《电工技术》 爽子 2015-10-08 09:49
中国电工网讯:
 孔敏娜1,程尧2,王芳3
 
    (1.中国核电工程有限公司河北分公司,石家庄050000;2.中国石油集团东方地球物理勘察有限责任公司,
 
    河北涿州072751;3.石家庄供电公司,石家庄050000)
 
    [摘要] 视频监控系统由于设备选择不当,导致图像质量下降或大量资金浪费的现象屡见不鲜,合理选择视频监控设备、集成较高性价比的系统,是视频安防监控系统设计的最终目标。从实际应用的角度介绍了合理选择视频监控系统前端设备——摄像机及镜头的方法。
 
    关键字 视频监控 前端设备 选择 摄像机 镜头
 
    0引言
 
    视频监控系统包括前端设备、传输设备、处理/控制设备和记录/显示设备四部分,其中前端设备主要包括摄像机和镜头等。目前,这些设备生产厂家较多,其品牌、型号、功能各异。为此,合理选择设备,对提高视频监控系统图像质量颇为重要。
 
    1前端设备选择的总体要求
 
    视频监控系统的基本功能是将实物场景的光学图像转换成电(视频)信号,以便传输到远处的现实地点。而选择前端设备的总体要求是指前端设备的最大视频探测范围应满足现场监视覆盖的要求,摄像机灵敏度应与环境照度相适应,安装效果宜与环境相协调。选择视频监控系统的前端设备,必须从所需要的分辨能力出发,可以考虑的分辨能力有以下三档:
 
    (1)探知——能探知到有物体的存在;
 
    (2)分类——分辨能力增强,可以为确定是什么东西提供足够的信息;
 
    (3)识别——分辨能力进一步提高,依据外观的细节准确地辨认出物体的身份。
 
    2摄像机的选择
 
    摄像机是视频监控系统的核心设备,合理选择摄像机对该系统的功能实现是十分重要的。摄像机按摄像器件划分为电真空摄像器件(即摄像管)摄像机和固体摄像器件(CCD、MOS器件)摄像机两大类。现在安全技术防范中视频监控系统一般都采用CCD摄像机,因为它与真空管摄像机相比具有体积小、重量轻、惰性小、灵敏度高、图像均匀性好、抗冲击性好、寿命长等优点。在实际工程中,如果监视目标照度不高,而用户对监视图像清晰度要求较高时,宜选用黑白CCD摄像机;若用户要求彩色监视时,应考虑加辅助照明装置,或选用彩色、黑白自动转换的日夜型摄像机,这种摄像机在监视目标照度不能满足彩色摄像要求时能自动转为黑白摄像。在确定用黑白摄像机还是用彩色摄像机之后,需要进一步考虑摄像机的技术指标,主要考虑以下指标。
 
    2.1分辨率
 
    分辨率表示摄像机分辨图像细节的能力,通常用电视线(TVL)表示,它取决于CCD芯片的像素数、镜头的分解力和摄像系统的带宽。黑白摄像机水平清晰度一般要选择450TVL左右的,考虑到施工等因素,系统的最终清晰度能满足GB/T16676—1996中规定的380TVL即可。彩色摄像机水平清晰度一般要选择大于350TVL的,因为人眼对彩色难于分辨更细,这样选择也能满足GB/T16676—1996中对彩色监视系统270TVL的要求(见GB/T16676-1996第6.4.6节中关于图像信号技术指标的要求)。
 
    2.2灵敏度
 
    灵敏度是指在镜头光圈大小一定的情况下,获取规定信号电平所需要的最低靶面照度。例如使用F1.2的镜头,当被摄物体表面照度为0.04lx时,摄像机输出信号的幅值为350mV,即最大幅值的50%,则称此摄像机的灵敏度为0.04lx/F1.2。如果被摄物体表面照度再低,那么监视器屏幕上将是一幅很难分辨层次的灰暗图像。根据经验,一般所选摄像机的灵敏度为被摄物体表面照度的1/10较为合适。
 
    2.3信噪比
 
    信噪比是信号电压与噪声电压的比值。CCD摄像机信噪比的典型值在45~55dB之间。一般的视频监控系统要选50dB左右的,这样不仅能满足行业标准中规定系统信噪比不小于38dB的要求,更重要的是当环境照度不足时,信噪比越高的摄像机图像就越清晰。
 
    2.4工作温度
 
    -10℃~+50℃是绝大多数摄像机生产厂家的温度指标,可根据使用地区的温度变化情况加防护或特别防护。
 
    2.5电源电压
 
    国内摄像机电源一般有AC220V/50Hz、AC24V/50Hz、DC12V/50Hz几种,可根据现场的实际情况合理选用不同电压等级的摄像机。
 
    3镜头的选择
 
    镜头是视频监控系统中必不可少的部件,镜头与CCD摄像机配合,可以将远距离目标在摄像机的CCD靶面上成像。
 
    3.1镜头的参数
 
    一旦有待判别区域的几何形状已经确定,则如何选择与相应摄像机一起使用的镜头系统就是一个重要的问题,此时必须同时考虑几个因素,这些因素是相互依赖的变数,随着设计者判别要求的不同而变化。一般来说,镜头选择工作的主要目的是用最少的摄像机覆盖尽可能大的监视区,同时使总分辨能力保持在可以接受的水平上。为了正确地选择镜头,必须考虑的参数包括镜头的幅度(成像尺寸)、焦距和视场、相对孔径、距离和宽度的近似计算(包括最大视场宽度和最大可利用的区域长度)。
 
    3.1.1镜头的幅度
 
    镜头的幅度大小限定了由该镜头所产生的最大可利用图像,标准的镜头幅度是16mm(与16mm幅度的摄像机相配)和11mm。由于可买到较长焦距的自动光圈镜头,16mm幅度的镜头在周界地带的判别应用中最常用,它既可用在16mm幅度的摄像机上,也可用在11mm幅度摄像机上。当镜头的幅度(成像尺寸)比摄像机的幅度(靶面的尺寸)大时,不会影响成像,但实际成像的视场角要比该镜头的标称视场角小;而当镜头的幅度比摄像机的幅度小时,就会影响成像,表现为成像的画面四周被镜筒遮挡,在画面的4个角上出现黑角。
 
    摄像机一般可分为1、2/3、1/2、1/3、1/4英寸等几种规格,它们分别对应着不同的成像尺寸,见表1。选用镜头时,应使镜头的幅度与摄像机的幅度相吻合。
 
    表1不同规格摄像机的靶面尺寸mm
 
    
 
    3.1.2焦距和视场
 
    焦距是镜头选择是否正确的唯一最重要的因素,它决定了物体的相对放大倍数。用不同焦距的镜头对同一位置的某物体摄像时,配长焦距镜头的摄像机所摄取的景物尺寸就大,反之,配短焦距镜头的摄像机所摄取的景物尺寸就小,如图1所示。当然,被摄物体成像的清晰度还与所选用CCD摄像机的分辨率及监视器的分辨率有关。
    图1实际视场与镜头焦距的关系
 
    理论上,任何一种镜头均可拍摄很远的物体并在CCD靶面上成一很小的像,但受CCD单元(像素)物理尺寸的限制,当成像小于CCD传感器的一个像素大小时,便不能形成被摄物体的像,即使成像有几个像素大小,也难以辨识为何物。当已知被摄物体的大小及其到镜头距离时,可根据f=hD/H或f=vD/V来估算所选镜头的焦距。其中,D为镜头中心到被摄物体的距离;H为被摄物体的水平尺寸;V为被摄物体的垂直尺寸;v为靶面成像的高度;h为靶面成像的水平宽度;f为焦距。
 
    成像场景的大小与成像物体的显示尺寸是互相矛盾的。例如,用同一支摄像机对同一个停车场进行监视,选用短焦距镜头可以对整个停车场的全景进行监视并看到出入口外的车辆进出,但不能看清该辆车的牌照号码(该车在监视器屏幕上仅占据了很小的面积);而选用长焦距镜头虽可以看清该辆车的牌照号码(该车占据了屏幕上的大部分面积),却又不能监视到整个停车场的全貌。因此,当既需要监视全景又要看清局部时,一般应考虑配用电动两可变或电动三可变镜头。当然,在选定了镜头的前提下,选用高分辨率的摄像机及监视器可以在被监视物体成像尺寸较小时也能看清局部细节。
 
    每个镜头都有一个确定的视野,镜头对这个视野的高度和宽度的张角称为视场角。视场角与镜头焦距f及摄像机靶面尺寸(水平尺寸h及垂直尺寸v)的大小有关,镜头的水平视场角ah及垂直视场角av可分别由下式来计算:
 
    ah=2arctan(h/2f)(1)
 
    av=2arctan(v/2f)或av=0.75×水平视场角(2)
 
    由式(1)、(2)可知,镜头的焦距f越短,其视场角越大;摄像机靶面尺寸h或v越大,其视场角也越大。如果所选镜头的视场角太小,可能会因出现监视死角而漏监;若太大,又可能造成被监视主体的画面尺寸太小而难以辨认,且画面边缘出现畸变。因此,只有根据具体的应用环境选择视场角合适的镜头,才能保证既不出现监视死角,又能使被监视主体的画面尽可能大而清晰。
 
    3.1.3相对孔径
 
    为了控制通过镜头的光通量大小,在镜头的后部均设置了光圈。假定光圈的有效孔径为d,由于光线折射的关系,镜头的实际有效孔径为D,D与焦距f之比定义为相对孔径A,即A=D/f。镜头的相对孔径A取决于被摄像的照度,而像的照度E与镜头的相对孔径平方成正比,一般习惯上用相对孔径的倒数来表示镜头光圈的大小,即F=f/D。其中,F一般称为光圈F数,它是镜头集光能力的量度,其值越小,被送进来的光越多。
 
    3.1.4距离和宽度的近似计算
 
    不论是已知视场宽度求出离摄像机的距离,还是已知离摄像机的距离求出视场宽度,都可用下式近似计算:
 
    D=2W(F/25)16mm幅度
 
    D=2W(1.5F/25)11mm幅度
 
    D=2W(2F/25)8mm幅度
 
    式中,D为物体离摄像机的距离,m;F为焦距,mm;W为区域宽度,m。
 
    利用上述公式可近似求出盲区距离、区域宽度、近场距离、分辨能力有限的视场距离,同时也能求出离开分辨能力有限的视场宽度的距离。用于判别分辨能力有限的视场宽度,是以能将30cm的对象分类的实验数据为基础算出来的。例如对于15m宽的区域,用11mm幅度的摄像机配50mm的焦距,来求出到进场区域宽度的距离和到分辨能力有限的视场宽度的距离。引用公式“D=2W(1.5F/25)”可得出,到进场区域宽度的距离D=2×15×(1.5×50/25)=90m,到分辨能力有限的视场宽度的距离D=2×30×(1.5×50/25)=180m。
 
    3.1.5最大可利用的区域长度
 
    对于专为周界地带设计的判别系统,宽度和距离的近似计算可用来求出一种用特别的摄像机和镜头组合进行判别的最大区域长度。图2显示出一个典型的周界地带构形,需要注意的是,下视场一般不是该区域的宽度,同理上视场一般也不是分辨能力有限的视场宽度,摄像机所在位置与下视场之间有一个摄像机看不见的盲区。最大可利用的区域长度是以区域宽度和该区域末端的分辨率要求为基础计算出的,它是分辨能力有限的视场距离与近场区域宽度距离之差。对于上例(15m宽的区域,用11mm幅度的摄像机配50mm的焦距),最大可利用的区域长度就等于180m-90m=90m。
 
    图2复核区域的集合形状
 
    4结束语
 
    本文通过对将实物场景的光学图像转换为电信号的摄像机和镜头的性能,均匀地照亮报警部位、亮度能满足摄像机和镜头需要照度等的前端设备的详细介绍和分析,指出可以根据不同的情况合理地选择摄像机和镜头等前端设备,来设计出无盲区、无死角、图像品质高、集成性价比高的视频监控系统。
 
    参考文献
 
    [1]GB50395—2007视频安防监控系统工程设计规范[S]
 
    [2]GB/T16676—1996银行营业场所安全防范工程设计规范[S]
 
  
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