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1、STUDENT FULFILLMENT1第二章第二章 视频监控系统基本知识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第三节第三节第三节 摄像机基础知识摄像机基础知识摄像机基础知识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STUDENT FULFILLMENT第三节第三节 摄像机基础知识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
2、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STUDENT FULFILLMENT一、摄像机图像传感器一、摄像机图像传感器 （一）（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。STUDENT FULFILLMENT一、
3、摄像机图像传感器一、摄像机图像传感器 （一）（一）CCD图像传感器图像传感器1电荷耦合器件电荷耦合器件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。STUDENT FULFILLMENT一、摄像机图像传感器一、摄像机图像传感器 （一）（一）CCD图像传感器图像传感器1电荷耦合器件电荷耦合器件每一个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
4、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。STUDENT FULFILLMENT一、摄像机图像传感器一、摄像机图像传感器 （一）（一）CCD图像传感器图像传感器1电荷耦合器件电荷耦合器件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。
5、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STUDENT FULFILLMENT一、摄像机图像传感器一、摄像机图像传感器 （一）（一）CCD图像传感器图像传感器3CCD图像传感器应用图像传感器应用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
6、，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。STUDENT FULFILLMENT一、摄像机图像传感器一、摄像机图像传感器 （二）（二）CMOS图像传感器图像传感器1CMOS光电转换器件光电转换器件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。ST
7、UDENT FULFILLMENT一、摄像机图像传感器一、摄像机图像传感器 （二）（二）CMOS图像传感器图像传感器1CMOS光电转换器件光电转换器件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 STUDENT FULFILLMENT一、摄像机图像传感器一、摄像机图像传感器 （二）（二）
8、CMOS图像传感器图像传感器2CMOS图像产生原理图像产生原理利用利用CMOS型光电变换器件可以做成型光电变换器件可以做成CMOS图像传感器。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。一个光敏二极管和一个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。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扫描电路以时时间间隔轮流给CMOS型放大器阵列的各个
9、栅极加上电压，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。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放大器放大器组成二维像素矩阵，分设水平垂直选址扫描电路组成二维像素矩阵，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。二维像素矩阵面上各个像素的光敏二极管光生和积蓄
10、的电荷依次放大输出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二、摄像机的工作原理二、摄像机的工作原理1黑白黑白CCD摄像机摄像机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。驱动脉冲产生电路产生CCD传感器所需的垂直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。同步信号产生电路产生行推动、场推动、复合消隐
11、、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、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。STUDENT FULFILLMENT二、摄像机的工作原理二、摄像机的工作原理3单片彩色单片彩色CCD摄像机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
12、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STUDENT FULFILLMENT13第二章第二章 视频监控系统基本知识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第四节第四节第四节 监视器基础知识监视器基础知识监视器基础知识监视器基础知识第五节 数字视频压缩基础知识STUDENT FULFILLMENT第四节
13、第四节 监视器基础知识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。监视器通常还具有监视器通
14、常还具有外同步，欠扫描、逆程显示、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。STUDENT FULFILLMENT一、黑白监视器一、黑白监视器 典型黑白监视器的电路原理框图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75STUDENT FU
15、LFILLMENT一、黑白监视器一、黑白监视器1视频通道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3446dB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
16、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。STUDENT FULFILLMENT一、黑白监视器一、黑白监视器2同步分离同步分离同步分离电路的任务是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。STUD
17、ENT FULFILLMENT一、黑白监视器一、黑白监视器3扫描电路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
18、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。STUDENT FULFILLMENT一、黑白监视器一、黑白监视器4黑白监视器的测试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。STUDENT FULFILLMENT一、黑白监视器一、黑白监视器（1
19、）水平分辨率）水平分辨率水平分辨率表示沿水平方向分解图像细节的能力，通常以分辨电视线数水平分辨率表示沿水平方向分解图像细节的能力，通常以分辨电视线数表示。表示。进行这项测试要以标准幅度单频率正弦波信号作为监视器的输入信号，进行这项测试要以标准幅度单频率正弦波信号作为监视器的输入信号，电视信号发生器设置为单频率正弦波信号，电视信号发生器设置为单频率正弦波信号，用示波器观察电视信号发生器输出波形如图用示波器观察电视信号发生器输出波形如图2-34（a）所示，）所示，将该信号作为监视器的输入信号，监视器屏幕将显示出垂直条。将该信号作为监视器的输入信号，监视器屏幕将显示出垂直条。逐渐升高正弦信号的频率，
20、垂直条逐渐变细，变多，逐渐升高正弦信号的频率，垂直条逐渐变细，变多，当频率升至恰好不能分辨垂直细条时，读出正弦波频率，计算水平分辨率：当频率升至恰好不能分辨垂直细条时，读出正弦波频率，计算水平分辨率：M=80ZZ为正弦波的频率，单位为为正弦波的频率，单位为MHz。M为水平分辨率，单位为为水平分辨率，单位为TVL（电视线）（电视线）STUDENT FULFILLMENT一、黑白监视器一、黑白监视器（2）亮度鉴别等级）亮度鉴别等级亮度鉴别等级又称为灰度等级。亮度鉴别等级又称为灰度等级。是指监视器图像从最黑部分到最白部分之间能够区别的亮度等级是指监视器图像从最黑部分到最白部分之间能够区别的亮度等级它
21、反映了荧光屏亮度变化的范围，也反映了视频通道电路的非线性失真。它反映了荧光屏亮度变化的范围，也反映了视频通道电路的非线性失真。进行该项测试所需的信号为十阶梯信号，进行该项测试所需的信号为十阶梯信号，电视信号发生器设置为电视信号发生器设置为10阶梯信号，示波器观察电视信号发生器输出波形阶梯信号，示波器观察电视信号发生器输出波形将该信号作为监视器的输入信号，将该信号作为监视器的输入信号，监视器屏幕将显示由最黑部分到最白部分监视器屏幕将显示由最黑部分到最白部分10个灰度的竖直条。个灰度的竖直条。调节亮度调节亮度/对比度旋钮，使屏幕最亮部分与最黑部分亮度之比为对比度旋钮，使屏幕最亮部分与最黑部分亮度之
22、比为25 1、然后观察图像可分辨灰度条的级数，即为亮度鉴别等级。然后观察图像可分辨灰度条的级数，即为亮度鉴别等级。在实际测试时，可以调整亮度、对比度旋钮，以求最好的测试效果。在实际测试时，可以调整亮度、对比度旋钮，以求最好的测试效果。如果说水平分辨率是反映监视器显示图像细节的能力，如果说水平分辨率是反映监视器显示图像细节的能力，那么灰度等级则反映了监视器显示图像背景层次是否丰富。那么灰度等级则反映了监视器显示图像背景层次是否丰富。STUDENT FULFILLMENT一、黑白监视器一、黑白监视器（3）光栅的几何失真）光栅的几何失真是由偏转系统的缺陷所造成的，它反映了监视器再现图像的能力。几何失
23、真一般可分为平行四边形失真，梯形失真，枕形失真和桶形失真，国家标准对它们规定了严格的定义和测试方法，照此进行测量是准确的。通常人们并不去分别测试和计算这些形式的失真，而是采用一种综合的评价，给出一个监视器图像几何失真的技术指标。具体测试方法是，输入点子或格子信号，然后用测试模板（刻有均匀格子的透明薄膜式玻璃）去与之对比，通过点子与格子交叉点的偏差量来计量几何失真。STUDENT FULFILLMENT一、黑白监视器一、黑白监视器（4）同步范围）同步范围是指输入图像信号的同步信号能够控制监视器扫描电路的频率范围。它反映了监视器能够稳定地显示行（场）频有偏差的图像信号的能力，包括保持范围和引入范围
24、两项指标，其测量方法如图5-21所示。测量时，先朝一个方向逐渐地改变电视信号发生器的行（场）频，使监视器失去同步，这一频率点即为失步点；再由失步点向同步方向逐点调节信号发生器的行（场）频，每次都将信号断开，再接入，直到图像刚能自行同步时为止，这样可以得到一高一低两个边界状态，其对应的两个频率之间的范围就是行（场）同步的引入范围。分别向高低两端改变输入标准信号的行（场）频率，直至出现同步缺陷（图像出现扭曲或滚动）时为止，这两边界状态对应的两个频率之间的范围就是行（场）同步保持范围。同步保持范围表示监视器的同步工作范围，而引入范围则反映了在输入信号切换时能够同步锁定的能力。STUDENT FULF
25、ILLMENT一、黑白监视器一、黑白监视器有些测试需要打开机箱对视频通道等电路进行测试，一般不进行的。采用一台高分辨率的摄像机作为视频信号源，也可以对监视器进行初步测试，利用摄像机摄取综合测试卡的图像，用示波器测试其输出幅度使之符合标准幅度，调整图像大小与扫描光栅重合，即可以通过观察屏幕显示图像来评价监视器的性能，如分辨率（受到摄像机分辨率的限定）、灰度等，通过观察四角圆的形状，方格的均匀性可以初步计算几何失真，调节行（场同步旋钮）可以看出监视器的同步能力。主观目测不很严格，但利用对比的方法对监视器的质量进行主观评价也是很有效和直观的。如果有一台已知质量很好的监视器，可与它进行图像的主观比较。
26、在大多数应用电视系统的验收时这些办法都是可行的。STUDENT FULFILLMENT二、彩色监视器二、彩色监视器彩色监视器是显示彩色图像的视频设备，彩色图像比黑白图像含有更多的信息量，在应用电视系统中日益受到重视，得到了广泛的应用。通常把彩色监视器分为广播型和通用型。广播型具有良好的图像还原性和色度还原性，主要应用于专业场合。通用型作为普通彩色摄像机和家用录像机显示设备，也用为应用电视系统，目前通用型彩色监视器主要是具有视频输入接口的彩色收监两用机。三基色原理是彩色电视的基本原理，彩色摄像机将景物的图像分解成三个基色分量信号，通过编码形成一个全电视信号。彩色监视器将这个全电视信号解码，还原为
27、三个基色分量信号，然后将它们混合（相加混色）生成与原景物图像相似的彩色图像。STUDENT FULFILLMENT二、彩色监视器二、彩色监视器1彩色显像管彩色显像管彩色显像管是彩色监视器的心脏，它不仅要完成电光转换，还要完成三路基色分量信号的混合，这就是说相加混色是在显像管的荧光屏实现的。荫罩式彩色显像管由荧光屏、荫罩板、电子枪、玻璃外壳和管外组件构成。电子枪的作用是发射电子，并使其加速，聚焦成为可以轰击荧光屏的电子束。与黑白显像管不同，彩色显像管要产生三注电子束（对应于三个基色分量）。与此相对应，荧光屏要涂上三种基色的荧光粉，这三种荧光粉点按一定规律成品字状或成条状，每三个点构成一个基色组。
28、彩色显像管的三注电子束，分别受图像信号的三个基色分量信号（R、G、B）调制，然后准确地轰击荧光屏上相应的荧光粉点，产生相应颜色（R、G、B）的光。由于每个基色组三点相距非常近，人的视觉会感受到由三色混合而形成的色彩。荫罩是装在电子枪和屏幕之间的一块布满数10万个小孔的薄钢板，荫罩板的功能保证每一注电子束都能准确地轰击到相应的荧光粉点上。管外组件主要是色纯度调整和会聚度调整的磁性件。彩色监视器输入的视频信号通常是将亮度信号Y与两个色度信号U、V通过频谱交错复合在一起的全电视信号。彩色监视器首先要通过亮、色分离电路将全电视信号分为亮度信号和色度信号，色度信号经解码器解调为两个色差信号R-Y、B-Y
29、，再与亮度信号一起通过矩阵电路，形成R、G、B信号，去分别调制三个电子束。因此彩色监视器的视频通道电路要比黑白监视器复杂得多。彩色监视器的同步和扫描电路则基本上与黑白监视器相同。STUDENT FULFILLMENT三、电视的制式与色彩空间三、电视的制式与色彩空间 （三）（三）YUV系列色彩空间系列色彩空间2彩色监视器的电路框图彩色监视器的电路框图彩色监视器的电路框图如图2-37所示。彩色监视器由PAL解码器电路、亮色分离电路和同步扫描电路三大部分组成，彩色监视器同步扫描电路特有的部分是会聚电路。它的作用是向行、场会聚线圈提供抛物线会聚电流，使显像管得到良好的动会聚。STUDENT FULFILLMENT作业什么是逐行扫描、隔行扫描？彩色电视信号有哪些制式？颜色表示系统有几种？分别是什么？