CCD基本常识和摄像机方案

CCD基本知识和摄像机方案我国安防行业是随着社会主义市场经济的发展而逐步成长起来的，改革开放以来，在国民经济迅速发展，人民生活水平日益提高的推动下，安防行业呈现了一个蓬勃发展的势头。总结回顾我国安全技术防范行业（简称安防行业）的发展历程，将其分为三个阶段：1979-1983年为起步阶段；1984-1996年为发展阶段；1997年后为提高阶段，即探索安全技术防范的发展规律和方向的阶段。近两年来，安防行业又有了进一步的发展。积极探讨安防行业的发展问题，对于维护社会治安稳定，促进经济的繁荣，保障人民生活的幸福，具有非常重要而深远的意义。目前安防行业的应用已由重要单位、要害部门的防范发展到商业、学校、社区、家庭等社会面的全面防范。从事安防工作的人员（包括技术人员，营销人员和与安防有关的人员）不但要了解我国安防行业的发展历程，安防行业的应用范围，还要了解安防行业的发展现状，能够对未来和可持续发展有个预测。就目前的安防行业来看，燃眉之急还是技术水平普及，在研发人员技术水平提高的同时，不能忽略了对其他人员的技术知识的普及，只有彼此都提高，互相促进，这样才能较好地推动整个安防行业的发展。本文主要是对一般技术、营销人员，关于摄像机内部结构和功能的知识普及。一、摄像机方案首先我们来了解摄像机方案，摄像机方案简单说就是指DSP和CCD的搭配（根据DSP的型号和高解或低解的CCD搭配）。1、摄像机的结构图中的每个部分就是一个零器件，组合起来就是一个整体，一个可用的“机器”，也就是一个“方案”。下面解析各个部分的功能：CCD：CCD(ChargeCoupledDevices)电荷耦合器件。CCD就相当与人的眼睛，它的主要工作就是把光影像转成电子信号。CCD上有感光点，每一点就像一颗太阳能电池，被光照到后会产生电能，依照光的照度不同，会产生不同的电能。V-Driver：CCD里头每一点被光照到产生电能,那如何取出来?就是靠这颗V-DRIVER,它会产生不同的脉波,把CCD每点的讯号“打”出来。我们通常说是CCD的驱动。CDS/AGC：CCD出来的讯号,在这颗晶片内做处理后，送进DSP（数字信号处理器）。DSP：DSP是DigitalSignalProcessor的缩写，也就是数字信号处理器，主要针对算法运算而产生的一种MCU，不只是在摄像机设计中用到DSP，现在好多行业都用到DSP，特别是在算法方面，DSP的应用是相当广的，是比较流行的MCU。从DS/AGC出来的模拟信号传送到DSP进行处理，顺便说一下，DSP是数字信号处理器，怎么能处理模拟信号呢？因为DSP内部有一个A/DConverter（模数转换器）把模拟转换成数字后再进行运算，在摄像机中主要是进行颜色，亮度，白平衡等运算。运算后又把信号转换成模拟信号输出，也就是视频输出了。T.G：控制整个处理过程快慢用的，一般都包含在DSP里的，就不多说了。以上部分再加上镜头，就是整个摄像机了。2、主流方案了解了摄像机结构后，现在来讲摄像机的方案，方案主要是针对DSP来说的，把DSP和CCD搭配起来就是我们所说的方案了，目前摄像机市场上应用比较多，占主流地位的是SONY和SHARP生产的DSP。SONY主要有以下几种方案：（1）SS-1；CXD2163BRSONY公司推出这颗DSP之前已推出了CXD2163，当初把CXD2163这个方案叫做SS-1，用CXD2163做出来的机子一直有问题，所以不久就推出CXD2163BR，用来代替CXD2163，方案人们也一直叫做SS-1。SS-1可接高解CCD（ICX408AK/超低照度ICX258AK（NTSC）和ICX409AK/超低照度ICX259AK（PAL）），还可以接低解CCD（ICX404AK（NTSC）和ICX405AK（PAL））（注意：以上CCD尺寸是1/3，还有好多型号的CCD没有列出，可参考有关方面的书籍）这颗DSP能够做到电源同步（电源同步——也称之为线性锁定或行锁定，是利用摄像机的交流电源来完成垂直推动同步，即摄像机和电源零线同步）。所以现在好多厂家都在用来做高解的机子。（2）SS-11；CXD3141或CXD3142这颗DSP是1999年推出的，这款DSP只能接低解的CCD，3142比3141多了镜像功能，如果SS-11也做到电源同步，就会产生很大的噪讯。所以目前还没做成电源同步，SONY目前420线的机子几乎就是这个方案。（3）SS-HQ1；CXD3172AR这颗DSP是SONY2004年推出的，就是520线机子用的DSP，3172目前的技术还不是特别成熟，存在许多问题，其中发热太大，发热量比其他DSP大好多，致使一些工程师并不喜欢用。SS-HQ1能接高低解的CCD，而且电源也能做到同步，总体上还是比SS-1好，就是发热问题还没解决。（4）SS-11X；CXD4103R这颗DSP是2005年推出的，是SONY目前最新的DSP，它解决了SS-HQ1的发热问题，但是电源同步时噪讯大。可接高低解的CCD。（5）SHARP38603ASHARP公司目前有D4（38603A），D5也马上出来了（38627）接SHARP低解CCD，被业内人士作为低档机使用，最近又出了D5（38627）。听说效果可以跟SONY蓖美，除了SONY，SHARP外，还有松下，韩国的NEXTCHIP，台湾的A-NOVAADPXXXX等。其中韩国NEXTCHIP公司推出的DSP，主要接SHARP低解或SONY低解CCD。二．CCD信号处理和辨别方法。介绍CCD信号处理和怎么去辨别CCD之前，我们简单介绍CCD，CCD(ChargeCoupledDevices)电荷耦合器件。CCD是20世纪70年代初发展起来的新型半导体集成光电器件。由于CCD器件具有诸多优点：灵敏度高、光谱响应宽、动态范围大、空间自扫描，抗震动、抗磁场、体积小、无残影等，CCD能够将光线变为电荷并可将电荷储存及转移，也可将储存之电荷取出使电压发生变化，因此是理想的摄像元件,是代替摄像管传感器的新型器件。近30年来，CCD从当时的20万像素发展到目前的500—800万像素，CCD器件及其应用技术的研究取得了惊人的进展,特别是近几年来，在消费领域,图像传感和非接触测量领域中的应用发展速度更快。目前，CCD应用技术已成为集光学、电子学、精密机械及微计算机为一体的综合性技术，在现代光子学、光电检测技术和现代测量技术中成果累累。随着CCD技术的迅猛发展，针对CCD信号的采集及采集之后的信号如何与计算机进行信息通信就成为CCD应用的一个重要问题，而能够针对CCD每一个像素进行高速采集并实时地传输给计算机处理，将会大大的提高采集到的CCD信号的精度并解决实时处理的问题，这在CCD信号采集和处理领域都将有非常广阔的前景。目前我们就用DSP作为MCU对CCD的信号进行采集和处理。DSP内置高速的AD转换器，用于采集CCD的信号，DSP有先进先出的存储器（FIFO）作为数据高速缓冲区，用于存储AD转换后的数据，把采集的数据进行运算(这里主要是颜色,亮度,白平衡)，运算后把信号转换成模拟再输出,其中摄物体的图像经过镜头聚焦至CCD芯片上，CCD根据光的强弱积累相应比例的电荷,经周期性放电，产生表示一幅幅画面的电信号,各个像素积累的电荷在视频时序的控制下，逐点外移，经滤波、放大处理后，形成视频信号输出。视频信号连接到监视器或电视机的视频输入端便可以看到与原始图像相同的视频图像。这个标准的视频信号同家用的录像机、VCD机、家用摄像机的视频输出是一样的，所以也可以录像或接到电视机上观看。另外CCD部分需要个驱动,为CCD工作提供“能量”,视频信号要经过放大再输出,经过DSP的软件和硬件相结合对整个系统控制。在CCD的广阔发展前景下，市场上就难免出现“假货”，把SHARP的说成是SONY的，或把松下的说成是SONY的，这样不但价格上受骗，效果上也就成了SHARP的或松下的了，这里介绍个简单好用的方法去辨别SONY和SHARP的CCD，价格上当然是SONY贵好多，毕竟SONY的CCD是目前摄像效果最好的，我们看CCD的外表就可以辨别出是那家生产的，如图：注意看两个CCD的表面，上下两排金属的接点，其中一个中间少了两个门牙（左边），另外一个没缺（右边），缺门牙是SONY的特征（其中少两个门牙的是1/3SONY，少一个门牙的是1/4SONY），没缺门牙的是SHARP的CCD。另外，松下的也没有缺门牙，只是金属线条比SHARP粗，在SONY和SHARP摄像机的大潮下，认准了CCD的外型就不会把两种机子混淆。三．红外线和CCD上面已简单介绍了CCD的一些知识，现在来说说CCD和红外线。CCD为什么能看到红外线？回答就是CCD本来就可以看到红外线，它本来就对红外光有感应，可以拿个黑白摄像机，关掉电灯，拿红外灯一照，影像就会出来，那么彩色的CCD能否看到红外线呢？答案是肯定的，彩色也可以看到红外线，就是感应到了红外，会对DSP处理信号时有干扰，导致图像显示不正常（偏色），因此要想办法让彩色的CCD不接受红外线，所以就在CCD上加了滤光片。滤光片的穿透一般是380nm~645nm，刚好是可见光的范围，波长在这个范围外的光就不能穿透，只有可见光能进来。大于650nm就进入红外光范围了，小于380nm就是紫外光的范围了，这样滤光片就使CCD感觉到红外光大大减少，这样彩色CCD就感应不到红外光，DSP不会被干扰，图像显示就不会“偏色”。黑白的为什么就没加滤光片呢？图像显示不会干扰吗？原因很简单，黑白本来就没有颜色，没必要加滤光片，DSP也不会遭到干扰。日夜型红外彩色摄像机就是这个原理，白天有光线时就用彩色的，晚上没有光线时就把CCD上头的滤光片“拿掉”，再加上红外灯。现在有普通型和感红外的滤光片，用普通型的滤光片盖住CCD的情况下在晚上是看不到图像的，感红外的滤光片可以感应一定范围的红外光，在晚上就可以看到图像，当然在晚上效果不比黑白机的效果好，毕竟滤光片滤去了部分红外光。目前日夜型的摄像机用感红外的滤光片，使白天是彩色的，晚上也能看到图像。另外，由于使用了可以感应一定范围红外光的滤光片，白天的图像就一定会有些偏色。四．温度对CCD的影响摄像机工作时，都会产生温度，当温度过高时，就会影响到CCD，画面开始就发白了，看起来白蒙蒙这是因为CCD过热,暗电流增加,白底上浮的原因。温度再高，CCD就会烧坏。应该做好温度控制工作，在有LED灯板时，最好用恒流设计，控制好LED的电流，既能延长LED的寿命，又能控制好温度。由于LED是正温度系数,也就是温度越高电流越大,电流越大温度就越高。当然功率大的LED能打的距离就远，但电流也会变大，相应的温度会升高，所以在设计完整的机子时要充分考虑相互之间的关系。五．CCD的尺寸CCD的尺寸也即摄像机靶面。目前采用的芯片大多数为1/3”和1/4”。在对摄像角度有比较严格要求的时候，CCD靶面的大小，CCD与镜头的配合情况将直接影响视场角的大小和图像的清晰度。在相同的光学镜头下，成像尺寸越大，视场角越大。1英寸——尺寸为宽12.7mm*高9.6mm，对角线16mm。2/3英寸——尺寸为宽8.8mm*高6.6mm，对角线11mm。1/2英寸——尺寸为宽6.4mm*高4.8mm，对角线8mm。1/3英寸——尺寸为宽4.8mm*高3.6mm，对角线6mm。1/4英寸——尺寸为宽3.2mm*高2.4mm，对角线4mm。六、水平分辨率分辨率是用电视线（简称TVLines）来表示的。彩色摄像机的典型分辨率是在320到520电视线之间，主要有330线、380线、420线、480线、520线等不同档次。分辨率与CCD和镜头有关，还与摄像头电路通道的频带宽度直接相关，通常规律是1MHz的频带宽度相当于清晰度为80线。频带越宽，图像越清晰，线数值相对越大。七．扫描制式根据各国供电所采用的频率不同，有PAL制和NTSC制之分。欧洲和我国都采用PAL制，日本等国采用NTSC制式。50hz：PAL制，隔行扫描（PAL）制式（黑白为CCIR），标准为6