安防系统规范与技术 5 视频监控系统基本知识

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第二章 视频监控系统基本知识第一节 视频监控系统的概念与组成 第二节 图像产生基础知识 第三节 摄像机基础知识 第四节 监视器基础知识 第五节 数字视频压缩基础知识

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第三节 摄像机基础知识

摄像机主要传感部件是CCD和CMOS图像传感器。

它们的作用是对监视区域进行摄像并将其转换成电信号。

CCD和CMOS图像传感器的工作原理是：

被摄物体反射光线，传播到镜头， 经镜头聚焦到CCD和CMOS图像传感器芯片上， 图像传感器根据光的强弱积聚相应的电荷，经周期性放电， 产生表示一幅幅画面的电信号， 经过滤波、放大处理，通过摄像头的输出端子输出一个标准的复合视频信号

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一、摄像机图像传感器

(一)CCD图像传感器 图像传感器

CCD电荷耦合器件(Charge Couple Device)

是一种金属氧化物半导体(MOS)集成电路器件。 它以电荷作为信号，基本功能是进行电荷的存储和电荷的转移。

CCD图像传感器：由CCD电荷耦合器件制成，

是固态图像传感器的一种， 是在MOS集成电路基础上发展起来的， 能进行图像信息光电转换、存储、延时和按顺序传送。

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一、摄像机图像传感器 1.电荷耦合器件 .电荷耦合器件

(一)CCD图像传感器 图像传感器

CCD电荷耦合器件是按一定规律排列的MOS电容器组成的阵列。

在P型或N型硅衬底上生长一层很薄(约1200A)的二氧化硅， 再在二氧化硅薄层上依次沉积金属或掺杂多晶硅形成电极，称为栅极。 该栅极和P型或N型硅衬底就形成了规则的MOS电容器阵列。

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一、摄像机图像传感器 1.电荷耦合器件 .电荷耦合器件

(一)CCD图像传感器 图像传感器

每一个MOS电容器实际上就是一个光敏元件。

光照射到MOS电容器的P型硅衬底上时，会产生电子空穴对(光生电荷),

电子被栅极吸引存储在陷阱中。 入射光强，则光生电荷多，入射光弱，则光生电荷少。 无光照的MOS电容器则无光生电荷。

若停止光照，由于陷阱的作用，电荷在一定时间内也不会消失，

可实现对光照的记忆。

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一、摄像机图像传感器 1.电荷耦合器件 .电荷耦合器件

(一)CCD图像传感器 图像传感器

MOS电容器可以被设计成线阵或面阵。

一维的线阵接收一条光线的照射。二维的面阵接收一个平面的光线的照射。 CCD摄像机、照相机使用的是二维的面阵。

CCD电荷耦合器件的集成度很高，

在一块硅片上制造了紧密排列的许多MOS电容器光敏元件。 线阵的光敏元

件数目从256个到4096个或更多。 256 4096

在CCD芯片上同时集成有扫描电路，

能在外加时钟脉冲的控制下，产生三相时序脉冲信号，由左到右，由上到下 将存储在整个面阵的光敏元件下面的电荷逐位、逐行地以串行模拟信号输出

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一、摄像机图像传感器 D图像传感器应用 . 图像传感器应用

(一)CCD图像传感器 图像传感器

CCD电荷耦合器件单位面积光敏元件位数很多、

一个光敏元件形成一个像素， 成像分辨率高、信噪比大、动态范围大，可以在微光下工作。

彩色图像传感器采用三个光敏二极管组成一个像素的方法。

被测景物图像的每一个光点由彩色矩阵滤光片分解为红、绿、蓝三个光点， 分别照射到每一个像素的三个光敏二极管上， 各自产生的光生电荷分别代表该像素红、绿、蓝三个光点的亮度。 经输出和传输后，可在显示器上重新组合，显示出每一个像素的原始彩色。

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一、摄像机图像传感器1.CMOS光电转换器件 . 光电转换器件

(二)CMOS图像传感器 图像传感器

CMOS图像传感器是

按一定规律排列的互补型金属—氧化物—半导体场效应管组成的阵列。

CMOS型放大器，如图

以E型NMOS场效应管V1作为共源放大管， 以E型PMOS场效应管V2、V3构成的镜像电流源作为有源负载

CMOS型放大器是

由NMOS场效应管和PMOS场效应管组合而成的互补放大电路， CMOS就叫互补型金属氧化物半导体 。

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一、摄像机图像传感器1.CMOS光电转换器件 . 光电转换器件

(二)CMOS图像传感器 图像传感器

CMOS型光电变换器件原理。

与CMOS型放大器源极相连的P型半导体衬底充当光电变换器的感光部分。 放大器的栅源电压uGS=0时，CMOS型放大器处于关闭状态，即iD=0。 P型衬底受光信号照射产生并积蓄光生电荷，

CMOS型光电变换器件同样有存储电荷的功能。

当积蓄过程结束，栅源之间加上开启电压时， 源极通过漏极负载电阻对外接电容充电形成电流即为光信号转换为电信号

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一、摄像机图像传感器 2.CMOS图像产生原理 . 图像产生原理

(二)CMOS图像传感器 图像传感器

利用CMOS型光电变换器件可以做成 利用 型光电变换器件可以做成CMOS图像传感器。 图像传感器。 型光电变换器件可以做成 图像传感器

CMOS线型图像传感器由 线型图像传感器由

光敏二极管和CMOS型放大器阵列以及扫描电路集成在一块芯片上制成。 型放大器阵列以及扫描电路集成在一块芯片上制成。 光敏二极管和 型放大器阵列

以及扫描电路集成在一块芯片上制成 一个光敏二极管和一个CMOS型放大器组成一个像素。 型放大器组成一个像素。 一个光敏二极管和一个 型放大器组成一个像素 光敏二极管阵列在受到光照时，便产生相应于入射光量的电荷。 光敏二极管阵列在受到光照时，便产生相应于入射光量的电荷。 扫描电路以时时间间隔轮流给CMOS型放大器阵列的各个栅极加上电压， 型放大器阵列的各个栅极加上电压， 扫描电路以时时间间隔轮流给 型放大器阵列的各个栅极加上电压 CMOS放大器轮流进入放大状态将光敏二极管阵列的光生电荷放大输出。 放大器轮流进入放大状态将光敏二极管阵列的光生电荷放大输出。 放大器轮流进入放大状态将光敏二极管阵列的光生电荷放大输出

CMOS面型图像传感器则是由光敏二极管和 面型图像传感器则是由光敏二极管和CMOS放大器 面型图像传感器则是由光敏二极管和 放大器

组成二维像素矩阵， 组成二维像素矩阵，分设水平垂直选址扫描电路 水平与垂直选址扫描电路发出的扫描脉冲电压，由左到右，由上到下， 水平与垂直选址扫描电路发出的扫描脉冲电压，由左到右，由上到下， 分别使各个像素的CMOS型放大器处于放大状态。 型放大器处于放大状态。 分别使各个像素的 型放大器处于放大状态 二维像素矩阵面上各个像素的光敏二极管光生和积蓄的电荷依次放大输出STUDENT FULFILLMENT

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二、摄像机的工作原理 1.黑白CCD摄像机 .黑白 摄像机

传传解

CCD

CDS

同同

全全放放 处处同同

叠叠 同同 同同全全 产产同同

视视输 动同同

输动驱驱 产产同同

CDS是相关双取样电路(Correlated Double Sampling),

CCD每个像素的输出波形只在部分时间是图像信号，其余时间内是复位电平和干扰。 采用取样保持电路取出图像信号，直到取样下一个像素信号。 垂直CCD移位寄存器多相时钟驱动信号， 水平CCD读出寄存器多相时钟驱动信号等各种脉冲信号和视频通道所需的箝位和取样脉冲。

驱动脉冲产生电路产生CCD传感器所需的

同步信号产生电路产生行推动、场推动、复合消隐、复合同步等各种电视信号脉冲。 信号放大处理电路包括AGC放大、γ校正、白电平限幅、黑电平箝位等电路。 叠加电路将经过处理的视频信号与复合同步、复合消隐信号叠加成全电视信号。 输出驱动电路则将全电视信号进行驱动，适配75 电缆。 黑白摄像机还会有自动光圈接口、电源同步接口、外同步接口、亮度控制等附加电路。

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二、摄像机的工作原理3.单片彩色CCD摄像机 .单片彩色 摄像机

应用电视

中所用的彩色摄像机都是单片式彩色CCD摄像机。

一片CCD传感器对三种基色光感光，单片式彩色CCD摄像机分辨率低，但成本也低。

用一个CCD传感器产生R、G、B三种颜色的信号，必须用滤色器将光进行分色。

单片CCD传感器输出的信号为红、绿、蓝混合信号， 通过彩色信号分离电路才能分解出红、绿、蓝基色信号。 CCD传感器的输出信号是由时钟驱动脉冲控制的，与时钟脉冲有严格的对应关系， 取样保持电路中用时钟驱动脉冲形成的相位与时钟脉冲一致的脉冲取样，分离出相应的基色信号透透 通色解 一行 延延 光光光 CCD 通通通 传传解 光通GL

差色 放放 GH 彩 彩 色 色 色 R 同同G

处处 放放 处处 放放 处处 放放

色 编

全同全 全全视视

光通

解 解

B

光通

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第二章 视频监控系统基本知识第一节 视频监控系统的概念与组成 第二节 图像产生基础知识 第三节 摄像机基础知识 第四节 监视器基础知识 第五节 数字视频压缩基础知识

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第四节 监视器基础知识

监视器是视频监控系统中最常用的图像显示设备。 监视器是视频监控系统中最常用的图像显示设备。

与摄像机相反，它所完成的基本物理变换是电光转换， 与摄像机相反，它所完成的基本物理变换是电光转换， 即把图像信号还原为与原景物图像相似的可视图像。 即把图像信号还原为与原景物图像相似的可视图像。

监视器与电视接收机有许多共同之处，主要的差别在于： 监视器与电视接收机有许多共同之处，主要的差别在于：

监视器的设计目标是尽可能逼真地还原图像， 监视器的设计目标是尽可能逼真地还原图像， 而电视机则主要考虑如何满足人眼的视觉效果。 而电视机则主要考虑如何满足人眼的视觉效果。 监视器通常还具有

外同步，欠扫描、逆程显示、 显示以及直流恢复、 外同步，欠扫描、逆程显示、A-B显示以及直流恢复、电缆补偿等功能。 显示以及直流恢复 电缆补偿等功能。

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一、黑白监视器

典型黑白监视器的电路原理框图全视视K1 75

全放 内 外 对对亮K2

全放视视 亮亮 场场场 行场场 场场场 行场场 场视视 行视视 高压 会聚

同同色色AFC

外同同

全电视信号放大后去调制显像管电子束， 送同步分离电路分离出复合同步信号，再分离出场和行同步信号， 场同步信号去同步由场振荡、场激励和场输出组成的场扫描电路 行同步信号变换为AFC去同步由行振荡，行激励和行输出组成的行扫描电路。 K2为同步选择开关，行、场扫描电路会被内、外同步信

号所同步。 K1为75 终接电阻开关，单台和多台监视器显示时，视频输入端接或不接75

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一、黑白监视器 1.视频通道 .

视频通道的功能是把输入的1Vp-p左右的视频信号无失真地放大，

使之能够送至显像管的调制极(视显像管的调制方式是阴极或是栅极), 去调制电子束的强度。

对视频通道电路的主要要求是：

足够的增益，根据不同的调制方式要求有34~46dB的增益。 足够的带宽，为能良好地显示高分辨率摄像机和高质量信号源的图像，

一般要求有8MHz以上的带宽，幅度频率曲线要平坦，以保证良好的相频特性。

非线性失真要小，由于摄像机已设置校正电路，因此监视器视频通道电路不 进行失真处理。要求其非线性失真要尽可能的小。 调节对比度时只改变视频放大器的增益，不影响放大器的频率响应。

有些监视器的视频通道电路还包括DC恢复功能和电缆高频补偿功能。

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一、黑白监视器 2.同步分离 .

同步分离电路的任务是

从全电视信号中将场、行同步信号与视频图像信号分开， 从全电视信号中将场、行同步信号与视频图像信号分开， 再根据场、行同步信号脉宽不同的特点， 再根据场、行同步信号脉宽不同的特点， 将它们分成场同步脉冲和行同步脉冲， 将它们分成场同步脉冲和行同步脉冲， 再分别去控制场、行振荡器。 再分别去控制场、行振荡器。 为了增强同步分离电路的抗干扰能力，均设置干扰脉冲抑制电路。 为了增强同步分离电路的抗干扰能力，均设置干扰脉冲抑制电路。

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一、黑白监视器 3.扫描电路 .

扫描电路基本功能是向行、场偏转线圈提供锯齿波电流，使之产生偏转磁场。 场扫描电路场偏转线圈工作频率为50Hz,表现为纯电阻性。

场输出电路向其提供锯齿波电压即可。 采用多谐振荡器或间歇振荡器产生50Hz锯齿电压，经推动级，供给场偏转线圈。

行扫描电路由于行偏转线圈在行频率(15625Hz)时呈电感性，

必须向其供给脉冲电压，才能使行偏转线圈中流过锯齿电流。 行振荡产生15625Hz的脉冲电压经激励电路整形、放大、由输出级供给行偏转线圈， 行偏转线圈中就会有锯齿波电流形成。 行输出级工作在开关状态，输出管集电极的电压波形是逆程脉冲。 逆程脉冲经高压变压器升压，整流形成显像管所需的高压和中压。 同时这里也将行扫描频率采样，反馈至AFC电路。

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一、黑白监视器 4.黑白监视器的测试 .

国家制定了黑白监视器通用技术条件，

对广播级和通用型监视器规定了各项技术指标。 测试项目要求使用专用仪器设备，一般在厂家批量生产过程中进行测试。

这里仅介绍几项主要的技术指标的测试方法。 监视器的测试在一般自然环境下进行，

电视信号发生器和具有20MHz带宽同步示波器是必须具备的仪器。 所有项目的测试都不需要打开机箱或对内部电路作任何调整。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/0i5q.html