了该镜头拍摄的被摄体再CCD上所形成影像的大小，焦距越短，拍摄范围就越大，也就是广角镜头；焦距越长，镜头的视角越小，拍摄的景物的范围也就越小。人们通常把短焦距、视场角大于50°（如f=3mm左右）的镜头，称为广角镜头；把更短焦距（如f=2.8mm）的镜头叫做超广角镜头；而把很长焦距（如f>80mm）的镜头称为远望（或远摄）镜头。介于短焦与长焦之间的镜头就叫做标准镜头。

• 广角镜头：视角再50°以上，一般用于电梯桥箱内，大厅 等小视距大视角场所。
• 标准镜头：视角在30°左右，一般用于走廊、通道及小区周界等场所。
• 长焦镜头：视角在20°以内，焦距的范围从及时毫米到上百毫米。
• 变焦镜头：焦距范围可变，可从广角变到长焦，用于景深大、视角范围广的区域。
• 针孔镜头：用于隐蔽场合，如电梯轿厢内。

2.2.2 镜头的主要参数

1. 焦距
   在实际应用中，经常需要考虑“摄像机能看清多远的物体”或”摄像机能看清多宽的场景“等问题，这实际上由所选用的镜头的焦距来决定，因为用不同焦距的镜头对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，配短焦距镜头的摄影机所摄取的景物尺寸就小。当然，被摄物体成像的清晰度与所选用的CCD摄像机的分辨率及监视器的分辨率有关。
   

提示： 理论上，任何焦距镜头均可拍摄很远的目标，并在CCD 靶面上成一很小的像，但受CCD 单元（ 像素） 物理尺寸的限制，当成像小到小于CCD 传感器的一个像素大小时，便不再能形成被摄物体的像，换句话说，即使成像有几个像素大小，也难以辨识为何物。成像场景的大小与成像物的显示尺寸是互相矛盾的，也就是说大场景与大目标物不可两者兼得（ 利用IP 摄像机的数字PTZ 功能可以实现， 在本书后面将介绍），当既需要监视全景又要看清局部时，一般应考虑配用变焦镜头（ 大场景与大目标物两者仍不可同时得到）。

比方说： “ 鸟巢、千人击缶”，奥运开幕式，通过广角摄像机呈现给我们的是“ 千人击缶”的壮观场面，看到的是全局的大场景图像， 如果想在这样的大画面中看清演员的动作（ 细部持征） ， 即大目标物，需要导播给我们拉近的镜头，也就是长焦距镜头拍摄的画面。不同的监控需求决定不同的焦距应用·。大视野，宏观效果需要广角镜头；小细节，微观效果需要长焦距镜头。

2. 镜头尺寸
   镜头尺寸一般可分为25.4mm（1in）、16.9mm（2 / 3in）、12.7mm （ 1 / 2in）、8.47mm（1 /3in）和6.35mm（1 / 4in）等几种规格。选用镜头时，应使镜头尺寸与摄像机的靶面尺寸大小相吻合，并注意这样一个原则，即小尺寸靶面的CCD 可使用大尺寸的镜头，反之则不行。原因是： 如1 / 2 " CCD 摄像机采用1 / 3 " 镜头，则进光量会变小，色彩会变差，甚至图像也会缺损；反之，则进光量会变大，色彩会变好，图像效果肯定会变好。通常，摄像机最好还是选择与其完全相匹配的镜头。

3. 相对孔径
   在镜头里都设有一个光圈。光圈的相对孔径等于镜头的有效孔径与镜头焦距之比，镜头的相对孔径表征了镜头通光力，相对孔径越大，通过的光越多。所以，选用相对孔径大的镜头，可以降低对景物照明条件的要求。镜头都标出相对孔径的最大值，例如一个镜头标有“ Zoom LENS 3.5 ～ 70mm 1 ： 1.8 1/2" C ” ，就说明这是一个20 倍的变焦镜头，焦距为3.5~70mm ， 最大相对孔径是1:1.8 ， 成像尺寸是1/2in, C 型接口。

4. 镜头接口
   C 与CS 接口的区别在于镜头与摄像机接触面至镜头焦平面（ 摄像机CCD 光电感应器应处的位置〕的距离不同，C 型接口此距离为17.5mm，CS 型接口此距离为12.5mm 。C型镜头与C 型摄像机，CS 型镜头与CS 型摄像机可以配合使用。C 型镜头与CS 型摄像机之间增加一个5mm的C/CS转接环可以配合使用。CS型镜头与C型摄像机无法配合使用。