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监控场景的光学特性


大家知道,所有的视频监控系统,其最终目的都是要将监控场景(即被摄体)的可见与不可见的光学图像,不失真地变换为电学图像,并传输到终端的显示设备上还原显示出来。因此,对一个成功的视频监控系统的设计者来说,首先必须要了解所监控的场景,即被摄体的光学特性,才能更好地选择摄像机等部件,从而设计出一个优质的视频监控系统来。

一、监控场景的照度


由于监控场景的照度决定了到达摄像机镜头的光通量,所以照度是决定视频监控系统的图像质量的重要因素。无论被摄体对象如何,总可以将它们分为发光体(如炉膛火焰、沸腾的钢水和各种照明灯具等)与不发光体两类。过去对于采用一般的光导摄像管的摄像机来说,要求监控场景的照度最低应在100Lx以上;而对于彩色摄像机来说,其最低照度还应在1000Lx以上。由于绝大多数的物体是不发光体,因此要利用自然光源(太阳)和人造光源对监控场景进行照明。绝不能因为监控场景的照度不足而影响系统的图像质量。有的用户在选用摄像机时,往往用高灵敏度摄像机来解决被摄体照度不足的问题,但如能用照明的方法来增加被摄体的照度,不仅能节约购置高灵敏度摄像机所增加的费用,而且还会人为地压缩被摄物体的对比度范围,从而使监视器上看到的画面比较均匀。
因此,无论在室内还是室外、白昼还是黑夜,都必须考虑监控场景可用光线的照度和颜色,并将其与所用摄像机的灵敏度相比较。在白天,选用的摄像机必须配用自动光圈镜头或具有电子快门功能,以避免受到强光的影响;在夜间,必须使所用的人工照明的照度和光谱特性,与所用摄像机的光谱和照明灵敏度相匹配,以保证视频图像画面的质量。一般,光线越充足,图像画面就越清晰。我们在选用摄像机时要注意它的最低工作照度,由于还有镜头、色温等条件,所以实际上,监控场景的照度一般至少在最低照度的10倍以上才比较合适。
采用人造光源照明后,被摄体的照度是多少,在作视频监控工程时如何简便计算,也是大家所关心的问题。式中表明了计算监控场景照度E的关系

E=B/D2

式中,3为人造光源的亮度,单位为1m;。为光源至被摄体之间的距离,单位为m。表1列出了停车场、码头、建筑物外围和人行道等场所应当具备的照度推荐值。
 

表1 典型的监控场所推荐的照度范围

监控场所

室内外

照度/Ix

监控场所

室内外

照度/Ix

停车场

室内

50~500

精加工机床或车床

室内

2000~5000

码头

室内

200

正在使用中的仓库

室内

150~300

汽车修理厂

室内

500~1000

闲置仓库

室内

50

车库

室内

100~200

货场

室外

10~200

粗加工车间

室内

200~500

开放式停车场

室外

10~20

中等加工车间

室内

500~1000

带屋顶的停车场

室外

50

精加工车间

室内

1000~2000

停车场的入口

室外

50~500

 

 

二、监控场景的对比度


对于监控场景(被摄体)的照度,无论是设计者还是用户往往还比较重视,但对于监控场景(被摄体)本身的对比度,以及被摄体与背景的反差,则容易被忽视。大家知道,无论是对摄像器件,视频通道还是监视器的显示屏,其动态范围都是有一定限度的。特别是荧光屏所能显示的亮度范围,在较明亮的室内仅为(30~40):1,而实际被摄体在光源的照射下其亮度范围可高达几百比U这样,摄像机视野内的明暗差别就会大大超过视频系统所能显示的限度,而造成应该看见的暗部看不见,而亮部又会全部发白,以致严重影响系统的图像质量。为此,我们可以采取正确设置摄像机的位置、方向,以及在必要时采用辅助光源的办法来加以解决。
可供选择的压缩对比度的方法有如下几种。
(1)空间分离法。这种方法是将被摄体的对比度范围分开,即采用两台摄像机分别摄取亮部与暗部,然后分别用监视器进行观察。这种办法虽很简单,但要增加设备投资,且使观察者看不到被摄体的全貌。可在特殊情况下,这还是一种可供选择的方法,我们称之为空间分离法。
(2)时间分离法。这种方法是利用调整光圈的方法来压缩对比度,即对被摄体进行分时监视。也就是说,在某一时刻采用减小光圈数的办法对被摄体亮的部位进行监视,以便看清物体;反之用增大光圈数的办法对被摄体暗的部位进行监视。我们称此为时间分离法。
(3)频率分离法。这种方法是利用被摄体的光谱分布和采取特殊照明方式来压缩对比度。例如,对灼热的钢材、炉膛等进行监视时,由于被摄体幅射出的红外光特别强,所以可用红外滤光片把强的红外光滤去,或者采用红外摄像机只摄取红外部分,这实际上是相当于从光谱分布上将被摄体对比度分开,因此我们称此为频率分离法。
此外,在隧道内对交通流量进行监视,为了减轻汽车前灯的影响,一般在隧道内采用钠灯照明,并在镜头前加一块D线透过镜头来解决这一问题。
(4)采用y值可调的摄像机。采用y值可调的摄像机也能压缩对比度。因为y值是表示输出电压与亮度变化关系的值,在尸1时表示输出电压与亮度变化成正比。对视频监控系统,y值是摄像器件、视頻通道、显像管三者y值的总的效果:对成像器件,y值是等于或小于1,
第2章安防视频监控中的光源和光学系统的定值(当外部电路参数确定后);对显像管,/值是大于1的定值。因此,可调整的部分只有视频通道。也就是说,只有用视频通道的非线性特性来改善(或压缩)对比度范围。如在进行城市交通的视频监视时,被摄体经常处在强烈的日光照明下,这时就必须调整视频通道的7值,即调整摄像机的y值,使其对特别亮的部分进行压缩,从而达到好的监视效果。
(5)对被摄体的暗部进行照明。对被摄体暗部进行照明,也可以压缩被摄体的对比度。
(6)将安置监视器的房间的光线调暗。最后一个办法就是,可将设置监视器的房间的光线调暗,这也是提高视频监控系统对比度重现范围的有效办法,这时可使重现范围扩大到100:1。
三、监控场景物体的反射特性
监控场景(被摄体)即使有充分的照明,但当它是完全的光吸收体时也不会表现出亮度。在照明条件下之所以能看到被摄体的明和暗,以及各种色彩,是因为被摄体具有反射、吸收、透过特性的缘故。各种物质的吸收、反射、透过率特性如表2所示。

表2 各种材料的反射率、透过率和吸收率(单位:%)

 

反射率

透过率

吸收率

正反射

扩散反射

正透过

扩散透过

透明、半透明材料

地表空气(1km)晴天时

90

10

蒸馋水(1m)

2

75

25

海水(1m)

2

45

55

无色透明玻璃(2-5mm厚)

8~10

80~90

5~10

淡乳色单面毛玻璃(光面入射)

4~5

10~20

5~20

50~55

8~12

白色图画纸、绘图纸

75

25

白棉布

50~70

0.3~12

27~40

2~5

不透明材料

铝制品(普通品,正反射面)

60~73

27~40

玻璃镜(正反射面)

82~88

12~18

油烟(扩散面)

4

96

石膏(扩散面)

87

13

木材(白木)

40~60

40~60

白墙面

60

40

红砖

15

85

水泥面

25

75

白染料

有光泽者4~
6

60~80

15~40

黑染料

5

90~95

 
一般,监控场景(被摄体)的平均反射率以50%比较好。