監(jiān)控攝像頭的選擇方法與主要參數

目前，監(jiān)控攝像設備已大量應用于各個領域，既有普通的單路、多路視頻監(jiān)控，如家用的監(jiān)控裝置，還有遠程網絡系統監(jiān)控與錄像系統，如常見的天網系統。在這些監(jiān)控攝像設備中，攝像頭是一個重要的器件，如圖1所示。

攝像頭主要由鏡頭與感光元件組成，感光元件位于鏡頭的后方，如圖2所示。鏡頭是一個光學器件，完成對圖像光學信號的捕捉；感光元件是一個光電轉換器件，將光信號轉化為電信號。目前，主流監(jiān)控攝像頭的感光元件采用CCD （ChargeCouple Device，電荷耦合器件）元件，與早期的CMOS感光元件相比，CCD的感光度是CMOS的3到10倍，能大幅提高圖像的清晰度。

一、鏡頭的主要參數與分類
鏡頭是監(jiān)控攝像設備的眼睛，為了適應不同的監(jiān)控環(huán)境和要求，需要配置不同規(guī)格的鏡頭，例如：室內監(jiān)控，需要圖像清晰且視角大的廣角鏡頭；室外停車場監(jiān)控，既要看到停車場全貌，又要盡可能看到汽車的細部，就需要廣角和變焦鏡頭；如高速道路行車監(jiān)控，就需要超遠焦距鏡頭。
1．鏡頭的主要參數
（1）焦距（f）
焦距是指從透鏡中心到一個平面的距離，該平面是指可產生清晰影像的平面，常為感光元件所在平面。改變鏡頭的焦距，可以改變鏡頭的放大倍數，即改變拍攝圖像的大小。增加鏡頭的焦距，放大倍數增大，可以將遠景拉近，遠景的細節(jié)看得更清楚，但畫面的范圍縮小了；如果減少鏡頭的焦距，放大倍數減少，畫面的范圍擴大，能看到更大的場景。
（2）視場角

在工程中，常用水平視場角來反映畫面的拍攝范圍，如圖3所示。焦距f越大，視場角越小，在感光元件上形成的畫面范圍越??；反之，焦距f越小，視場角越大，在感光元件上形成的畫面范圍越大。

（3）光圈
光圈安裝在鏡頭的后部，光圈開得越大，通過鏡頭的光量就越大，圖像的清晰度越高；光圈開得越小，通過鏡頭的光量就越小，圖像的清晰度越低。通常用F（光通量）來表示。F=焦距（f）／通光孔徑。在攝像頭的技術指標中，常?？吹?mm/F1.4這樣的參數，它表示鏡頭的焦距為6mm，光通量為1.4，這時我們可以很容易地計算出通光孔徑為4.29mm。在焦距f相同的情況下，F值越小，光圈越大，到達CCD芯片的光通量越大，該鏡頭就越好。
2．鏡頭的分類

（1）按鏡頭安裝方式分類

與普通照相機所用卡口鏡頭不同，所有攝像頭的鏡頭均是螺紋口的，如圖4所示，CCD攝像頭的鏡頭安裝有兩種工業(yè)標準，即C安裝座和CS安裝座。兩者的螺紋部分相同，都是1英寸犯牙螺紋座，直徑均為25.4mm。不同之處在于安裝座從鏡頭安裝基準面到焦點的距離不同，C安裝座是17.526mm，而CS安裝座的距離則為12.5mm。如果要將一個C安裝座鏡頭裝到一個CS安裝座攝像頭上時，則需要使用鏡頭轉換器，這種轉換器叫C-CS接環(huán)，如圖5所示。

（2）按鏡頭視場角大小分類
標準鏡頭：視場角約為30°；當鏡頭焦距近似等于攝像靶面對角線長度時，則稱為標準鏡頭。在2/3英寸CCD攝像頭中，標準鏡頭焦距為16mm，在1/2英寸CCD攝像頭中，標準鏡頭焦距為12mm，在1/3英寸CCD攝像頭中，標準鏡頭焦距為8mm。
廣角鏡頭：視場角大于55°，焦距為幾毫米，能提供較寬廣的視景。
遠攝鏡頭：視場角小于20°，焦距為幾十厘米或幾十分米。這種鏡頭可在遠距離情況下將拍攝的物體影像放大，但觀察范圍將縮小。
變焦鏡頭：又稱伸縮鏡頭，有手動變焦和電動變焦兩類，可對所監(jiān)視場景的視場角及目標物進行變換焦距攝取圖像，其特點是在成像清晰的情況下，通過鏡頭焦距的變化來改變圖像大小與視場大小，適合長距離攝像。
針孔鏡頭：鏡頭端頭直徑僅為幾毫米，可隱蔽安裝，用于有特殊要求的環(huán)境中
（3）按鏡頭光圈分類
鏡頭有手動光圈和自動光圈之分，手動光圈鏡頭適合于亮度變化較小的場所；自動光圈鏡頭能在光照度大幅變化時，光圈自動調整，故適合于亮度變化較大的場所。自動光圈有兩類：一類是通過視頻信號控制鏡頭光圈，稱為視頻輸入型，另一類是利用機上直流電壓直接控制光圈，稱為DC輸入型。
（4）按鏡頭焦距分類
短焦距鏡頭：因入射角較寬，故可提供一個較寬闊的視景。中焦距鏡頭：一即標準鏡頭，焦距的長度視CCD靶面的尺寸而定。
長焦距鏡頭：因入射角較窄，故僅能提供一個狹窄的視景，適用于遠距離監(jiān)視。
二、CCD的主要參數
CCD攝像頭具有體積小、重量輕、靈敏度高、壽命長、抗振動及不受電磁干擾等特點，這也正是CCD攝像頭取代CMOS攝像頭的主要原因。CCD攝像頭的技術指標主要有以下幾項：
1．清晰度
一般多指水平清晰度。電視監(jiān)控系統水平清晰度要求彩色攝像頭在300線以上，黑白攝像頭在350線以上。
2．靈敏度
靈敏度又稱最低照度，用1x（勒克斯）表示。一般靈敏度大于0.1lx的攝像頭為普通型；低于0.1lx的攝像頭為星、月光級高靈敏度型，也稱作電子增感攝像頭或夜視型攝像頭。
3．信噪比
信噪比表示攝像頭的圖像信號與它的噪聲信號之比，用S/N表示。S表示攝像頭在假設無噪聲時的圖像信號值，N表示攝像頭本身產生的噪聲值（比如熱噪聲），二者之比即為信噪比，用分貝（dB）表示。信噪比越高性能越好，典型值為46dB。
4．視頻輸出值
CCD芯片將光信號轉換為電信號后，經視頻處理電路濾波、放大形成視頻信號輸出，其值常用峰一峰值表示，多為1 Vp-p～1.2Vp-p，即輸出1V～1.2V峰一峰值負極性（同步頭朝下）復合視頻信號。
5.CCD靶面尺寸

CCD靶面是指CCD芯片成像面。成像面的尺寸規(guī)格不同，形成的圖像大小也不同。CCD的成像尺寸常用的有1/2英寸、1/3英寸等多種規(guī)格，見表1所示。

為了保證攝像所得圖像在顯示器上不變形，CCD的靶面尺寸通常為4:3，這樣所得圖像寬度和高度的比例也為4:3。另外，CCD攝像頭靶面越小，生產成本越低。目前，市場上的攝像頭多采用1/3英寸及其以下規(guī)格的CCD 。
6．同步方式
現代的CCD攝像頭大多采用相位可調線路鎖定的同步方式，即以交流電源頻率（50Hz）作為用于垂直同步的參考值，而代替了攝像頭的內同步發(fā)生器。在切換攝像頭輸出時，圖像無滾動，不會造成畫面失真。此歹卜還有一個外部調整的相位控制（±90%），所以可獲得非常精確的同步。
除了上述幾種技術指標外，攝像頭的供電電源分為直流和交流兩種供電型式，常見的交流供電電壓有110V、24V，直流供電電壓有24V、12V和9V。攝像頭與鏡頭接口形式有C/CS型之分，掃描制式有PAL-B和NTSC之分。
三、攝像頭的選擇
攝像頭的選擇應根據使用場合、監(jiān)視對象、目標距離、安裝環(huán)境及監(jiān)視目的來確定。在實際選擇時，首先要注意CCD與鏡頭的接口，盡量選用同一種工業(yè)標準的接口，以免給安裝帶來麻煩，其次要求鏡頭成像規(guī)格與CCD靶面規(guī)格一致，即鏡頭標明的為1/3英寸，則選用CCD的規(guī)格也應為1/3英寸。否則，不能相互配合。如使用1乃英寸CCD，還勉強可以裝備1/2英寸鏡頭，此時攝像現的視場角要比鏡頭標明的視角小很多；但反過來把1/2英寸鏡頭用于2/3英寸CCD上時，則圖像就不能充滿屏幕，圖像邊緣會發(fā)黑或發(fā)虛。
當確定了攝像點位置后，就應根據監(jiān)視目標選擇合適的鏡頭。選擇的依據是監(jiān)視的視野和亮度變化的范圍，同時兼顧所選攝像頭CCD靶面尺寸。視野決定使用定焦鏡頭還是變焦鏡頭，變焦選擇倍數范圍。亮度變化范圍決定是否使用自動光圈鏡頭。
無論選用定焦鏡頭還是變焦鏡頭都要先確定焦距，為了獲得出色的/卓越的/優(yōu)異的/杰出的的監(jiān)視效果，一般都應根據工程條件進行計算，計算工式為f=v×d/V（f為焦距，V為視場高，v為像場高，即CCD靶面高；d為物距）。根據計算結果選用標稱焦距的鏡頭，當標稱焦距鏡頭的焦距與計算結果相差較大時，應調整攝像頭的安裝位置，直至滿意為止。
例如：某CCD攝像頭采用1/3英寸靶面，用以監(jiān)視商場收銀臺，有效范圍為2m×2m，攝像頭安裝于距收銀臺7m處，這時需配鏡頭焦距f=v×d/V =3.6×7/2=12.6mm。這時可采用標稱焦距為12mm的定焦鏡頭。變焦鏡頭焦距的計算方法與定焦鏡頭一樣，只要最大和最小焦距能滿足視野要求即可。
一般來說，監(jiān)視固定目標應該選用定焦鏡頭。對于具有一定空間范圍，并要求對不固定目標進行整體或局部監(jiān)視時，宜采用變焦鏡頭并配合云臺。

另外，球形攝像頭近年來被廣泛地應用在賓館、醫(yī)院、娛樂場所、營業(yè)場等領域，如圖6所示。球形攝像頭集CCD攝像頭、變焦鏡頭、全方位云臺及解碼驅動器于一體，可實現云臺的高速及無級變速運動，鏡頭變焦及光圈的精確預置，從而使攝像系統具有自動巡視和部分自動跟蹤功能，這樣監(jiān)控系統實現了由單純的功能型向智能型轉變。