视频监控系统的前端设备

第2章前端设备本章将详细分析视频监控系统前端的镜头、摄像机、云台（含防护罩等辅助设备）的架构与原理，并对系统应用时的设置、调试、维护及日常故障的处置进行介绍。2.1光学成像把现实空间的物体成像于图像传感器件的感光靶面中，即所谓的光学成像。首先应该先了解光学成像的过程。2.1.1光学成像原理基础光学成像指通过光学把现实空间的物体成像在图像传感器件的感光靶面上。怎样才能在图像传感器的靶面上获得清晰的物像呢？这就涉及到光学成像的过程原理。一般，通过合理的设计（包括合理选择镜头的各项参数并考虑物体的照明条件、聚光方式、光学系统的传输损失、像面照度的计算方法等有关辐射度学方面的问题），可使该像的位置、尺寸、清晰度、物像光强度等符合实际应用场合的技术条件。2.1.2光学成像过程如图2-1所示，为物体的光学成像过程，即将各种不同形状、不同介质的反射镜、透镜及棱镜按一定的方式组合起来，使由空间的物体发出的光线通过这些光学零件的透射、折射、反射，按人们的需要改变传播方向后，为接收器件所接收。这些光学零件的组合称为光组，又称光学系统。2.1.3光学系统基础知识理想光组是指光组能在任意大的空间内、用任意宽的光束成完整的像。1．理想光组的基本性质理想光组的基本性质主要有如下3个。（1）点成点像如图2-2所示，图中的A与A、B与B点一一对应，即对于物空间的任何一个点，在像空间中必有一个点与之对应，而且只有一个点与之对应。通常把这两个对应点称为共轭点。（2）线成线像如图2-2所示，图中的线AB与线AB一一对应，即对于物空间的任何一条直线，在像空间中必有一条直线与之对应，而且只有一条直线与之对应。通常把这两条对应线称为共轭线。（3）对称轴共轭物空间和像空间存在着唯一的共轭对称轴。当物空间内某点A绕该空间内的对称轴旋转任意一个角度时，其共轭像点A也必绕像空间的相应的对称轴旋转同样的角度。通常把这一对共轭的对称轴称为光轴。通过对上述3点基本性质的认识，还可得到以下推论：①如果A、B两点分别与A、B共轭，那么直线AB同样与直线AB共轭；②同心光束经理想光组变换后，还是同心光束；③物空间的任何一个平面通过理想光组变换后，在像空间的共轭图像也必为一个平面；④如果物空间内的平面垂直于光轴，那么其共轭像平面也必垂直于光轴；⑤理想光组一对共轭面的横向放大率是一个常数，与物高无关。2．理想光学系统的基本点、面理想光组物空间的点与像空间的点是相互对应的，如果知道理想光组的焦点、主点、焦面、主面和节点等基本点、面参数，便可根据物体的位置与大小，通过作图或运算求出像的位置与大小。（1）焦点和焦面理想光组的焦点有像方焦点与物方焦点之分。像方焦点指与光轴上无穷远的物点共轭的像点，记作F'；物方焦点指与光轴上无穷远的像点共轭的物点，记作F。如图，过像方焦点F'且垂直于光轴的像平面称为像方焦面。像方焦面特性是：自物方无穷远的轴上的点或轴外点发出的平行光束，经理想光学系统后，必会聚于像方焦点F'处或像方焦面上的一点B'。反过来讲，由物方焦点F或物方焦面上一点B发出的光束，经理想光学系统后必定是一束与光轴平行或与光轴有一定倾斜角的平行光束，如图所示。（2）主面与主点图2-4与2-5中的HQ和HQ平面即为主面。主面指的是横向放大率（像高与物高之比）为1的一对共轭面。两图中，物平面HQ为物方主面，像方主面指像平面HQ。物方主点是指主面HQ与光轴的交点H，像方主点是指像方主面HQ与光轴的交点H。由图可知，两个主点H与H和两个主面HQ与HQ均彼此共轭。（3）焦距如图，焦距是指主点到焦点的距离。其中，物方主点H到物方焦点F之间的距离称为物方焦距，记为f；像方主点H到像方焦点F之间的距离称为像方焦距，记为f。焦距f和f‘均为代数量，分别以主点H、H为起点计算到焦点F、F的距离，以光线传播（从左向右）的方向为正，从右向左为负，图中f值为负，f’值为正。。如果用F,F,H和H的相对位置来确定物像变换特性，那么，我们可通过作图与计算的方法，求出像的位置和大小3．理想光学系统的物像关系理想光学系统的物像关系，既可以通过作图法来求解，也可以通过解析法来求解。（1）理想光学系统的作图求像如图2-7所示，此方法简单、直观，而解析分析方法的计算结果较精确。（2）理想光学系统的解析求像解析求像就是对于给定的理想光学系统，依据物点的坐标，通过计算来确定像点的坐标。由于坐标系取法的不同，描写物像对应关系的数学形式也有所不同。物像公式主要有以焦点为坐标原点的物像公式（牛顿公式）和以主点为坐标原点的物像公式（高斯公式）。4．光学系统的放大率由于共轴理想光学系统只是对垂直于光轴的平面所成的像才和物相似，所以绝大多数光学系统都只对垂直于光轴的某一确定的物平面成像。5．光束限制光学系统中限制光束的因素主要有光阑、渐晕、焦深和景深等。（1）光阑光阑由光学零件的镜框或加入专门的带孔金属板等构成，其对称中心一般都在系统的光轴上。在实际光学系统中，只可能在一定空间和一定光束孔径范围内构成满意的物体像。因此，必须在光学系统中采用光阑，以限制成像空间和光束孔径。光阑就是控制光束通过多少的设备。主要用于调节通过的光束的强弱等光阑的作用是改善系统的成像质量，决定通过系统的光能，拦截系统中有害的杂散光等。按用途可分为视场光阑、有效光阑、消杂光光阑等。①视场光阑视场光阑用以限制系统的成像范围。其对前方系统所成的像称入射窗，对后方系统所成的像称出射窗。②有效光阑有效光阑用以限制轴向成像光束孔径的大小，也称孔径光阑。其对前方系统所成的像称入射光瞳，如图2-8所示。轴外物点B和入射光瞳中心Z的连线称主光线。对于目视光学系统，其最大视场的主光线在像方与光轴的交点处，称为眼点。眼点距离是指眼点到目镜最后一个表面的距离。（2）渐晕在光学系统中，当远离光轴的物点成像时，由于光阑的存在，使能够到达像面上的光束逐渐变得窄小起来，结果使离轴的像点逐渐变暗，这个过程叫做渐晕效应。（3）焦深焦深为焦点深度的简称，即在聚焦时，当焦点对准某一物体时，不仅位于该点平面上的各点都可以看清楚，而且在此平面的上下一定厚度内，也能看得清楚，这个清楚部分的厚度就是焦深。（4）景深能同时被眼看清楚的空间深度称为眼的成像空间深度，即是景深在进行拍摄时，调节相机镜头，使距离相机一定距离的景物清晰成像的过程，叫做对焦，那个景物所在的点，称为对焦点，因为“清晰”并不是一种绝对的概念，所以，对焦点前（靠近相机）、后一定距离内的景物的成像都可以是清晰的，这个前后范围的总和，就叫做景深，意思是只要在这个范围之内的景物，都能清楚地拍摄到。景深的大小，首先与镜头焦距有关，焦距长的镜头，景深小，焦距短的镜头景深大。其次，景深与光圈有关，光圈越小（数值越大，例如f16的光圈比f11的光圈小），景深就越大；光圈越大（数值越小，例如f2.8的光圈大于f5.6）景深就越小。其次，前景深小于后后景深，也就是说，精确对焦之后，对焦点前面只有很短一点距离内的景物能清晰成像，而对焦点后面很长一段距离内的景物，都是清晰的。系统成像的清晰与否是主观的相对概念，必须有标准才有意义，这个标准就是像平面上允许的最大光斑。景深范围就是在一定光斑直径下求得的。由此可知，容许的光斑直径的大小与光学系统接收器（人眼、感光乳剂、光电器件等）的分辨率有关，也与对象的清晰度要求有关，清晰度要求低则允许的大，景深就越大。6．分辨率分辨率是光学系统的一个重要性能指标，指光学系统刚好能分辨的两物体之间的最小间隔。（1）理想光学系统的衍射分辨率按照几何光学理想成像的定义，由同一物点发出的光线，通过光学系统以后应全部相交于一点。然而，在实际成像中，通常得到的是一个具有一定面积的光斑。因为光实际上也是一种电磁波，通过光学系统中限制光束口径的孔径光阑的衍射会生成衍射像。根据物理光学中的衍射原理可知，衍射光斑的中心亮斑集中全部能量的80%以上，而第一亮环的最大强度不到中心亮斑最大强度的2%。衍射光斑中各环的能量分布如图2-10中曲线所示。中心亮斑的直径可表示为(2-3)式中，为光的波长；为像空间介质折射率；为像方孔径角。衍射像有一定的大小，把两个衍射像间所能分辨的最小间隔称为理想光学系统的分辨率。实验证明，两个像点间能够分辨的最短距离约等于中央亮斑的半径R，max1.222sinRnU7．变焦距物镜系统对同一摄像系统而言，有时要求拥有长焦距物镜，用来分辨远距离的小目标，有时又要求配备短焦距，以便在一个较大的视场中摄取一个较大空间的像。变焦距物镜系统当摄像物镜系统的焦距及视场在一定范围内改变时，其在CCD靶面上的像面位置保持稳定。变焦距物镜系统包括变焦距摄像物镜和一个可变的光圈。对变焦距物镜的性能要求是：①变倍比；②焦距小视场；③短焦距大视场；④电动变焦。对其结构的要求是：体积要小；重量要轻。对其成像质量的要求是：各种焦距均满足图像质量及像面恒定，使像面在变焦过程中始终在CCD传感器的靶面上。现在的变焦距物镜均采取改变透镜组间隔来改变整个物镜的焦距的方式。移动透镜组改变焦距时，总伴随着像面的移动。因此，要对像面的移动给以补偿。按补偿组的性质，有光学补偿和机械补偿两种。无论哪种补偿方式，变焦距系统一般都有前固定组（可调焦组）、变焦组和后固定组3个部分。2.2镜头的参数镜头是视频监控系统前端设备中的重要部件之一，又称摄像镜头。一般视频监控系统使用的摄像机不配镜头，可按用户需要，选择与摄像机相匹配的镜头，两者配合使用。镜头的参数主要包括成像尺寸、焦距、相对孔径、视场角等，一般在镜头所附的说明书中都有注明。2.2.1成像尺寸以12.7（1/2in）镜头配12.7（1/2in）靶面的摄像机为例，当镜头的成像尺寸比摄像机靶面的尺寸大时，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；而当镜头的成像尺寸比摄像机靶面的尺寸小时，画面的四个角上将出现如图2-13所示的黑角，原因是成像的画面四周被镜筒遮挡。2．靶面尺寸规格靶面尺寸规格见表2-1，常见CCD芯片的靶面尺寸有6.35mm（1/4in）,8.47mm（1/3in）,12.7mm（1/2in）,16.9mm（2/3in）,25.4mm（1in）等几种，它们分别对应着不同的成像尺寸，实际选用时，应该尽量使镜头的成像尺寸与摄像机靶面尺寸的大小相适宜。2.2.2焦距1．镜头的焦距在实际应用中，镜头的焦距为构成镜头的组合光组的焦距，其符号为f，决定摄取图大小。2．应用镜头的焦距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，反之亦然。正确选择镜头的焦距，可解决摄像机能看清多么远的物体与看清多么宽的场景的问题。2.2.3相对孔径1．相对孔径光学镜头的重要参数之一，用镜头的有效孔径和焦距之比表示。相对孔径是个比值。相对孔径的大小表示镜头纳光的多少。相对孔径的倒数称光孔号码或光圈系数。最大的相对孔径刻在镜头上。1：2.8比1：4要好些。F为光阑F数，在镜头的可调光圈上标注有1.4,2,2.8,4,5.6,8,11,16,22等序列值，相邻的两个数值中，后一个数值是前一个数值的根号2倍。2．应用相对孔径一般镜头所标的F值均指该镜头的最小光阑数，表示此镜头的最大通光特性。因此，F值越小，说明该镜头的最大通光性越好。2.2.4视场角1．视场角的含义视场角指镜头对其确定视野的高度和宽度的张角，符号为，又分为水平视场角h和垂直视场角v。2．应用视场角视场角与焦距f呈反比，与摄像机靶面的水平和垂直尺寸呈正比。若镜头视场角过小，会造成监控死角；过大又会使被监控物尺寸太小。所以在实际应用时，需要按照具体的应用环境选择视场角合适的镜头，以避免上述问题的产生。在光学仪器中，以光学仪器的镜头为顶点，以被测目标的物象可通过镜头的最大范围的两条边缘构成的夹角，称为视场角。视