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安防视频监控系统前端摄像机——CCD摄像机的功能及其调整


除了CCD摄像机的基本参数外,各品牌的摄像机大都还有一些附带的功能及调整,如自动光圈接口、电子快门、自动增益控制、逆光补偿、白平衡、黑平衡、线锁定同步及外同步等。

一、自动光圈(Auto IRIS)

一般,摄像机在大范围光照度变化的场合应用时,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,其摄像效果会有很大的差别。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。所以,只有使用自动光圈镜头,才能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,CCD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,VD)中的一种驱动方式,有些则可同时提供DC和VD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1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。

图1 摄像机的自动光圈接口

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2所示。

图2  一种自动光圈控制电路的方框图

由图可知,从处理放大器来的视频信号,经放大后进入开关S1S2。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。

二、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。

目前,一般摄像机绝大多数都带有电子快门功能,电子快门时间为1/50~1/10000s。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累积电子快门方式。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。由于电荷的累积作用,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。常见的场累积时间一般为2场、4场或6场。值得指出的是,这种多场累积电子快门方式,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3所示。

图3 电子快门速度的控制方法

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,输出信号电流也较大,此时电子快门自动调节到高速挡,使信号电荷的积累时间变短,从而使输岀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摄像器件的输岀电流基本保持稳定。

提出注意的是:当选用高速电子快门挡时,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。例如,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图像,或公路上行驶车辆的场景监控等。

三、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0.7%p。为了能在不同的景物照度条件下都能输出0.7%p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,使输出信号幅值基本维持不变。值得注意的是,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图书中都可找到,因此这里不再赘述。

四、逆光补偿(BLC)

一般,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:上述两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,例如,在岀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。逆光补偿也称为背光补偿(Back-Light Compensation,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。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摄像机好些。如台湾敏通公司的ALPHA系列摄像机将CCD感光区分成7个子块,新开发的DSP处理器M88更进一步分为48个子块,因而调整更加精确,更适合用于高难度的照明情况。

五、白平衡(White Balance)

由光源的色温概念中知,同一光源在不同的色温下,或不同的光源在同一色温下,人眼感觉其照射的白色物体的颜色会有差异。例如,同一房间内同时开启日光灯及白炽灯照明,人眼会感觉日光灯照射的白色墙壁偏蓝,而白炽灯照射的白色墙壁偏红。由此可知,彩色摄像机在不同的环境色温下,对白色墙壁应正确地重现白色,因此需要进行白平衡调整,所以,白平衡是彩色摄像机的重要参数,它直接影响重现图像的彩色效果。当摄像机的白平衡设置不当时,重现图像就会出现偏色现象,特别是会使原本不带色彩的景物(如白色的墙壁等)也着上了颜色。

(1)白平衡的含义。由于彩色摄像机需输出有“彩色”的视频信号,而这个“彩色”是用亮度、色调、饱和度来描述的,其中亮度用来表示某彩色光的明亮程度,色调反映颜色的种类,饱和度是指颜色的纯度或颜色的深浅程度。一般把色调和饱和度通称为色度,因此色度表示颜色的类别与深浅程度,它与亮度一起描述“彩色”。

自然界中常见的各种颜色光,都可由红、绿、蓝三种颜色光按不同比例相配而成,而绝大多数颜色光也可以分解成红、绿、蓝三种色光。在理想情况下,彩色CCD摄像机的红、绿、蓝三条等效光路得到的光能量是相等的,所以摄像机输出的红、绿、蓝信号电压也是相等的,从而使标准彩色监视器能重现彩色摄像机所摄的纯白色的景物。因此,人们把拍摄白色物体时摄像机输出的红、绿、蓝三基色信号电压相等(即UR=UG=UB)的现象,称为白平衡。

由于显像管只有得到三个幅度相同的基色电压时,才能显示出标准白色。在拍摄同一白色景物的情况下,当光源的色温变化时必须设法保持摄像机输出的三个基色信号电压幅度相等。通常,在光源色温变化时,人们用调节红、绿、蓝三路增益的方法来维持UR=UG=UB的关系。这种调节就叫做白平衡调节或白平衡调整。

一般,白平衡的调整是在一定范围内进行的,当光源色温的变化范围较大时,单靠调整基色信号的增益可能仍达不到理想的效果。在这种情况下,就要通过使用色温校正片来改变一下入射到CCD图像传感器的光的光谱特性。广播级的彩色摄像机一般都配有高中低三档色温校正片,而在监控系统中所用的摄像机一般都不配备色温校正片。

值得指岀的是,摄像机的白平衡性能表现为被摄景物在监视器上的色彩还原,因此监视器本身不能偏色,否则就无法判定摄像机偏色。为此,可使用视频信号测试光碟,向监视器输出一个白场信号,再观察荧屏的白色是否偏色。

(2)自动白平衡(Auto White Balance,AWB)调整。白平衡的调整是在摄像机中的处理放大器中进行的,因而可通过调整红、蓝路信号放大器的增益,使红、绿、蓝三路信号满足UR=UG=UB的关系,即可完成白平衡的调整。其调整要求是:在任何光源下,在拍摄图像之前,首先要拍摄一个标准的白色目标(通常为标准白平衡测试卡),再调节各路放大器增益使之达到白平衡标准,然后才能正式拍摄其他图像。因此,当照射光源的色温变化时,必须重新调整白平衡。

在实际的视频监控系统的应用中,摄像机通常都是长时间地工作,甚至是24h连续工作,光源色温及电路参数(尤其是在室外应用时)都会发生一定的变化,因而要多次进行手动白平衡的调整是不现实的。所以,现行彩色摄像机几乎百分之百地应用了自动白平衡技术。

自动白平衡通常有两种处理方法。

①将处理放大器输出的红、绿、蓝三基色信号送入白平衡电路,分别经白平衡窗口(也称为白平衡门)脉冲取样后加以整流,以得到平均直流电平,再将红路和蓝路的平均电平分别与绿路的平均电平进行比较。以绿路电平为基准,将所得的误差电压放大后送回处理放大器的增益控制级,从而改变红、蓝两路的增益,使其输出信号电平与绿路信号电平相等,以实现白平衡。这种处理方法的原理如图4所示。

图4 自动白平衡调整原理

当白平衡调整完毕,自动白平衡电路应断开。此时的误差电压应保持不变,并控制着增益控制级以维持白平衡。误差电压的保持方式分为模拟和数字两种。

•误差电压的模拟保持方式是,将误差电压存储在图4中的电容器C上。这个电容器的绝缘电阻应当尽可能地高,其4h内记忆电平的变化要小于1%,因此与电容C并联的等效电阻至少要大于105MΩ,这就要求C后面的运算放大器应是高输入阻抗型的,其差模输入电阻应大于106MΩ以上。

•误差电压的数字保持方式是,将误厅电压先转变成数字信号存储起来,然后变成模拟电压送到增益控制级,只要计数器的电源不断开,数字信号就维持不变,误差电压也就不变。

②将色差信号R-Y和B-Y送入自动白平衡电路,经R、C网络积分后,与零电平进行比较。当拍摄白色景物并达到白平衡时,两个色差信号都应当是零。因此,通过将色差信号与零电平进行比较,即可实现白平衡调整。如当R-Y>0时,则比较器输出电压就加到红路增益控制级,使其增益减小,直到R-Y=0;当R-Y<0时,则红路增益应当增大。其中蓝路增益的控制,则由B-Y信号控制,具体控制方法与红路相同。

目前的彩色摄像机,大多具有内置自动白平衡调整的功能。中高档摄像机还可有多种白平衡选择方式。在摄像机的背面板或侧面板有一标有WB(即白平衡)字样的微型旋转开关,在开关的周边则标有Auto、3200K、5600K、9000K等字样,当开关箭头指向Auto时,表明摄像机工作是在自动白平衡状态:当开关箭头指向3200K时,则表明摄像机的白平衡调整是按5600K色温进行设置的等。

六、黑平衡(Black Balance)

黑平衡也是彩色摄像机的一个参数,一般广播级摄像机都有黑平衡调整电路。但在视频监控系统的实际应用中,多为中低档CCD彩色摄像机,因此一般都不设黑平衡调整电路,其原因是因为由于黑平衡对人眼视觉的影响远不如白平衡对人眼视觉影响那样强烈之故。

(1)黑平衡的含义。黑平衡是摄像机在拍摄黑色景物或者盖上镜头盖时,输出的三个基色电平也应相等,这时在监视器的屏幕上才能重现出纯黑色,这种现象叫做黑平衡。若黑平衡调整不好,在监视器的屏幕上就会出现黑里透红或黑里透绿等色调=

根据前面的分析可知,正确重现黑白图像是正确重现彩色的前提和基础,因此,彩色摄像机的黑、白平衡的调整对正确重现彩色是十分重要的。

(2)自动黑平衡(Auto Black Balance,ABB)调整。自动黑平衡与自动白平衡的处理方法基本相似,但引起黑电平的变化不平衡的因素,要比白电平多。从电路结构上看,黑电平的调整和白电平的调整会互相影响。在彩色摄像机的处理放大器中,在增益控制级的前面,要加暗电流和背景光补偿以及杂散光校正等电路,以使黑电平既不随增益变化,也不随杂散光变化。这样,调整白平衡时,就不致影响黑平衡。

自动黑平衡的处理也有两种方式:

①红、绿、蓝三路处理放大器黑电平由一个公共的基准黑电平来决定,当盖上镜头盖时,就自动地使每一路信号在混消隐以前保持黑电平与消隐电平一致。这样,最后输出的三路视频信号的黑电平也必定是一致的。

②以绿路为基准,将红路黑电平与蓝路黑电平分别与绿路黑电平相比较,用所得误差电压分别控制红路与蓝路的黑电平,使它们与绿路黑电平相等。

有关电路的原理与前述自动白平衡调整电路的原理类似,这里就不再赘述。

七、相位调整(Phase Adjustment)

相位调整可保证图像的色彩及稳定性,它有水平与垂直相位调整两种。

(1)水平相位(Horizontal Phase,HP)调整。水平相位也称为行相位,它与彩色副载波(PAL制彩色副载波频率为fs=4.43361875MHz)具有严格的锁定关系。一旦相位失锁,就会造成在监视器屏幕上重现的图像无彩色,或者出现彩色失真,如红旗变成了绿旗,人脸的颜色也变成青绿色等。水平相位与副载波相位的锁定关系,是在摄像机同步信号产生电路中完成的。通常,电路设计可使这一锁定关系具有很宽的锁相跟踪范围,因而一般不需调整。正因为如此,大多数中低档CCD彩色摄像机,一般不设有此外置HP调整的功能。

一般,对中高档彩色摄像机,要求其功能及适应的环境更为多些。往往在摄像机的背面板或侧面板上,增加一个HP调整旋钮,一旦出现彩色失真,可以通过调整此HP旋钮而加以消除。

(2)垂直相位(Vertical Phase,VP)调整。垂直相位也称为场相位,它与行相位也具有严格的锁定关系,主要用于保证正确的电视扫描规律。当监视器屏幕上的图像出现垂直流动时,调整VP旋钮即可消除画面的滚动。

八、线锁定同步(Line Lock,LL)

线锁定同步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(LL)的位置,就可消除交流电源的干扰。台湾敏通公司的ALPHA系列摄像机提供了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。

九、外同步输入(SYNC)

外同步输入端口则可保证大系统中的多支摄像机保持同步调整锁定状态。

一般,在大多数中、高档CCD彩色摄像机的后面板上,除了有BNC连接器的视频输出端口(标有VIDEO字样)外,还有一个标有SYNC字样的同样形状的端口,并在其附近设有一个拔动开关,这个BNC端口就是外同步输入端口。当单独使用一个摄像机时,这个端口一般无须连接;而当同时使用多个摄像机并共用后端视频设备时,有时就会出现多个画面不同步的现象,这时就需要用到SYNC端口。因为每个摄像机都工作在内同步方式,当多个摄像机同时用后端视频设备时,由于各摄像机的内同步彼此是独立的,后端设备便无法确定去跟踪哪一个摄像机的同步信息,因而造成各显示画面的不同步。

通过SYNC拔动开关将摄像机置于外同步方式,并将各摄像机的外同步输入端口连接到一个外接同步信号发生器上,则各摄像机即关断了各自的内同步产生电路,而是从外同步输入端口中获取并分离出各部分所需的同步信息。由于此时各摄像机的同步信息是来自同一个同步信号发生器,因而保证了各摄像机画面的同步关系。尤其在用多台摄像机进行图像测量时,摄像机必须使用这种外同步工作的方式。