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CCD知識

CCD發展史


CCD是于1969年由美國貝爾實驗室(Bell Labs)的維拉•博伊爾(Willard S. Boyle)和喬治•史密斯(George E. Smith)所發明的。當時貝爾實驗室正在發展影像電話和半導體氣泡式內存。將這兩種新技術結合起來后,波義耳和史密斯得出一種裝置,他們命名為“電荷‘氣泡’元件”(Charge "Bubble" Devices)。這種裝置的特性就是它能沿著一片半導體的表面傳遞電荷,便嘗試用來做為記憶裝置,當時只能從暫存器用“注入”電荷的方式輸入記憶。但隨即發現光電效應能使此種元件表面產生電荷,而組成數位影像。 到了70年代,貝爾實驗室的研究員已引能用簡單的線性裝置捕捉影像,CCD就此誕生。有幾家公司接續此一發明,著手進行進一步的研究,包括快捷半導體(Fairchild Semiconductor)、美國無線電公司(RCA)和德州儀器(Texas Instruments)。其中快捷半導體的產品率先上市,于1974年發表500單元的線性裝置和100x100像素的平面裝置。
發明者榮譽
2006年元月,波義耳和史密斯獲頒電機電子工程師學會(IEEE)頒發的Charles Stark Draper獎章,以表彰他們對CCD發展的貢獻。北京時間2009年10月6日,2009年諾貝爾物理學獎揭曉,瑞典皇家科學院諾貝爾獎委員會宣布將該獎項授予一名中國香港科學家高錕(Charles K. Kao)和兩名科學家維拉•博伊爾(Willard S. Boyle)和喬治•史密斯(George E. Smith)。科學家Charles K. Kao 因為“在光學通信領域中光的傳輸的開創性成就” 而獲獎,科學家因博伊爾和喬治-E-史密斯因“發明了成像半導體電路——電荷藕合器件圖像傳感器CCD” 獲此殊榮。

CCD簡介


CCD,英文全稱:Charge-coupled Device,中文全稱:電荷耦合元件。可以稱為CCD圖像傳感器。   
CCD是一種半導體器件,能夠把光學影像轉化為數字信號。CCD上植入的微小光敏物質稱作像素(Pixel)。一塊CCD上包含的像素數越多,其提供的畫面
分辨率也就越高。CCD的作用就像膠片一樣,但它是把圖像像素轉換成數字信號。CCD上有許多排列整齊的電容,能感應光線,并將影像轉變成數字信號。經由外部電路的控制,每個小電容能將其所帶的電荷轉給它相鄰的電容。CCD廣泛應用在數位攝影、天文學,尤其是光學遙測技術、光學與頻譜望遠鏡,和高速攝影技術如Lucky imaging。CCD在攝像機、數碼相機和掃描儀中應用廣泛,只不過攝像機中使用的是點陣CCD,即包括x、y兩個方向用于攝取平面圖像,而掃描儀中使用的是線性CCD,它只有x一個方向,y方向掃描由掃描儀的機械裝置來完成。CCD的加工工藝有兩種,一種是TTL工藝,一種是CMOS工藝,現在市場上所說的CCD和CMOS其實都是CCD,只不過是加工工藝不同,前者是毫安級的耗電量,而后者是微安級的耗電量。TTL工藝下的CCD成像質量要優于CMOS工藝下的CCD。CCD廣泛用于工業,民用產品。

CCD功能特性


CCD圖像傳感器可直接將光學信號轉換為數字電信號,實現圖像的獲取、存儲、傳輸、處理和復現。其顯著特點是:1.體積小重量輕;2.功耗小,工作電壓低,抗沖擊與震動,性能穩定,壽命長;3.靈敏度高,噪聲低,動態范圍大;4.響應速度快,有自掃描功能,圖像畸變小,無殘像;5.應用超大規模集成電路工藝技術生產,像素集成度高,尺寸精確,商品化生產成本低。因此,許多采用光學方法測量外徑的儀器,把CCD器件作為光電接收器。

CCD工作原理


CCD從功能上可分為線陣CCD和面陣CCD兩大類。線陣CCD通常將CCD內部電極分成數組,每組稱為一相,并施加同樣的時鐘脈沖。所需相數由CCD芯片內部結構決定,結構相異的CCD可滿足不同場合的使用要求。線陣CCD有單溝道和雙溝道之分,其光敏區是MOS電容或光敏二極管結構,生產工藝相對較簡單。它由光敏區陣列與移位寄存器掃描電路組成,特點是處理信息速度快,外圍電路簡單,易實現實時控制,但獲取信息量小,不能處理復雜的圖像(線陣CCD見圖1-3所示)。面陣CCD的結構要復雜得多,它由很多光敏區排列成一個方陣,并以一定的形式連接成一個器件,獲取信息量大,能處理復雜的圖像。

CCD的工作原理


CCD的應用


四十年來,CCD器件及其應用技術的研究取得了驚人的進展,特別是在圖像傳感和非接觸測量領域的發展更為迅速。隨著CCD技術和理論的不斷發展,CCD技術應用的廣度與深度必將越來越大。CCD是使用一種高感光度的半導體材料集成,它能夠根據照射在其面上的光線產生相應的電荷信號,在通過模數轉換器芯片轉換成“0”或“1”的數字信號,這種數字信號經過壓縮和程序排列后,可由閃速存儲器或硬盤卡保存即收光信號轉換成計算機能識別的電子圖像信號,可對被側物體進行準確的測量、分析。   
含格狀排列像素的CCD應用于數碼相機、光學掃瞄儀與攝影機的感光元件。其光效率可達70%(能捕捉到70%的入射光),優于傳統菲林(底片)的2%,因此CCD迅速獲得天文學家的大量采用。   
傳真機所用的線性CCD影像經透鏡成像于電容陣列表面后,依其亮度的強弱在每個電容單位上形成強弱不等的電荷。傳真機或掃瞄儀用的線性CCD每次捕捉一細長條的光影,而數碼相機或攝影機所用的平面式CCD則一次捕捉一整張影像,或從中擷取一塊方形的區域。一旦完成曝光的動作,控制電路會使電容單元上的電荷傳到相鄰的下一個單元,到達邊緣最后一個單元時,電荷訊號傳入放大器,轉變成電位。如此周著復始,直到整個影像都轉成電位,取樣并數位化之后存入內存。儲存的影像可以傳送到打印機、儲存設備或顯示器。   在數碼相機領域,CCD的應用更是異彩紛呈。一般的彩色數碼相機是將拜爾濾鏡( Bayer filter )加裝在CCD上。每四個像素形成一個單元,一個負責過濾紅色、一個過濾藍色,兩個過濾綠色(因為人眼對綠色比較敏感)。結果每個像素都接收到感光訊號,但色彩分辨率不如感光分辨率。   
用三片CCD和分光棱鏡組成的3CCD系統能將顏色分得更好,分光棱鏡能把入射光分析成紅、藍、綠三種色光,由三片CCD各自負責其中一種色光的呈像。所有的專業級數位攝影機,和一部份的半專業級數位攝影機采用3CCD技術。目前,超高分辨率的CCD芯片仍相當昂貴,配備3CCD的高解析靜態照相機,其價位往往超出許多專業攝攝影者的預算。因此有些高檔相機使用旋轉式色彩濾鏡,兼顧高分辨率與忠實的色彩呈現。這類多次成像的照相機只能用于拍攝靜態物品。   
經冷凍的CCD同時在1990年代初亦廣泛應用于天文攝影與各種夜視裝置,而各大型天文臺亦不斷研發高像數CCD以拍攝極高解像之天體照片。   
CCD在天文學方面有一種奇妙的應用方式,能使固定式的望遠鏡發揮有如帶追蹤望遠鏡的功能。方法是讓CCD上電荷讀取和移動的方向與天體運行方向一致,速度也同步,以CCD導星不僅能使望遠鏡有效糾正追蹤誤差,還能使望遠鏡記錄到比原來更大的視場。   一般的CCD大多能感應紅外線,所以衍生出紅外線影像、夜視裝置、零照度(或趨近零照度)攝影機/照相機等。為了減低紅外線干擾,天文用CCD常以液態氮或半導體冷卻,因室溫下的物體會有紅外線的黑體幅射效應。CCD對紅外線的敏感度造成另一種效應,各種配備CCD的數碼相機或錄影機若沒加裝紅外線濾鏡,很容易拍到遙控器發出的紅外線。降低溫度可減少電容陣列上的暗電流,增進CCD在低照度的敏感度,甚至對紫外線和可見光的敏感度也隨之提升(信噪比提高)。   
溫度噪聲、暗電流(dark current)和宇宙輻射都會影響CCD表面的像素。天文學家利用快門的開闔,讓CCD多次曝光,取其平均值以緩解干擾效應。為去除背景噪聲,要先在快門關閉時取影像訊號的平均值,即為"暗框"(dark frame)。然后打開快門,取得影像后減去暗框的值,再濾除系統噪聲(暗點和亮點等等),得到更清晰的細節。   天文攝影所用的冷卻CCD照相機必須以接環固定在成像位置,防止外來光線或震動影響;同時亦因為大多數影像平臺生來笨重,要拍攝星系、星云等暗弱天體的影像,天文學家利用"自動導星"技術。大多數的自動導星系統使用額外的不同軸CCD監測任何影像的偏移,然而也有一些系統將主鏡接駁在拍攝用之CCD相機上。以光學裝置把主鏡內部份星光加進相機內另一顆CCD導星裝置,能迅速偵測追蹤天體時的微小誤差,并自動調整驅動馬達以矯正誤差而不需另外裝置導星。
CCD為什么能看到紅外線?
其實在CCD中,本來就對紅外光有感應,能看到紅外線,例如:使用黑白攝像機,在關掉明亮電燈的情況下,開啟紅外燈,馬上可以看到影像。這是由于黑白攝像機本來就沒顏色,但在現實使用的彩色CCD多數看不到紅外線。 其實,彩色CCD也能識別和感應到紅外線,但會干擾到D.S.P (影像處理主芯片)的運算以導致”偏色”,因此,在彩色CCD中為了讓其不“偏色”,在彩色CCD上頭黏的那片濾光片,讓它不能接收紅外線。   從380nm-645nm 穿透率是約93% ,剛好就是可見光的范圍(紫-靛-藍-綠-黃-橙-紅),就是彩虹的顏色嘛! 600多nm是紅色光,在它往右以”外”,就叫”紅外線”,是”紅色以外的光” 不是紅色的光,因為眼睛已經看不到了,再來,380nm左右我們眼睛看到的是紫色,在380nm往左以”外”,就叫”紫外線”.

CCD彩色數碼相機


一般的彩色數碼相機是將拜爾濾鏡(Bayer filter)加裝在CCD上。每四個像素形成一個單元,一個負責過濾紅色、一個過濾藍色,兩個過濾綠色(因為人眼對綠色比較敏感)。結果每個像素都接收到感光訊號,但色彩分辨率不如感光分辨率。用三片CCD和分光棱鏡組成的3CCD系統能將顏色分得更好,分光棱鏡能把入射光分析成紅、藍、綠三種色光,由三片CCD各自負責其中一種色光的呈像。所有的專業級數位攝影機,和一部份的半專業級數位攝影機采用3CCD技術。截至2005年,超高分辨率的CCD芯片仍相當昂貴,配備3CCD的高解析靜態照相機,其價位往往超出許多專業攝攝影者的預算。因此有些高檔相機使用旋轉式色彩濾鏡,兼顧高分辨率與忠實的色彩呈現。這類多次成像的照像機只能用于拍攝靜態物品。   
CCD它使用一種高感光度的半導體材料制成,能把光線轉變成電荷,通過
模數轉換器芯片轉換成數字信號,數字信號經過壓縮以后由相機內部的閃速存儲器或內置硬盤卡保存,因而可以輕而易舉地把數據傳輸給計算機,并借助于計算機的處理手段,根據需要和想像來修改圖像。CCD由許多感光單位組成,通常以百萬像素為單位。當CCD表面受到光線照射時,每個感光單位會將電荷反映在組件上,所有的感光單位所產生的信號加在一起,就構成了一幅完整的畫面。   
CCD在攝像機里是一個極其重要的部件,它起到將光線轉換成電信號的作用,類似于人的眼睛,因此其性能的好壞將直接影響到攝像機的性能。   
衡量CCD好壞的指標很多,有像素數量,CCD尺寸,靈敏度,信噪比等,其中像素數以及CCD尺寸是重要的指標。像素數是指CCD上感光元件的數量。攝像機拍攝的畫面可以理解為由很多個小的點組成,每個點就是一個像素。顯然,像素數越多,畫面就會越清晰,如果CCD沒有足夠的像素的話,拍攝出來的畫面的清晰度就會大受影響,因此,理論上CCD的像素數量應該越多越好。但CCD像素數的增加會使制造成本以及成品率下降,而且在現行電視標準下,像素數增加到某一數量后,再增加對拍攝畫面清晰度的提高效果變得不明顯,因此,一般一百萬左右的像素數對一般的使用已經足夠了。   
單CCD攝像機是指攝像機里只有一片CCD并用其進行亮度信號以及彩色信號的光電轉換,其中色度信號是用CCD上的一些特定的彩色遮罩裝置并結合后面的電路完成的。由于一片CCD同時完成亮度信號和色度信號的轉換,因此難免兩全,使得拍攝出來的圖像在彩色還原上達不到專業水平的要求。為了解決這個問題,便出現了3CCD攝像機。3CCD,顧名思義,就是一臺攝像機使用了3片CCD。我們知道,光線如果通過一種特殊的棱鏡后,會被分為紅,綠,藍三種顏色,而這三種顏色就是我們電視使用的三基色,通過這三基色,就可以產生包括亮度信號在內的所有電視信號。如果分別用一片CCD接受每一種顏色并轉換為電信號,然后經過電路處理后產生圖像信號,這樣,就構成了一個3CCD系統。   
和單CCD相比,由于3CCD分別用3個CCD轉換紅,綠,藍信號,拍攝出來的圖像從彩色還原上要比單CCD來的自然,亮度以及清晰度也比單CCD好。但由于使用了三片CCD,3CCD攝像機的價格要比單CCD貴很多。   
四色CCD是索尼公司在2003年推出的一種CCD新技術。四色即紅 綠 藍 品紅(RGBE)相對與傳統的三色(紅 綠 藍),四色CCD的色彩還原錯誤率進一步降低。因而使色彩還原更逼真。首款采用四色CCD的數碼相機是SONY DSC—F828一款面陣CCD數碼相機規格表中的CCD一欄經常寫著“1/2.7英寸CCD”等。這里的“1/2.7英寸”就是CCD的尺寸,實際上就是CCD對角線的長度。   
現有的數碼相機一般采用1/2.7英寸、1/2.5英寸和1/1.8英寸等尺寸的CCD。CCD是受光元件(像素)的集合體,接收透過鏡頭的光并將其轉換為電信號。在像素數一樣的情況下,CCD尺寸越大單位像素就越大。這樣,單位像素可以收集更多的光線,因此,理論上可以說有利于提高畫質。   
但是,數碼相機畫質的好壞不僅是由CCD決定的。鏡頭以及通過CCD輸出的電信號形成圖像的電路的性能等也能夠影響到相機的畫質。所謂的“大尺寸CCD=高畫質”是不正確的。例如,雖然1/2.7英寸比1/1.8英寸尺寸小,但配備1/2.7英寸CCD的數碼相機并沒有受到畫質不好的批評。   現在,袖珍數碼相機日趨小巧輕便,出于設計上的考慮,其中大多采用1/2.7英寸的小型CCD。   順便說一句,1/2.7英寸的“型”有時也寫作“inch”,不過,在這里不是普通的“1英寸=25.4mm”。由于結合了CCD亮相前攝像機上使用的攝像管和顯示方式,因此,習慣上采用比較特殊的尺寸。1/2.7英寸為6.6mm,1/1.8英寸約為9mm。

一款面陣CCD


CCD數碼攝像機


CCD攝像機的選擇和分類
CCD結構及工作原理來源于中國儀器超市(www.cimart.com.cn)的資料:CCD結構包含感光二極管、并行信號寄存器、并行信號寄存器、信號放大器、數摸轉換器等項目,將分別敘述如下;   
1. 感光二極管(Photodiode)   
2. 并行信號寄存器(Shift Register):用于暫時儲存感光后產生的電荷。   
3. 并行信號寄存器(Transfer Register):用于暫時儲存并行積存器的模擬信號并將電荷轉移放大。   
4. 信號放大器:用于放大微弱電信號。   
5. 數模轉換器:將放大的電信號轉換成數字信號。   
CCD的工作原理由微型鏡頭、分色濾色片、感光層等三層,將分別敘述如下;   
1. 微型鏡頭   
微型鏡頭為CCD的第一層,我們知道,數碼相機成像的關鍵是在于其感光層,為了擴展CCD的采光率,必須擴展單一像素的受光面積。但是提高采光率的辦法也容易使畫質下降。這一層“微型鏡頭”就等于在感光層前面加上一副眼鏡。因此感光面積不再因為傳感器的開口面積而決定,而改由微型鏡片的表面積來決定。   
2. 分色濾色片   
分色濾色片為CCD的第二層,目前有兩種分色方式,一是RGB原色分色法,另一個則是CMYK補色分色法這兩種方法各有優缺點。首先,我們先了解一下兩種分色法的概念,RGB即三原色分色法,幾乎所有人類眼鏡可以識別的顏色,都可以通過紅、綠和藍來組成,而RGB三個字母分別就是Red, Green和Blue,這說明RGB分色法是通過這三個通道的顏色調節而成。再說CMYK,這是由四個通道的顏色配合而成,他們分別是青(C)、洋紅(M)、黃(Y)、黑(K)。在印刷業中,CMYK更為適用,但其調節出來的顏色不及RGB的多。
原色CCD的優勢在于畫質銳利,色彩真實,但缺點則是噪聲問題。因此,大家可以注意,一般采用原色CCD的數碼相機,在ISO感光度上多半不會超過400。相對的,補色CCD多了一個Y黃色濾色器,在色彩的分辨上比較仔細,但卻犧牲了部分影像的
分辨率,而在ISO值上,補色CCD可以容忍較高的感光度,一般都可設定在800以上
3. 感光層
感光層為CCD的第三層,這層主要是負責將穿過濾色層的光源轉換成電子信號,并將信號傳送到影像處理芯片,將影像還原。   
CCD芯片就像人的視網膜,是攝像頭的核心。目前我國尚無能力制造,市場上大部分攝像頭采用的是日本SONY、SHARP、松下、富士等公司生產的芯片,現在韓國三星等也有能力生產,但質量就要稍遜一籌。 因為芯片生產時產生不同等級,各廠家獲得途徑不同等原因,造成CCD采集效果也大不相同。在購買時,可以采取如下方法檢測:接通電源,連接視頻電纜到監視器,關閉鏡頭光圈,看圖像全黑時是否有亮點,屏幕上雪花大不大,這些是檢測CCD芯片最簡單直接的方法,而且不需要其它專用儀器。然后可以打開光圈,看一個靜物,如果是彩色攝像頭,最好攝取一個色彩鮮艷的物體,查看監視器上的圖像是否偏色,扭曲,色彩或灰度是否平滑。好的CCD可以很好的還原景物的色彩,使物體看起來清晰自然;而殘次品的圖像就會有偏色現象,即使面對一張白紙,圖像也會顯示藍色或紅色。個別CCD由于生產車間的灰塵,CCD靶面上會有雜質,在一般情況下,雜質不會影響圖像,但在弱光或顯微攝像時,細小的灰塵也會造成不良的后果,如果用于此類工作,一定要仔細挑選。   
1、 依成像色彩劃分   
彩色攝像機:適用于景物細部辨別,如辨別衣著或景物的顏色。   
黑白攝像機:適用于光線不充足地區及夜間無法安裝照明設備的地區,在僅監視景物的位置或移動時,可選用黑白攝像機。   
2、 依
分辨率靈敏度等劃分   
影像像素在38萬以下的為一般型,其中尤以25萬像素(512*492)、
分辨率為400線的產品最普遍。   影像像素在38萬以上的高分辨率型。   
3、 按CCD靶面大小劃分   
CCD芯片已經開發出多種尺寸:   
目前采用的芯片大多數為1/3”和1/4”。在購買攝像頭時,特別是對攝像角度有比較嚴格要求的時候,CCD靶面的大小,CCD與鏡頭的配合情況將直接影響視場角的大小和圖像的清晰度。   
1英寸——靶面尺寸為寬12.7mm*高9.6mm,對角線16mm。   
2/3英寸——靶面尺寸為寬8.8mm*高6.6mm,對角線11mm。   
1/2英寸——靶面尺寸為寬6.4mm*高4.8mm,對角線8mm。   
1/3英寸——靶面尺寸為寬4.8mm*高3.6mm,對角線6mm。   
1/4英寸——靶面尺寸為寬3.2mm*高2.4mm,對角線4mm。   
4、 按掃描制式劃分   
PAL制、NTSC制。 中國采用隔行掃描(PAL)制式(黑白為CCIR),標準為625行,50場,只有醫療或其它專業領域才用到一些非標準制式。另外,日本為NTSC制式,525行,60場(黑白為EIA)。   
5、 依供電電源劃分   
110VAC(NTSC制式多屬此類);   
220VAC   24VAC   12VDC   9VDC(微型攝像機多屬此類)。   
6、 按同步方式劃分   
內同步:用攝像機內同步信號發生電路產生的同步信號來完成操作。   
外同步:使用一個外同步信號發生器,將同步信號送入攝像機的外同步輸入端。   
功率同步(線性鎖定,line lock):用攝像機AC電源完成垂直推動同步。   
外VD同步:將攝像機信號電纜上的VD同步脈沖輸入完成外VD同步。   
多臺攝像機外同步:對多臺攝像機固定外同步,使每一臺攝像機可以在同樣的條件下作業,因各攝像機同步,這樣即使其中一臺攝像機轉換到其他景物,同步攝像機的畫面亦不會失真。   
7、 按照度劃分,CCD又分為:   
普通型 正常工作所需照度1~3LUX   
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   
紅外型 采用紅外燈照明,在沒有光線的情況下也可以成像

CCD彩色攝像機的主要技術指標
CCD尺寸,亦即攝像機靶面。原多為1/2英寸,現在1/3英寸的已普及化,1/4英寸和1/5英寸也已商品化。   
CCD像素,是CCD的主要性能指標,它決定了顯示圖像的清晰程度,
分辨率越高,圖像細節的表現越好。CCD是由面陣感光元素組成,每一個元素稱為像素,像素越多,圖像越清晰。現在市場上大多以25萬和38萬像素為劃界,38萬像素以上者為高清晰度攝像機。   水平分辨率。彩色攝像機的典型分辨率是在320到500電視線之間,主要有330線、380線、420線、460線、500線等不同檔次。分辨率是用電視線(簡稱線TV LINES)來表示的,彩色攝像頭的分辨率在330~500線之間。分辨率與CCD和鏡頭有關,還與攝像頭電路通道的頻帶寬度直接相關,通常規律是1MHz的頻帶寬度相當于清晰度為80線。頻帶越寬,圖像越清晰,線數值相對越大。   
最小照度,也稱為靈敏度。是CCD對環境光線的敏感程度,或者說是CCD正常成像時所需要的最暗光線。照度的單位是勒克斯(LUX),數值越小,表示需要的光線越少,攝像頭也越靈敏。月光級和星光級等高增感度攝像機可工作在很暗條件,2~3lux屬一般照度,現在也有低于1lux的普通攝像機問世。   
掃描制式,有PAL制和NTSC制之分。   
攝像機電源,交流有220V、110V、24V,直流為12V 或9V。   
信噪比,典型值為46db,若為50db,則圖像有少量噪聲,但圖像質量良好;若為60db,則圖像質量優良,不出現噪聲。   
視頻輸出,多為1Vp-p、75Ω,均采用BNC接頭。   
鏡頭安裝方式,有C和CS方式,二者間不同之處在于感光距離不同。
CCD彩色攝像機的可調整功能
同步方式的選擇   
A、 對單臺攝像機而言,主要的同步方式有下列三種:   
內同步——利用攝像機內部的晶體振蕩電路產生同步信號來完成操作。   
外同步——利用一個外同步信號發生器產生的同步信號送到攝像機的外同步輸入端來實現同步。   
電源同步——也稱之為線性鎖定或行鎖定,是利用攝像機的交流電源來完成垂直推動同步,即攝像機和電源零線同步。   
B、對于多攝像機系統,希望所有的視頻輸入信號是垂直同步的,這樣在變換攝像機輸出時,不會造成畫面失真,但是由于多攝像機系統中的各臺攝像機供電可能取自三相電源中的不同相位,甚至整個系統與交流電源不同步,此時可采取的措施有:均采用同一個外同步信號發生器產生的同步信號送入各臺攝像機的外同步輸入端來調節同步。   
調節各臺攝像機的“相位調節”電位器,因攝像機在出廠時,其垂直同步是與交流電的上升沿正過零點同相的,故使用相位延遲電路可使每臺攝像機有不同的相移,從而獲得合適的垂直同步,相位調整范圍0~360度。   
自動增益控制
所有攝像機都有一個將來自CCD的信號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將過載,使視頻信號畸變。為此,需利用攝像機的自動增益控制(AGC)電路去探測視頻信號的電平,適時地開關AGC,從而使攝像機能夠在較大的光照范圍內工作,此即動態范圍,即在低照度時自動增加攝像機的靈敏度,從而提高圖像信號的強度來獲得清晰的圖像。   背景光補償。
通常,攝像機的AGC工作點是通過對整個視場的內容作平均來確定的,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標,則此時確定的AGC工作點有可能對于前景目標是不夠合適的,背景光補償有可能改善前景目標顯示狀況。
當背景光補償為開啟時,攝像機僅對整個視場的一個子區域求平均來確定其AGC工作點,此時如果前景目標位于該子區域內時,則前景目標的可視性有望改善。
電子快門
在CCD攝像機內,是用光學電控影像表面的電荷積累時間來操縱快門。電子快門控制攝像機CCD的累積時間,當電子快門關閉時,對NTSC攝像機,其CCD累積時間為1/60秒;對于PAL攝像機,則為1/50秒。當攝像機的電子快門打開時,對于NTSC攝像機,其電子快門以261步覆蓋從1/60秒到1/10000秒的范圍;對于PAL型攝像機,其電子快門則以311步覆蓋從1/50秒到1/10000秒的范圍。當電子快門速度增加時,在每個視頻場允許的時間內,聚焦在CCD上的光減少,結果將降低攝像機的靈敏度,然而,較高的快門速度對于觀察運動圖像會產生一個“停頓動作”效應,這將大大地增加攝像機的動態分辨率。
白平衡
白平衡只用于彩色攝像機,其用途是實現攝像機圖像能精確反映景物狀況,有手動白平衡和自動白平衡兩種方式。
A、自動白平衡
連續方式——此時白平衡設置將隨著景物色彩溫度的改變而連續地調整,范圍為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適宜的,使色彩表現自然,但對于景物中很少甚至沒有白色時,連續的白平衡不能產生最佳的彩色效果。   按鈕方式——先將攝像機對準諸如白墻、白紙等白色目標,然后將自動方式開關從手動撥到設置位置,保留在該位置幾秒鐘或者至圖像呈現白色為止,在白平衡被執行后,將自動方式開關撥回手動位置以鎖定該白平衡的設置,此時白平衡設置將保持在攝像機的存儲器中,直至再次執行被改變為止,其范圍為2300~10000K,在此期間,即使攝像機斷電也不會丟失該設置。以按鈕方式設置白平衡最為精確和可靠,適用于大部分應用場合。   
B、手動白平衡
開手動白平衡將關閉自動白平衡,此時改變圖像的紅色或藍色狀況有多達107個等級供調節,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。除次之外,有的攝像機還有將白平衡固定在3200K(白熾燈水平)和5500K(日光水平)等檔次命令。
色彩調整
對于大多數應用而言,是不需要對攝像機作色彩調整的,如需調整則需細心調整以免影響其他色彩,可調色彩方式有:
紅色—黃色色彩增加,此時將紅色向洋紅色移動一步。
紅色—黃色色彩減少,此時將紅色向黃色移動一步。
藍色—黃色色彩增加,此時將藍色向青藍色移動一步。
藍色—黃色色彩減少,此時將藍色向洋紅色移動一步。
CCD攝像機主要技術參數解釋
1. 什么是CCD攝像機?
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。
2. CCD攝像機的工作方式   
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、放大處理后,形成視頻信號輸出。視頻信號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。   
3. 
分辨率的選擇
評估攝像機
分辨率的指標是水平分辨率,其單位為線對,即成像后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。
4. 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 電視臺演播室 1000Lux 距60W臺燈60cm桌面 300Lux 室內日光燈 100Lux 黃昏室內 10Lux 20cm處燭光 10-15Lux 夜間路燈 0.1Lux
5. 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,以適應某些特殊應用場合。
6. 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號來保證視頻信號的同步,它可保證不同的設備輸出的視頻信號具有相同的幀、行的起止時間。為了實現外同步,需要給攝像機輸入一個復合同步信號(C-sync)或復合視頻信號。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。
7. 光譜響應特性
CCD器件由硅材料制成,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。夜間隱蔽監視時,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、蘭三色濾光條,所以彩色攝像機對紅外、紫外均不敏感。
8. CCD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 1/2 6.4x4.8mm 8mm 1/3 4.8x3.6mm 6mm

 

 

 

 

 

 

發布時間:2010/9/12 閱讀:6616次 【打印此頁】 【返回

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