《isp图像工程师——图像基础知识学习笔记二》

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 《isp图像工程师——图像基础知识学习笔记一》

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一、CCD彩色摄像机的主要技术指标

二、CCD彩色摄象机的可调整功能

三、基本指标知识

四、有关视频的基本知识

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一、CCD彩色摄像机的主要技术指标

1. CCD尺寸，亦即摄象机靶面。原多为1/2英寸，现在1/3英寸的已普及化，1/4英寸和1/5英寸也已商品化。

2. CCD像素，是CCD的主要性能指标，它决定了显示图像的清晰程度，分辨率越高，图像细节的表现越好。CCD是由面阵感光元素组成，每一个元素称为像素，像素越多，图像越清晰。现在市场上大多以25万和38万像素为划界，38万像素以上者为高清晰度摄象机。

3. 水平分辨率。彩色摄象机的典型分辨率是在320到500电视线之间，主要有330线、380线、420线、460线、500线等不同档次。 分辨率是用电视线（简称线TV LINES）来表示的，彩色摄像头的分辨率在330~500线之间。分辨率与CCD和镜头有关，还与摄像头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80线。 频带越宽，图像越清晰，线数值相对越大。

4. 最小照度，也称为灵敏度。是CCD对环境光线的敏感程度，或者说是CCD正常成像时所需要的最暗光线。照度的单位是勒克斯（LUX），数值越小，表示需要的光线越少，摄像头也越灵敏。月光级和星光级等高增感度摄象机可工作在很暗条件，
1~3lux属一般照度
月光型 :正常工作所需照度0.1LUX左右
星光型 : 正常工作所需照度0.01LUX以下
红外型 采用红外灯照明，在没有光线的情况下也可以成像（黑白）

5. 扫描制式。有PAL制和NTSC制之分。 中国采用隔行扫描（PAL）制式（黑白为CCIR），标准为625行，50场，只有医疗或其它专业领域才用到一些非标准制式。另外，曰本为NTSC制式，525行，60场（黑白为EIA）。

6. 摄象机电源。交流有220V、110V、24V，直流为12V 或9V。

7. 信噪比。典型值为46db，若为50db，则图像有少量噪声，但图像质量良好；若为60db，则图像质量优良，不出现噪声。

8. 视频输出。多为1Vp-p、75Ω，均采用BNC接头。

9. 镜头安装方式。有C和CS方式，二者间不同之处在于感光距离不同。

二、CCD彩色摄象机的可调整功能

（１）同步方式的选择
A、对单台摄象机而言，主要的同步方式有下列三种：
内同步——利用摄象机内部的晶体振荡电路产生同步信号来完成操作。
外同步——利用一个外同步信号发生器产生的同步信号送到摄象机的外同步输入端来实现同步。
电源同步——也称之为线性锁定或行锁定，是利用摄象机的交流电源来完成垂直推动同步，即摄象机和电源零线同步。
B、对于多摄象机系统，希望所有的视频输入信号是垂直同步的，这样在变换摄象机输出时，不会造成画面失真，但是由于多摄象机系统中的各台摄象机供电可能取自三相电源中的不同相位，甚至整个系统与交流电源不同步，此时可采取的措施有：
均采用同一个外同步信号发生器产生的同步信号送入各台摄象机的外同步输入端来调节同步。
调节各台摄象机的“相位调节”电位器，因摄象机在出厂时，其垂直同步是与交流电的上升沿正过零点同相的，故使用相位延迟电路可使每台摄象机有不同的相移，从而获得合适的垂直同步，相位调整范围0~360度。
（２）自动增益控制
所有摄象机都有一个将来自 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，需利用摄象机的自动增益控制（AGC）电路去探测视频信号的电平，适时地开关AGC，从而使摄象机能够在较大的光照范围内工作，此即动态范围，即在低照度时自动增加摄象机的灵敏度，从而提高图像信号的强度来获得清晰的图像。
（３）背景光补偿
通常，摄象机的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，背景光补偿有可能改善前景目标显示状况。
当背景光补偿为开启时，摄象机仅对整个视场的一个子区域求平均来确定其AGC工作点，此时如果前景目标位于该子区域内时，则前景目标的可视性有望改善。
（４）电子快门
在CCD摄象机内，是用光学电控影像表面的电荷积累时间来操纵快门。电子快门控制摄象机CCD的累积时间，当电子快门关闭时，对NTSC摄象机，其CCD累积时间为1/60秒；对于PAL摄象机，则为1/50秒。当摄象机的电子快门打开时，对于NTSC摄象机，其电子快门以261步覆盖从1/60秒到1/10000秒的范围；对于PAL型摄象机，其电子快门则以311步覆盖从1/50秒到1/10000秒的范围。当电子快门速度增加时，在每个视频场允许的时间内，聚焦在CCD上的光减少，结果将降低摄象机的灵敏度，然而，较高的快门速度对于观察运动图像会产生一个“停顿动作”效应，这将大大地增加摄象机的动态分辨率。
（５）白平衡
白平衡只用于彩色摄象机，其用途是实现摄象机图像能精确反映景物状况，有手动白平衡和自动白平衡两种方式。
A、自动白平衡
连续方式——此时白平衡设置将随着景物色彩温度的改变而连续地调整，范围为2800~6000K。这种方式对于景物的色彩温度在拍摄期间不断改变的场合是最适宜的，使色彩表现自然，但对于景物中很少甚至没有白色时，连续的白平衡不能产生最佳的彩色效果。
按钮方式——先将摄象机对准诸如白墙、白纸等白色目标，然后将自动方式开关从手动拨到设置位置，保留在该位置几秒钟或者至图像呈现白色为止，在白平衡被执行后，将自动方式开关拨回手动位置以锁定该白平衡的设置，此时白平衡设置将保持在摄象机的存储器中，直至再次执行被改变为止，其范围为2300~10000K，在此期间，即使摄象机断电也不会丢失该设置。以按钮方式设置白平衡最为精确和可靠，适用于大部分应用场合。
B、手动白平衡
开手动白平衡将关闭自动白平衡，此时改变图像的红色或兰色状况有多达107个等级供调节，如增加或减少红色各一个等级、增加或减少兰色各一个等级。除次之外，有的摄象机还有将白平衡固定在3200K（白炽灯水平）和5500K（曰光水平）等档次命令。
（６）色彩调整
对于大多数应用而言，是不需要对摄象机作色彩调整的，如需调整则需细心调整以免影响其他色彩，可调色彩方式有：
红色—黄色色彩增加，此时将红色向洋红色移动一步。
红色—黄色色彩减少，此时将红色向黄色移动一步。
兰色—黄色色彩增加，此时将兰色向青兰色移动一步。
兰色—黄色色彩减少，此时将兰色向洋红色移动一步。

三、基本指标知识

DSP摄象机 DSP这个名词在CCTV工业中越来越被广泛使用。DSP在模拟制式的基础上引入部分数字化处理技术，称为数字信号处理（DSP，DIGITAL SIGNAL PROCESSO

（Digital Signal Processing）是数字信号处理的缩写。DSP芯片提高了摄像机的视频处理及操作性能 。DSP技术不仅使摄像机在性能上获得优势，同时也使生产商节省了零件及装配时间，从而降低了成本。

低照度的正确认识 谓照度？照度（LUX）数值达到多少为低照度？多少数值能适应摄取影像的周围环境？
照度为一亮度单位，顾名思义，是指摄像机在摄取影像时，对周围环境照明亮度的需求，1LUX大约等于1烛光在1米距离的照度，我们在摄像机参数规格中常见的最低照度（MINIMUM.ILLUMINATION），表示该摄像机只需在所标示的LUX数值下，即能获取清晰的影像画面，此数值越小越好，说明CCD的灵敏度越高。同样条件下，黑白摄像机所需的照度远比尚须处理色彩浓度的彩色摄像机要低10倍。
一般情况：夏曰阳光下为100，000LUX；阴天室外为10000LUX；室内曰光灯为100LUX；距60W台灯60CM桌面为300LUX；电视台演播室为1000LUX；黄昏室内为10LUX；夜间路灯为0.1LUX；烛光（20CM远处）10～15LUX。
目前市场上标榜的低照度摄像机无论是厂商或是进口商，对低照度的定义众说纷纭，莫衷一是，彩色摄像机从0.0004LUX～1LUX，黑白摄像机从0.0003～0.1LUX均有，（若搭配红外线，则均可达0LUX），这就是国内市场在CCTV产业的技术规格方面并无统一标准，而产生各说各话的情况。

干扰(Interference)：倾向于扰乱期望获得的信号的外来杂散信号。
隔行扫描，2：1~( Interlace,2 to 1)：闭路电视系统中使用的一种扫描技术。其中，每帧图像由两场组成，两个场以2比1的速率精确地同步扫描，相连场中相邻扫描行间的时间或相位关系是固定的。
随机交错( Interlace,random) ：闭路电视系统中使用的一种扫描技术。其中，组成帧的两场并不同步，相连场邻行的时间或相位关系不固定。。
光圈值 / F值(f-number)：镜头的透光能力。F值是物镜焦距（FL）与入射光瞳周长（D）的比值，即F＝FL / D。F值与焦距成正比，与透镜周长成反比。F值越小，透镜的透光性能越好。
焦距(FL)：透镜中心或其第二主平面到图像聚焦点处的距离。FL的单位一般为毫米或英寸。
焦距，后~(Focal length , back)：透镜后顶点到透镜焦平面间的距离。
焦平面(Focal plane)：与透镜或反射镜的主轴成直角且通过聚焦点的平面；该平面上生成的图像效果最好。

IP率是器材防尘防水的一个指标。此项指标在欧洲及英国产品中经常使用，由两位数字组成。前一位是对固体的防御指标，后一位是对液体的防御指标。

与防护罩有关的IP率：

IP55：防尘，但会进入有限的少量灰尘。防止来自各个方向的低压水，但会进入有限的少量水。
IP65：防尘，不会进入灰尘。防止来自各个方向的低压水，但会进入有限的少量水。
IP66：防尘，不会进入灰尘。防止来自各个方向的高压水，但会进入有限的少量水。

四、有关视频的基本知识

（１）RGB

根据三基色原理，在视频领域利用R（红）、G（绿）、B（蓝）三色不同比例的混合来表现丰富多采的现实世界。首先，通过摄像机的光敏器件像CCD（电荷耦合器件），将光信号转换成RGB三路电信号；其次，在电视机或监视器内部也使用RGB信号分别控制三支电子枪轰击荧光屏以产生影象。这样，由于摄像机中原始信号和电视机、监视器中的最终信号都是RGB信号，因此直接使用RGB信号作为视频信号的传输和记录方式会获得极高的信号质量。但这样做会极大地加宽视频带宽从而增加设备成本，且这也与现行黑白电视不兼容，因此，在实际应用中不这样做，而是按亮度方程Y=0.39R+0.5G+0.11B（PAL制）RGB信号转换成亮度信号Y和两个色差信号U（B-Y）、V（R-Y），形成YUV分量信号。此种信号利用人眼对亮度细节分辨率高而对色度细节分辨率低的特点，对U、V信号带宽压缩。U、V信号还可进一步合成一个色度信号C，进而形成Y/C记录方式。由于记录时对C信号采取降频处理，因此也称彩色降频方式。Y和C又可进一步形成复合视频（Composite），即彩色全电视信号，这种方式便于传输和电视信号的发射。将RGB信号转换成YUV信号、Y/C信号直至composite信号的过程称为编码，逆过程则为解码。由此可看出，由于转换步骤的多少，视频输出质量由YUV端口到Y/C端口到Composite端口依次降低。因此，在视频捕捉或输出时选择合适的输入、输出端口可提高视频质量。另外，还应提供同步信号以保证传送图象稳定再现。
（2）标准

 视频影像是由一系列被称为帧的单个静止画面组成。一般帧率在24-30帧/秒时，视频运动非常平滑，而低于15帧/秒时就会有停顿感。在PAL制中，规定25帧/秒，每帧水平625扫描行（分奇数行、偶数行，即奇、偶两场，因采用隔行扫描方式）。在每一帧中，电子束由左上角隔行扫至右下角后再跳回至左上角有一个逆程期，约占整个扫描时间的8%，因此625行中有效行只有576行，即垂直分辨率576点。按现行4:3电视标准，则水平分辨率为768点，这就是常见的一种分辨率768*576。另外，还有一种遵循CCIR601标准的PAL制，其分辨率为720*576。对于NTSC制，规定30帧/秒，525行/帧，隔行扫描，分奇、偶两场，图像大小720*486。由于PAL制与NTSC制处理方式不同，因此互不兼容。确定视频每一帧时间位置及视频片段持续时间，使用的是专门的标准时间编码格式SMPTE时间码，表示为“H：M：S：F”，即“时：分：秒：帧”。
（3）P与N

 PAL制与NTSC制一般都是模拟信号，视频捕捉卡可完成对它的A/D转换。视频捕捉卡先对输入视频信号以4:2:2格式进行采样，然后进行量化，一般对YUV（也即对RGB）各8bit量化，因而产生24位真彩。由于一帧图象数字化后数据量很大，为节省存储空间，还要对其进行压缩处理。压缩处理可分为有损压缩和无损压缩，而前者是以牺牲图象细节为代价的。压缩可由软、硬件实现，后者可实现实时压缩，而前者往往要在分辨率、颜色深度、帧率等方面做出一些牺牲。选择压缩比时，压缩比越高，图象质量越差。经过上述过程，模拟视频即变成数字视频，而这一过程的逆过程即可实现数字视频的解压缩与回放。另外，利用某些视频捕捉卡的输入、输出设置，能简单地实现PAL制与NTSC制的转换。
（4）显示

数字视频经解压缩后，可送入显示卡并在计算机的显示器上显示出来。为在计算机的显示器上精确显示数字视频，必须使视频显示模式与数字视频的类型相匹配。由于显象管存在着显示亮度信号的非线形，因此送入的图象信号必须预先补偿，这就是^ 校正，它只对中间色调产生影响。计算机显示器的^ 一般为1.8，而PAL制图象的^γ 值大约也是1.8，影响不大；但NTSC制图象的^γ 值为2.2，如果不经调整显示图象就会发白

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