CCD攝像機:半導體成像器件-中文百科頻道

基本内容

CCD是Charge Coupled Device(電荷耦合器件)的縮寫，它是一種半導體成像器件，因而具有靈敏度高、抗強光、畸變小、體積小、壽命長、抗震動等優點。

工作方式

被攝物體的圖像經過鏡頭聚焦至CCD芯片上，CCD根據光的強弱積累相應比例的電荷，各個像素積累的電荷在視頻時序的控制下，逐點外移，經濾波、放大處理後，形成視頻信号輸出。視頻信号連接到監視器或電視機的視頻輸入端便可以看到與原始圖像相同的視頻圖像。它是一種半導體成像器件，為簡化CCD攝像機的供電，一般從外部隻輸入一種電源（12V），而機内其他各種電壓值的電源都由電源變換獲得。

分辨率的選擇

評估攝像機分辨率的指标是水平分辨率，其單位為線對，即成像後可以分辨的黑白線對的數目。常用的黑白攝像機的分辨率一般為380-600，彩色為380-480，其數值越大成像越清晰。一般的監視場合，用400線左右的黑白攝像機就可以滿足要求。而對于醫療、圖像處理等特殊場合，用600線的攝像機能得到更清晰的圖像。

成像靈敏度

通常用最低環境照度要求來表明攝像機靈敏度，黑白攝像機的靈敏度大約是0.02-0.5Lux（勒克斯），彩色攝像機多在1Lux以上。0.1Lux的攝像機用于普通的監視場合；在夜間使用或環境光線較弱時，推薦使用0.02Lux的攝像機。與近紅外燈配合使用時，也必須使用低照度的攝像機。

另外攝像的靈敏度還與鏡頭有關，0.97Lux/F0.75相當于2.5Lux/F1.2相當于3.4Lux/F1.參考環境照度：夏日陽光下100000Lux陰天室外10000Lux電視台演播室1000Lux距60W台燈60cm桌面300Lux室内日光燈100Lux黃昏室内10Lux20cm處燭光10-15Lux夜間路燈0.1Lux

電子快門

電子快門的時間在1/50-1/100000秒之間，攝像機的電子快門一般設置為自動電子快門方式，可根據環境的亮暗自動調節快門時間，得到清晰的圖像。有些攝像機允許用戶自行手動調節快門時間，以适應某些特殊應用場合。

外同步與外觸發

外同步是指不同的視頻設備之間用同一同步信号來保證視頻信号的同步，它可保證不同的設備輸出的視頻信号具有相同的幀、行的起止時間。為了實現外同步，需要給攝像機輸入一個複合同步信号（C-sync）或複合視頻信号。外同步并不能保證用戶從指定時刻得到完整的連續的一幀圖像，要實現這種功能，必須使用一些特殊的具有外觸發功能的攝像機。

CCD器件由矽材料制成，對近紅外比較敏感，光譜響應可延伸至1.0um左右。其響應峰值為綠光（550nm），分布曲線如右圖所示。夜間隐蔽監視時，可以用近紅外燈照明，人眼看不清環境情況，在監視器上卻可以清晰成像。由于CCD傳感器表面有一層吸收紫外的透明電極，所以CCD對紫外不敏感。彩色攝像機的成像單元上有紅、綠、藍三色濾光條，所以彩色攝像機對紅外、紫外均不敏感。

芯片的尺寸

CCD的成像尺寸常用的有1/2"、1/3"等，成像尺寸越小的攝像機的體積可以做得更小些。在相同的光學鏡頭下，成像尺寸越大，視場角越大。芯片規格成像面大小（寬X高）對角線1/26.4x4.8mm8mm1/34.8x3.6mm6mm攝像機鏡頭選購指南在電視監控系統中如何根據現場被監視環境，正确選用攝像機鏡頭是非常重要的，因為它直接影響到系統組成後在系統末端監視器上所看到的被監視面畫的效果能否滿足系統的設計要求（就畫面範圍或圖像細節而言），所以正确的選用攝像機鏡頭可以使系統得到最優化設計并可獲得良好的監視效果。

鏡頭選用

攝像機鏡頭就光圈而言可分為手動光圈鏡頭及自動光圈鏡頭兩種，就焦距而言又可分為定焦鏡頭及變焦鏡頭兩種。下面就以使用環境的不同談如何正确選用攝像機鏡頭。

1、手動、自動光圈鏡頭的選用

手動、自動光圈鏡頭的選用取決于使用環境的照度是否恒定。對于在環境照度恒定的情況下，如電梯轎箱内、封閉走廊裡、無陽光直射的房間内，均可選用手動光圈鏡頭，這樣可在系統初裝調試中根據環境的實際照度，一次性整定鏡頭光圈大小，獲得滿意亮度畫面即可。

對于環境照度處于經常變化的情況，如随日照時間而照度變化較大的門廳、窗口及大堂内等，均需選用自動光圈鏡頭（必須配以帶有自動光圈鏡頭插座的攝像機），這樣便可以實現畫面亮度的自動調節，獲得良好的較為恒定亮度的監視畫面。對于自動光圈鏡頭的控制信号又可分為DC及ⅥDEO控制兩種，即直流電壓控制及視頻信号控制。這在自動光圈鏡頭的類型選用上，攝像機自動光圈鏡頭插座的連接方式上，以及選擇自動光圈鏡頭的驅動方式開關上，三者注意協調配合好即可。

2、定焦、變焦鏡頭的選用

定焦、變焦鏡頭的選用取決于被監視場景範圍的大小，以及所要求被監視場景畫面的清晰程度。鏡頭規格（鏡頭規格一般分為1/3″、1/2″和2/3″等）一定的情況下，鏡頭焦距與鏡頭視場角的關系為：鏡頭焦距越長，其鏡頭的視場角就越小；在鏡頭焦距一定的情況下、

鏡頭規格與鏡頭視場角的關系為：鏡頭規格越大，其鏡頭的視場角也越大。所以由以上關系可知：在鏡頭物距一定的情況下，随着鏡頭焦距的變大，在系統末端監視器上所看到的被監視場景的畫面範圍就越小，但畫面細節越來越清晰；而随着鏡頭規格的增大，在系統末端監視器上所看到的被監視場景的畫面範圍就增大，但其畫面細節越來越模糊。在鏡頭規格及鏡頭焦距一定的前提下，CS型接口鏡頭的視場角将大于C型接口鏡頭的視場角。常用的鏡頭型号有4mm、8mm、12mm、16mm。

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，通常我們所講的視場角一般是指鏡頭的圖像水平視場角。

在狹小的被監視環境中如電梯轎箱内，狹小房間均應采用短焦距廣角或超廣角定焦鏡頭，如選用鏡頭規格為1/2″，CS型接口，鏡頭焦距為3.6mm或2.6mm鏡頭，這些鏡頭視場角均不小于99°或127°，這對于攝像機在狹小空間裡一般标高為2.5m左右時，其鏡頭的視場角範圍足以複蓋整個近距離狹小被監視空間。也可根據現場實際情況選用手動變焦鏡頭如日産ComputarT2Z2814CS－2鏡頭，這種鏡頭為1/3″CS型接口手動光圈鏡頭，其焦距2倍可調（手動調焦）。調焦範圍為2.8～6.0mm，視場角變化範圍為96°～47.2°，這種鏡頭非常适合在狹小的被監視環境中使用，在使用時可方便地根據實際需要，靈活實現對被監視場景的“點”或“面”的監視效果。

對于一般變焦（倍）鏡頭而言，由于其最小焦距通常為6.0mm左右，故其變焦（倍）鏡頭的最大視場角為45°左右，如将此種鏡頭用于這種狹小的被監視環境中，其監視死角必然增大，雖然可通過對前端雲台進行操作控制，以減少這種監視死角，但這樣必将會增加系統的工程造價（系統需增加前端解碼器、雲台、防護罩等），以及系統操控的複雜性，所以在這種環境中，不宜采用變焦（倍）鏡頭。

在開闊的被監視環境中，首先應根據被監視環境的開闊程度，用戶要求在系統末端監視器上所看到的被監視場景畫面的清晰程度，以及被監視場景的中心點到攝像機鏡頭之間的直線距離為參考依據，在直線距離一定且滿足複蓋整個被監視場景畫面的前提下，應盡量考慮選用長焦距鏡頭，這樣可以在系統末端監視器上獲得一幅具有較清晰細節的被監視場景畫面。

在這種環境中也可考慮選用變焦（倍）鏡頭（電動三可變鏡頭），這可根據系統的設計要求以及系統的性能價格比決定，在選用時也應考慮兩點：

⑴在調節至最短焦距時（看全景）應能滿足複蓋主要被監視場景畫面的要求；

⑵在調節至最長焦距時（看細節）應能滿足觀察被監視場景畫面細節的要求。通常情況下，在室内的倉庫、車間、廠房等環境中一般選用6倍或者10倍鏡頭即可滿足要求，而在室外的庫區、碼頭、廣場、車站等環境中，可根據實際要求選用10倍、16倍或20倍鏡頭即可（一般情況下，鏡頭倍數越大，價格越高，可在綜合考慮系統造價允許的前提下，适當選用高倍數變焦鏡頭）。

3、正确選用鏡頭焦距的理論計算

攝取景物的鏡頭視場角是極為重要的參數，鏡頭視場角随鏡頭焦距及攝像機規格大小而變化（其變化關系如前所述），複蓋景物鏡頭的焦距可用下述公式計算：⑴f=u*D/U；⑵f=h*D/Hf：鏡頭焦距，U：景物實際高度，H：景物實際寬度，D：鏡頭至景物實測距離，u：圖像高度，h：圖像寬度。舉例說明：當選用1/2″鏡頭時，圖像尺寸為u=4.8mm，h=6.4mm，鏡頭至景物距離D=3500mm，景物的實際高度為U=2500mm（景物的實際寬度可由下式算出H=1.333·U，這種關系由攝像機取景器CCD片決定）。将以上參數代入公式⑴中，可得f=4.8·3500/2500=6.72mm，故選用6mm定焦鏡頭即可。

構成原理

電路組成

構成IT-CCD黑白攝像機的電路由IT-CCD攝像器件，時序脈沖發生器及驅動電路，視頻的采樣與保持電路，視頻處理電路，同步信号發生器，電源變換電路等構成。

工作原理

⑴CCD攝像器件：其作用是進行光電轉換，輸出視頻信号

⑵時序脈沖發生器及驅動電路：其作用是産生CCD攝像器件進行光電轉換、電荷存儲、電荷轉移和信号輸出所需的各種脈沖信号，并踐行放大輸出

⑶視頻的采樣與保持電路：其作用是消除CCD輸出的視頻信号（此信号在實踐上市離散的，在幅度上是連續的）中，因信号電荷轉移而産生的各種不應有的信号。經該電路處理，使視頻信号變成數字的視頻信号。

⑷視頻處理電路：該電路與攝像管式攝像機電路具有完全相同的特點，所涉及電路有鉗位放大（clamperamplifier,CLAMPERAMP）、Y校正（YCORRECT）、白電平切割（whiteclip,WHTCLIP）、消隐混合（blankingmax,BLKMAX）、黑白平控制（PEDCONT）、同步混合（SYNC）、輸出激勵（outputdriver）等電路。視頻信号經視頻處理電路處理後，形成标準的全電視信号。

⑸同步信号發生器：這部分電路與攝像管式攝像機中的同步信号發生器的原理基本相同，主要産生視頻處理電路所需的脈沖信号，它們是複合消隐脈沖（BLK）、複合同步脈沖(SYNC）、水平驅動信号HD、隔行脈沖（O/E）。但因CCD攝像機沒有掃描電路，故不需要供掃描電路用的驅動脈沖。

⑹電源變換電路：為簡化CCD攝像機的供電，一般從外部隻輸入一種電源（12V），而機内其他各種電壓值的電源都由電源變換獲得。

基本簡介

CCD攝像機是電荷耦合器件(ChargeCoupledDevice)的簡稱，它能夠将光線變為電荷并将電荷存儲及轉移，也可将存儲之電荷取出使電壓發生變化，因此是理想的攝像機元件，以其構成的CCD攝像機具有體積小、重量輕、不受磁場影響、具有抗震動和撞擊之特性而被廣泛應用。

工作原理

CCD的工作原理是：被攝物體反射光線，傳播到鏡頭，經鏡頭聚焦到CCD芯片上，CCD根據光的強弱積聚相應的電荷，經周期性放電，産生表示一幅幅畫面的電信号，經過濾波、放大處理，通過攝像頭的輸出端子輸出一個标準的複合視頻信号。這個标準的視頻信号同家用的錄像機、VCD機、家用攝像機的視頻輸出是一樣的，所以也可以錄像或接到電視機上觀看。

主要特點

現在攝像機的功能很多，如自動白平衡調整、自動增益調整、電子快門、逆光補償、多種同步方式、Y/C分離輸出等等。但考察攝像機檔次的最主要指标是水平清晰度、最低照度（靈敏度）和信噪比。

清晰度

清晰度數是衡量攝像機優劣的一個重要參數，它指的是當攝像機攝取等間隔排列的黑白相間條紋時，在監視器（應比攝像機的分辨率高）上能夠看到的最多線數。當超過這一線數時，屏幕上就隻能看到灰蒙蒙的一片而不能再辨出黑白相間的線條。

工業監視用攝像機的分辨率通常在380~460線之間，廣播級攝像機的分辨率則可達到700線左右。清晰度是由攝像器件像素多少決定的，顯然攝像器件的像素越多，得到的圖像越清晰，反之也然。清晰度越高，說明攝像機檔次越高，反之越低。

最低照度

最低照度是最低照度是當被攝景物的光亮度低到一定程度而使攝像機輸出的視頻信号電平低到某一規定值時的景物光亮度值。一般彩色攝像機的最低照度為2～3LUX，照度的測定是以在一定的鏡頭光圈系數為前提，因此，不能隻看攝像機說明書中标明的最低照度，應按攝像機在同一光圈系數下其照度值的大小。最低照度越小，攝像機檔次越高。相對于彩色攝像機而言，黑白攝像機由于沒有色度處理而隻對光線的強弱（亮度）信号敏感，所以黑白攝像機的照度比彩色攝像機照度要低，一般可做到0.1LUX在F1.4時，至于微光攝像機則更低。有關光圈系數的知識請參閱鏡頭一節。

視頻信号的标稱值為1Vp-p，标準值為0.7Vp-p，最低照度時的視頻信号值為1/3到1/2的标準植。所以攝像機在最低照度時的圖像，決不會“如同白晝一樣”。另外，攝像機在最低照度時産生的圖像清晰度，是用電視信号測試卡進行測式的，其黑白相間的條紋，要求黑色反射率近于0%，白色反射率大于89.9%。而我們在現場觀察時有時不具備這樣的條件，比如：樹葉和草地的反射率很低，反差很小，就不易獲得清晰圖像。因此實際使用當中不能以攝像機标稱的最低照度作為衡量現場環境照度的标準。

信噪比

信噪比也是攝像機的一個重要的性能指标。當攝像機攝取較亮場景時，監視器顯示的畫面通常比較明快，觀察者不易看出畫面中的幹擾噪點；而當攝像機攝取較暗的場景時，監視器顯示的畫面就比較昏暗，觀察者此時很容易看到畫面中雪花狀的幹擾噪點。幹擾噪點的強弱（也即幹擾噪點對畫面的影響程度）與攝像機信噪比指标的好壞有直接關系，即攝像機的信噪比越高，幹擾噪點對畫面的影響就越小。

所謂“信噪比”指的是信号電壓對于噪聲電壓的比值，通常用符号S/N來表示。由于在一般情況下，信号電壓遠高于噪聲電壓，比值非常大，因此，實際計算攝像機信噪比的大小通常都是對均方信号電壓與均方噪聲電壓的比值取以10為底的對數再乘以系數20，單位用dB表示。

一般攝像機給出的信噪比值均是在AGC（自動增益控制）關閉時的值，因為當AGC接通時，會對小信号進行提升，使得噪聲電平也相應提高。CCD攝像機信噪比的典型值一般為45dB~55dB。測量信噪比參數時，應使用視頻雜波測量儀直接連接于攝像機的視頻輸出端子上

自動增益控制

AGC——AutomaticGainControl的縮寫。所有攝象機都有一個将來自CCD的信号放大到可以使用水準的視頻放大器，其放大量即增益，等效于有較高的靈敏度，可使其在微光下靈敏，然而在亮光照的環境中放大器将過載，使視頻信号畸變。為此，需利用攝象機的自動增益控制（AGC）電路去探測視頻信号的電平，适時地開關AGC，從而使攝象機能夠在較大的光照範圍内工作，此即動态範圍，即在低照度時自動增加攝象機的靈敏度，從而提高圖像信号的強度來獲得清晰的圖像。具有AGC功能的攝像機，在低照度時的靈敏度會有所提高，但此時的噪點也會比較明顯。這是由于信号和噪聲被同時放大的緣故。

背景光補償

BLC——BackLightCompesation的縮寫，也稱作逆光補償或逆光補正，它可以有效補償攝像機在逆光環境下拍攝時畫面主體黑暗的缺陷。通常，攝象機的AGC工作點是通過對整個視場的内容作平均來确定的，但如果視場中包含一個很亮的背景區域和一個很暗的前景目标，則此時确定的AGC工作點有可能對于前景目标是不夠合适的，背景光補償有可能改善前景目标顯示狀況。

當引入背光補償功能時，攝像機僅對整個視場的一個子區域（如從第80行~200行的中心區域）進行檢測，通過求此區域的平均信号電平來确定AGC電路的工作點。由于子區域的平均電平很低，AGC放大器會有較高的增益，使輸出視頻信号的幅值提高，從而使監視器上的主體畫面明朗。此時的背景畫面會更加明亮，但其與主體畫面的主觀亮度差會大大降低，整個視場的可視性得到改善。

當背景光補償為開啟時，攝象機僅對整個視場的一個子區域求平均來确定其AGC工作點，此時如果前景目标位于該子區域内時，則前景目标的可視性有望改善。

電子快門

電子快門的英文全稱為ElectronicShutter，是對比照相機的機械快門功能提出一個術語，它相當于控制CCD圖像傳感器的感光時間。由于CCD感光的實質是信号電荷的積累，則感光時間越長，信号電荷的積累時間就越長，輸出信号電流的幅值也就越大。通過調整光生信号電荷的積累時間（即調整時鐘脈沖的寬度），即可實現控制CCD感光時間的功能。

白平衡

白平衡（WhiteBalance），隻用于彩色攝象機，其用途是實現攝象機圖像能精确反映景物狀況，有手動白平衡和自動白平衡兩種方式。

自動白平衡（AWB，AutomaticWhiteBalance）有分為連續白平衡和自動控制白平衡。

連續白平衡也稱為自動跟蹤白平衡（AutomaticTrackingWhitebalance，ATW），是随着景物色彩溫度的改變而連續地調整，範圍為2800~6000K。這種方式對于景物的色彩溫度在拍攝期間不斷改變的場合是最适宜的，使色彩表現自然，但對于景物中很少甚至沒有白色時，如場景大部分是藍天白雲或夕陽等高色溫物體及場景比較昏暗的場合下，連續的白平衡不能産生最佳的彩色效果。

自動控制白平衡（AutomaticWhitebalanceControl，AWC），需要先将攝象機對準諸如白牆、白紙等白色參考目标，然後将通過菜單或開關設置從手動改變為自動方式，保留在該位置幾秒鐘或者至圖像呈現白色為止，在白平衡被執行後，将自動方式開關撥回手動位置以鎖定該白平衡的設置，此時白平衡設置将保持在攝象機的存儲器中，直至再次執行被改變為止，其範圍為2300~10000K，在此期間，即使攝象機斷電也不會丢失該設置。以按鈕方式設置白平衡最為精确和可靠，适用于大部分應用場合。

手動白平衡關閉自動白平衡，通過手動調節紅色或藍色調整裝置，以改變紅色或藍色狀況，一般可調等級多達107個，如增加或減少紅色各一個等級、增加或減少藍色各一個等級。

除此之外，有的攝象機還有将白平衡固定在3200K（白熾燈水平）和5500K（日光水平）等檔次命令。