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攝像機種類繁多,主要由視頻電路和音頻電路兩大部分組成。其工作的基本原理都是一樣的:把光學圖象信號轉變為電信號,以便於存儲或者傳輸。當拍攝一個物體時,此物體上反射的光被攝像機鏡頭收集,使其聚焦在攝像器件的受光面(例如攝像管的靶面)上,再通過攝像器件把光轉變為電能,即得到了「視頻信號」。光電信號很微弱,需通過預放電路進行放大,再經過各種電路進行處理和調整,最後得到的標準信號可以送到錄像機等記錄媒介上記錄下來,或通過傳播系統傳播或送到監視器上顯示出來。

1 攝像機 -構造

攝像機主要由視頻電路和音頻電路兩大部分組成。

視頻電路

主要由光學系統、攝像器件、預放器、同步掃描系統、控制系統 和彩色攝像機中特有的彩色編碼器幾部分組成。音頻部分較為簡單,一般裝有一個微音器,用來把現場聲音轉化為電信號,利用攝像機內的音頻放大電路可以把音頻電信號放至足夠大后輸出。

音頻電路

攝像機攝像機

音頻電路相對視頻系統是獨立的。

①攝像管、電子束器件,又分為析像管、光電倍增析像管、超正析像管和光導攝像管等幾種。新型攝像機中多使用小巧的氧化鉛光電攝像管。各種攝像管都有一個真空玻殼,裡面裝有靶面和電子槍。被攝景物透過玻殼上的窗成像於靶面,利用靶面的光電發射效應或光電導效應將靶面各點的照度分佈轉化為相應的電位分佈,將光圖像變成電圖像。在管外偏轉線圈驅動下,電子束逐點逐行掃描靶面,把掃描路徑上各像素的電位信號按序輸出。

②固體攝像器件。一種新型的電荷耦合器件 (CCD)。幾十萬個器件單元排列成陣面,表層具有光敏特性。被攝景物成像於陣面,各單元存儲電荷量和照度成正比。利用時鐘脈衝和移位控制信號,將陣面各單元信號按一定順序移出,即可得到強度隨時間變化的圖像電信號。
預放器把攝像器件輸出的微弱信號放大到規定幅度的視頻放大器。為保證良好的信噪比,要求預放器有儘可能小的雜訊係數。

2 攝像機 -發展歷史

攝像機攝像機

攝像機是由貝爾德、費羅·法恩斯沃斯和維拉蒂米爾·斯福羅金三人各自獨立發明的。

從20世紀80年代國外模擬監控產品搶灘中國大陸市場之後,20年間,幾乎是國外品牌與產品的一統天下,儘管有一些民族企業參與這一行業的競爭,但一直沒有機會形成民族品牌的主流。

隨著數字技術的高速發展,安防領域全面進行數字化改造,自2000年以來,數字化安防市場得到了飛速的發展,國內誕生了一批新興的數字化監控產品生產企業,其中以數字化安防產品為代表的DVR生產企業迅速崛起,在短短几年時間裡面,將數字化監控技術應用到各行各業,為社會的穩定和安定團結做出了積極的貢獻,同時也使原有的監控市場發生了根本性的變化,模擬監控產品逐步退出市場,DVR作為數字化安防工程中的主要組成部份被廣泛地應用,民族品牌產品逐步佔據市場主要份額。 

從行業的整體上來說,市場需求的是一體化的數字多媒體監控系統,按照用戶的安防要求,結合自身的人防,形成滿足實際需要的安全防範體系,實現視音頻的監視、控制和記錄存儲。DVR產品在市場的推廣過程中被部分生產廠家超前地定格為萬能的數字監控核心。但是DVR的核心問題只是解決視頻的數字化壓縮和存儲,對「控」的內容相對比較欠缺。在實際應用的監控系統中DVR更多起到的是取代傳統模擬錄像機的作用,目前的DVR技術水平處於數字監控系統發展的初級階段。 

DVR發展至今,各廠家針對安防行業的切實需要以及不同場所特殊應用所提出的技術改進及解決方案可謂百花齊放,從M-JPEG、MPEG-2到熱門的MPEG-4、H.264壓縮技術,從軟壓縮到硬壓縮,視頻路數的不斷增加(4、9、16、32等),系統的網路功能等,令人眼花繚亂。DVR產品隨著各種不同的應用環境,開發出不同系列的產品.市面上各種品牌、型號繁多,功能特性各異DVR,但總的來說,按系統結構可以分為兩大類:基於PC架構的PC式 DVR和脫離PC架構的嵌入式DVR。

PC式DVR 

這種架構的DVR以傳統的PC機為基本硬體,以Win98、Win2000、WinXP(也有少量的使用Linux)為基本軟體,配備圖像採集或圖像採集壓縮卡,編製軟體成為一套完整的系統。PC機是一種通用的平台,PC機的硬體更新換代速度快,因而PC式 DVR的產品性能提升較容易,同時軟體修正、升級也比較方便。

3 攝像機 -光學系統

攝像機攝像機
黑白攝像機和單管彩色攝像機中的光學系統由光學鏡頭 組成,光學鏡頭由透鏡組和可調光闌(光圈)組成。透鏡組使被攝景物成像於攝像器件的靶面 上,光闌 則用來調整光通量。簡單攝像機上只有一個固定焦距鏡頭,演播室用攝像機可以有幾個固定焦距鏡頭 ,根據拍攝意圖隨意選用,而新型攝像機上越來越多的使用變焦距鏡頭。三管彩色攝像機的光學系統 由光學鏡頭 和分光稜鏡組成。分光稜鏡的作用是將通過的光線分解成紅 (R)、綠 (G)、 藍 (B) 三種基色光線,在三支攝像器件的靶面上分別成像。分光稜鏡是一種特殊設計的稜鏡組,稜鏡組中的兩個特殊界面可以有選擇地反射某種基色光線 而使其他光線通過。

4 攝像機 -攝像器件

攝像機攝像機

完成圖像分解和光電信號轉換的器件。圖像分解是把一幅完整圖像分解成若干獨立的像素(構成電視圖像畫面的最小單元)的過程。一般說,像素的數目愈多,圖像愈清晰。每個像素只用單一的顏色和亮度表示。攝像器件能把圖像中各像素的光信號轉變成相應的電信號,再按一定的順序傳送到輸出端。攝像器件分攝像管和固體(半導體)攝像器件兩大類。

①攝像管、電子束器件,又分為析像管、光電倍增析像管、超正析像管和光導攝像管等幾種。新型攝像機中多使用小巧的氧化鉛光電攝像管。各種攝像管都有一個真空玻殼,裡面裝有靶面和電子槍。被攝景物透過玻殼上的窗成像於靶面,利用靶面的光電發射效應或光電導效應將靶面各點的照度分佈轉化為相應的電位分佈,將光圖像變成電圖像。在管外偏轉線圈驅動下,電子束逐點逐行掃描靶面,把掃描路徑上各像素的電位信號按序輸出。

②固體攝像器件。一種新型的電荷耦合器件 (CCD)。幾十萬個器件單元排列成陣面,表層具有光敏特性。被攝景物成像於陣面,各單元存儲電荷量和照度成正比。利用時鐘脈衝和移位控制信號,將陣面各單元信號按一定順序移出,即可得到強度隨時間變化的圖像電信號。
預放器  把攝像器件輸出的微弱信號放大到規定幅度的視頻放大器。為保證良好的信噪比,要求預放器有儘可能小的雜訊係數。

5 攝像機 -同步掃描

攝像機攝像機
產生攝像管電子束掃描驅動信號或CCD 的時鐘和移出信號的設備。同步掃描系統 還產生行、場消隱信號和行、場同步信號。電視制式不同時,行、場同步信號 頻率不相同。同步信號也可以由攝像機外部輸入,多部攝像機同時工作時,機外輸入信號可以保證這幾部攝像機同步工作,便於現場節目製作時切換攝像機。穩定性差 DVR軟體與PC硬體、WINDOWS操作系統不兼容以及WINDOWS操作系統自身的不完善,很容易造成系統死機。 
PC DVR產品操作及維護需要有一定的技術基礎,而操作系統有時還會「衝掉」一些系統配置及軟體,這就使維護工作難度大。PC DVR的數據存儲及操作系統均在硬碟中,無論如何加密,均可以從PC的底層進入系統,對已記錄的圖像文件進行刪改。如果PC的硬碟零道發生了故障,整個硬碟甚至整個系統均要癱瘓,因此數據的可靠性下降。WINDDOWS操作系統的抗入侵能力非常差,一旦操作系統遭到破壞(如病毒入侵等),整個的PC DVR會受到嚴重影響,甚至系統崩潰。PC DVR的板卡均是大批量生產的產品,質量可以保證,但在組裝為DVR產品時卻很難做到規範化批量生產,所以整機的質量也難以確保。PC機各類配件的發展非常快,1~2年原有產品就會淘汰,這對於只有長期使用才能體現性價比優勢的DVR產品來說,PC DVR的維護費用較高,同時PC的板卡均不是生產DVR產品的廠家自已設計生產的,對其產品長期進行維修的保障可靠度較低。

6 攝像機 -編碼器

攝像機攝像機
由三基色信號產生亮度信號、色度信號和色同步信號的電路 。黑白攝像機無此部分。編碼器由矩陣電路、調製器、色副載波產生器和色同步信號產生電路等組成。矩陣 電路將R、G、B三基色信號按規定的比例組合成Y信號和I,Q信號。矩陣電路一般是由電阻網路或運算放大器 構成。(R-Y)和(B-Y)對色副載波進行調製得到色度信號。彩色電視制式(有PAL制、NTSC制和SECAM制)決定了調製器 的形式。控制系統對攝像機的圖像信號進行γ校正、孔闌校正、重合校正及色平衡調整的系統。攝像機和錄像機一同工作時,還可以利用攝像機內的控制系統控制錄像機的啟、停。

7 攝像機 -類型

黑白攝像機

攝像機攝像機
只記錄亮度信號而無色度信號的攝像機。由光學鏡頭將景物成像於攝像管的靶面上或 CCD的陣面上。預放器將攝像器件的輸出信號放大到規定的幅度,成為亮度信號。亮度信號和同步掃描系統產生的行、場消隱及行、場同步信號組合得到全電視信號(圖2)。

單管式彩色攝像機

只用一支攝像器件(攝像管或CCD)的彩色攝像機。在攝像器件靶面前放一個條紋濾色器,使靶面上形成紅(R)、綠(G)、藍(B)三色小區。同一像素被析成三個並排的單基色像素。電子束掃描靶面時順序輸出正比於光通量的三基色信號,再用電路分成三路單基色信號,經編碼器得到亮度信號、色度信號和色同步信號。亮度信號,色度信號,行、場消隱信號;行、場同步信號和色同步信號組合成兼容制彩色全電視信號。單管式彩色攝像機結構簡單,沒有三管式彩色攝像機中的圖像重合問題,但每種基色只用了靶面面積的1/3,使攝像器件靈敏度降低,圖像信號清晰度也較低。

雙管式彩色攝像機

使用兩支攝像器件的彩色攝像機。一支攝像器件與單管式彩色攝像機的功用相同,另一支攝像器件接受景物的全色光,輸出亮度信號。編碼器中的矩陣網路簡化。鏡頭後面只需簡單的分光系統,將通過鏡頭的全色光分為兩路全色光,分別在兩支攝像器件上成像。

三管式彩色攝像機

攝像機攝像機
使用三支攝像器件的彩色攝像機。鏡頭與攝像器件之間有分光系統。三支攝像器件的靶面上分別形成景物的單基色實像,並輸出R、G、B三基色圖像信號。編碼器以後的工作過程和單管彩色攝像機相同。與單管和雙管攝像機相比,三管攝像機靶面使用面積大,故靈敏度高,圖像清晰度高,但光學系統及整機結構複雜。為保證圖像質量,對用攝像管作攝像器件的攝像機,要求掃描過程中三支攝像管中的電子束打在靶面上的幾何位置嚴格一致(重合),這樣增加了技術難度。高質量的彩色攝像機都屬於三管或三 CCD式的攝像機。

演播室用攝像機

又稱固定式攝像機。它對體積、重量和耗電的限制不嚴,但對信號質量要求高,功能比較齊全,通常安裝在較重的底座或有起落架的專用攝像車上。機身穩定,只能在有限空間內移動。一般在演播室或特定拍攝場地製作高質量電視節目。

攜帶型攝像機

能在移動情況下使用的小型攝像機。要求體積小、重量輕、耗電省,一般可以用電池供電。攜帶型攝像機可以配用輕型支架,也可以單人肩扛或用手持握,在行進中拍攝。多用於新聞採訪或科研現場拍攝。最新式的攜帶型攝像機集攝像、錄像功能於一身,成為一體化攝錄機。

依攝像機解析度劃分 (1)影像像素在25萬像素(pixel)左右、彩色解析度為330線、黑白解析度400線左右的低檔型。
(2)影像像素在25萬~38萬之間、彩色解析度為420線、黑白解析度在500線上下的中檔型
(3)影像在38萬點以上、彩色解析度大於或等於480線、黑白解析度,600線以上的高解析度。
依攝像機靈敏度劃分(1)普通型:正常工作所需照度為1~31x
(2)月光型:正常工作所需照度為0.1x左右
(3)星光型:正常工作所需照度為0.01x以下
(4)紅外照明型:原則上可以為零照度,採用紅外光源成像。
按攝像元件的CCD靶面的大小劃分(1)lin靶面尺寸為寬12.7mmX高9.6mm,對角線16mm
(2)2/3in靶面尺寸為寬8.8mmX高6.6mm,對角線11mm
(3)1/2in靶面尺寸為寬6.4mmX高4.8mm,對角線8mm
(4)1/3in靶面尺寸為寬4.8mmX高3.6mm,對角線6mm
(5)1/4in靶面尺寸為寬3.2mmX高2.4mm,對角線4mm
此外CCD攝像機有PAL制和NTSC制之分,還可以按圖像信號處理方式劃分或按攝像機結構區分。

8 攝像機 -選購

攝像機攝像機
市場上的數字攝像機品牌和型號繁多,但它們都有許多的共同之處。大多數機型都具有彩色取景器,用於預覽或播放圖像的彩色LCD顯示屏都具有圖像穩定控制功能、特殊效果處理功能(淡入淡出、滑入、漸隱等)、自動白平衡功能和10倍或更高的光學變焦、作用類似於數碼相機的靜態圖像拍攝功能等,但由於數碼攝像機檔次和生產廠家的不同,選購時要注意以下的方面:
單CCD或3CCD       
高檔攝錄放一體機不管是模擬機還是數字機都採用3片CCD。3CCD機種解析度高,色彩還原逼真,但光學結構複雜,電路構造簡單,維修方便,故障率較低,但價格相對較貴。單CCD焦距濾色鏡正好相反,實際的清晰度相對較差。不過現在家用攝像機單片CCD也能達到400線左右的清晰度,家用已足夠,可以說是價廉物美。

 

液晶屏取景和電子取景

液晶顯示屏取景面積大,可以在很寬的角度範圍內轉動,有的能轉動360度,取景方便。另外,這個顯示屏還能當AV顯示器用,附加電視調諧器后又可成為一台小液晶彩電,出外旅遊頗有用處。其缺點是在強烈光線下顯示太弱,並且耗電很大,價格較高。較為實用的還是電子取景器,價格較便宜,省電,而且能在任何環境下採用。儘管取景器中的畫面視角和色彩效果與最終結果不完全相同,但使用一段時間后還是很快就會適應的。

對焦和白平衡
攝像機網路攝像機
自動對焦是攝像機所普遍具有的功能,但這種對焦方式一般都以中心位置對焦,拍攝不在畫面中央的主體時,就無能為力了。另外,在追蹤拍攝時,自動對焦功能很有限,這時用手動對焦反而更能隨心所欲。

白平衡就是攝像機在不同場合下對現場景物色彩真實還原能力的一個指標,目前的數碼攝像機都配備了自動白平衡功能。但如果沒有手動白平衡功能,你的攝像機就和照相機一樣,只能被人家稱為「傻瓜機」了,你就不能得到最佳的色彩還原和特殊效果的彩色畫面。例如:你想把夜晚的天空拍攝成陰森森的氣氛,如果你的攝像機只有自動白平衡功能,你拍到的畫面就會變得不倫不類。

光學變焦和數碼變焦

光學變焦是依靠光學鏡頭結構來實現變焦的,為了儘可能充分地利用CCD的像素,使拍攝的圖像儘可能地清晰自然。好的攝像機生產廠家採用了優質的光學鏡頭,如索尼公司在最新的數碼相機和數碼攝像機上都配上了目前世界上被稱為光學極品的蔡司鏡頭。另外,鏡頭的最大光圈在選購時也是不能忽視的,因為在目前的家用數字式攝像機中,大光圈意味著能在低照度的情況下拍攝。

數碼變焦實際上是一種畫面放大,把原來CCD上的一部分圖像放大到整幅畫面,以複製相鄰像素點的方法補進一個中間值,在視覺上給人一種畫面被拉近了的錯覺。實際上,利用數碼變焦功能拍攝的畫面質量粗糙,圖像模糊,並無多少實際的使用價值。

靜態圖像存儲和視頻輸出

數碼攝像機都具有靜態圖像拍攝功能,在選購時最好選擇能夠使用存儲卡的數碼攝像機。

數碼攝像機利用:LINK數碼輸入/輸出(IEEE1394標準)可以直接將影像輸入到計算機中。為了方便用戶直接在家中的電視機中播放影像,市場上出售的數碼攝像機基本上都帶有模擬輸出介面,這樣你只要將模擬視頻、音頻輸出端子接到電視機相應的輸入介面,就可以欣賞你拍攝的影像,非常方便。但要注意的是,有的數碼攝像機自身沒有帶模擬視音頻輸出端子,而要通過一個轉換適配器才能將攝像機中的數字信號轉換成模擬信號輸入到電視機中。

體積和電池

鋰電池和鎳氫電池這種體積小巧、可反覆充電、無充電記憶的新型電池已經得到廣泛使用,在選購時應該選擇使用這兩種電池的攝像機。

9 攝像機 -硬碟攝像機

攝像機攝像機

(英文名稱為Digital Video Recorder,簡稱DVR)是隨著計算機技術的發展,在最近幾年中才逐漸發展起來的視頻監控設備。在安防行業中,傳統的視頻監控工程中普遍使用磁帶式的長延時錄像機,這種錄像機使用磁帶作為存儲視頻數據的載體,視頻數據採用模擬方式存儲,視頻信號經過多次複製后信號衰減嚴重,錄像磁帶佔用大量存儲空間,維護和數據檢索都比較麻煩。而隨著計算機技術的發展,硬體和軟體的技術更新都為視頻數據的存儲提供了新的思路。

早期的硬碟錄像機對視頻數據的處理能力還不是很足夠,因此沒有大規模的應用,而目前一方面計算機的處理能力大大增強,同時IC技術也突飛猛進,這都為硬碟錄像機同時處理多路視頻信號成為可能。

目前硬碟錄像機主要分為兩大類,一類是基於計算機架構的PC式硬碟錄像機(又成為工控式硬碟錄像機),一類為基於嵌入式處理器的嵌入式硬碟錄像機,從目前的市場應用來講,2者各有千秋,早期的硬碟錄像機都是基於計算機架構的PC式硬碟錄像機,後來嵌入式硬碟錄像機的市場份額逐漸加大,目前2者在市場所在份額基本持平。

國內的硬碟錄像機產品目前以國產為主,PC式硬碟錄像機技術成熟,但沒有什麼品牌產品,更多的都是用戶或者工程商自己組裝,而嵌入式硬碟錄像機的入門門檻較高,主要是以品牌為主。PC式硬碟錄像機又可細分為基於採集卡(又稱軟壓卡)和基於壓縮卡(又稱硬壓卡)2種。嵌入式硬碟錄像機鑒於技術因素,目前還是以低於16路視頻輸入的產品為主,高於16路的嵌入式產品還很少見。

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