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监控摄像头-监控设备使用及维修
在闭路电视监控系统中，监控摄像头是获取监视现场图像的最基本前端设备，因而如何
在一个实际的电视监控系统中正确地选择、使用监控摄像头，以及如何正确地设置、调整摄
像机的基本参数，对整个系统来说是十分重要的，而了解监控摄像头的原理又是选择、使用、
设置、调整与维修监控摄像头的前提。特别是，如果系统中的监控摄像头出现故障，监视现场的图像便不能正确地获取及传输，那么如果能够在现场对监控摄像头进行必要的检测、判断故
障的原因，并进行某种应急处理，其重要性则是不言而喻的了。
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2．1图像传感器
图像传感器是监控摄像头的核心部件，无论是传统监控摄像头还是网络监控摄像头，都需要在摄
像机光学镜头后的成像面位置放置图像传感器，使监视现场的景物能够在图像传感器的
靶面上成像，并从传感器输出反映监视现场图像内容的实时电信号，这个电信号经摄像
机内部其他部分电路的处理后，才可形成可在监视器上显示或被录像机记录的视频信号。
电视监控系统中的主流监控摄像头均是采用CCD图像传感器。它具有分辨率高、灵敏度
高、信噪比高、动态范围宽等诸多优点，但由于生产工艺要求高，因此成本也高。近年
来，CMOS图像传感器的主要技术指标已经接近甚至超过CCD图像传感器，而其体积小、
集成度高、功耗低等诸多优点则是ccD图像传感器所无法比拟的，鉴于CMOS图像传感
器的高端应用已经开始用于广播电视领域的高清晰度(HDV)监控摄像头以及民用摄录一体
机，因而不难预测，基于CMOS图像传感器的监控监控摄像头将很快进入电视监控市场。
2．1-1 CCD图像传感器
CCD((~'harge(~oupled【)evice)称为电荷耦合器件，从结构上看，它是由一行行紧密
排列在硅衬底上的MOS电容器构成。这些MOS电容器分单元(分组)排列，每个单元
通常由4～8个MOS电容器组成，并引出各自的电极连接到不同的时钟线上，从而构成
了CC[)的主体；再加上输入二极管、输人栅、输出栅和输出二极管，就组成了电荷的输
入输出机构。为了增加电荷浓度，通常还要在CCD有源区的周围注人过量的三价或五价
元素。因此，当有光照射到CCD单元阵列(呈线阵或面阵排列)时，阵列中的各MOS
单元就会产生大量的电子-空穴对，并分列于各MOS电容器的等效极板上。这些根据光
照强度变化而成比例地产生的电荷会在时钟脉冲驱动下逐级耦合(即电荷在各MOS电容
器之间进行转移)，并从单元上的输出二极管输出，形成反映光照强度的电信号。
线阵排列的CCD图像传感器通常用于扫描仪和传真机等慢扫描设备上，它会在机械
扫描(线阵CCD图像传感器与平面图像作横向相对运动)的过程中，一行一行地对平面
图像的每一个微小的矩形区域(即像素)进行感光，从面将不同小矩形区域的平均灰度
转换为与该区域灰度值成比例的电信号，以一定格式存储并编码输出。 面阵排列的CCl-)图像传感器则用于摄像器件上。它实际
上是把通过光学镜头形成在CCI)靶面上的光像(表现为光照
强度随空间分布的变化，也即(2CD靶面上每一个像素点的亮
度并不完全一样)转换成随时间变化的电信号(以时间轴为
基准，cCD图像传感器在不同时刻输出的电压值是不同的)。
这个电信号在监控摄像头内经进一步的整形处理后(例如，对其
幅度进行规范并添加上行、场同步以及行、场消隐等信息，对
彩色监控摄像头还需要添加色同步信息)，即形成了可供监视器接
收并显示图像的视频信号。图2—1示出了面阵CCD图像传感
器的外观，其中心部分即是CCD的感光靶面。
2．1．2 CCD图像传感器的特性
图2一l 面阵(]CD图像
传感器的外观
在闭路电视监控系统的设计与施工中，根据监视现场的实
际情况来正确选配并调整监控摄像头是非常重要的一环，而ccD图像传感器又是监控摄像头的核
心，因此只有充分了解CCD图像传感器的特性，才能够针对监视现场的具体情况及用户
实际需求正确地配置性价比合适的监控摄像头，并通过精心调整而使监控摄像头工作于最佳状态。
CCD图像传感器的特性一般包括光谱特性、分辨率、暗电流、灵敏度和动态范围等。
1．光谱特性
光谱特性是图像传感器的最重要特性之一。图2—2给出了两种不同结构的ccD图像
传感器的光谱特性。由图可见，
ccD图像传感器的感光光谱范围
覆盖了可见光区域和红外光区域。
因此，它除了能够对可见光成像
外，还可以对红外光成像。这就
是说，即使在夜间无可见光照明
的情况下，用辅助红外光源照明，
也可使ccD图像传感器清晰地成
像。特别是，对于高灵敏度的黑
白CCD监控摄像头来说，由于人体自
身会向外辐射微弱的红外光(因
为人体是有温度的)，因而不需要
魁
《
嗽
靛
罂
波长／”
图2-2 CCD图像传感器的光谱特性
辅助红外光源照明，CC[)图像传感器也可以对人体发出的红外光感光，这也是某些所谓
“人体透视”监控摄像头的成像原理，即用滤光片将可见光部分滤除，而仅使人体发出的红外
光透过镜头并成像。
2．分辨率
分辨率也是CCD图像传感器的最重要特性之一，一般用器件的调制转移函数
(MTF’)表示，而MTF与成像在CCD图像传感器上的光像的空间频率(线对／mm)有
关。这里，线对是指两个相邻的光强度最大值之间的间隔，它与后面将要介绍的CCD摄
像机的分辨率定义是不一样的。3．暗电流
图像传感器的暗电流起因于半导体器件因热激发产生的电子-空穴对。光信号电荷的
积累时间越长，其影响越大。CcD本身的缺陷是暗电流产生的主要原因，而且这种器件
本身的缺陷还使得暗电流的产生也不均匀，表现为在CCD处于非光照环境下也会产生固
定的图形(由于CCD靶面上没有光像，理论上是不应该有图形的)。暗电流的大小与温
度的关系极为密切，温度每降低10~C，暗电流约减小一半。
4．灵敏度
ccD的灵敏度一般用最低照度来表示，灵敏度高，则意味着使CCD感光成像所需的
照度就低，也说是说“有点儿光就能成像”。
照度是反映光照强度的一种单位，其物理意义是照射到单位面积上的光通量。照度
的单位是每平方米的流明(1m)数，也叫做勒克斯(1x)
1 lx：1 1m／m。
上式中，lm是光通量的单位，其定义是纯铂在熔化温度(约1770~C)时，其l／60cm。的
表面面积于l球面度的立体角内所辐射的光量。
为对照度的量值有一个感性的认识，下面举一个例子进行计算。一只100W的白炽
灯泡，发出的总光通量约为1200 lm，若假定该光通量均匀地分布在一个半球面上，则距
该光源lm处和5m处的光照度值可分别按下列步骤求得
半径为1m的半球面积为
2,rr×1。=6．28 m。
距光源1m处的光照度值为
1200 lnl／／6．28m。=191 lx
同理，半径为5m的半球面积为
2盯×5。：157 m。
距光源5m处的光照度值为
1200 lrn／157m。：7．64 lx
可见，从点光源发出的光照度是遵守二次方反比律的。由此不难推论：对于白天室
外或大多数室内监视的场合，由于整个监视视场的光照度比较均匀，对监视效果不会有
任何影响；而一旦夜间以灯光照明，那么光源与被监视场景的距离就显得十分重要了，
距离稍远一些，被监视场景的光照度就会以二次方反比规律明显下降，以至于不能使
(]CI)图像传感器正常感光而影响监视效果。需要说明的是，装饰射灯内部有反射面，聚
光灯内部有会聚性更强的抛物反射面，因而它们在主照射方向上的光强度远比同功率的
泛光灯强，但在非照射方向的光强度则很弱。
5．动态范围
ccD图像传感器的动态范围是指传感器把最小光量到最大光量产生的信号电荷成比
例地收集到势阱内的能力，这里所说的势阱可近似理解为前述MOS电容器的下极板，它
具有存储并转移电荷的能力。因此，若CCD图像传感器的动态范围宽，即是要求该传感
器既可以在低照度时有效地收集信号电荷，又可以保证在高照度时收集的大量信号电荷
不溢出。因此，CCD图像传感器的动态范围取决于势阱能收集的最大电荷量与由噪声确
定的最小电荷量之差，并通常用其对数来衡量。例如，日本松下公司在其CCD监控摄像头中应用的第二代超动态技术(super‘Dynamic：II)可使该监控摄像头的动态范围扩展80倍(相当
于38dB)，而日本欧姆龙公司生产的一款CMOS监控摄像头的动态范围则高达160dB。
6．噪声
(：CD图像传感器的噪声源主要包括：电荷注人器件时产生的噪声、电荷转移时因电
荷量波动产生的噪声、电荷读出时的噪声等，另外还有光子噪声、胖零(fat zero)噪声、
陷阱噪声、输出噪声和暗电流噪声等。其中，因为光子过程是随机过程，所以势阱里收
集的光信号电荷也是随机过程，因而是一种噪声源。它与CCD图像传感器无关，而是由
光子性质决定的，因此这是摄像器件工作原理上的限制。这种噪声在低照度摄像时更成
问题。输出噪声则是起因于输出电路转移过程中的一种热噪声。而暗电流噪声则与光子
发射一样，是一种因随机过程而引起的噪声。在每个CCD单元中，若暗电流不同，会产
生某种特定图形式噪声。另外，当器件的单元尺寸不同、间隔不同，也能产生噪声。该
噪声可通过改进光刻技术予以减少。
需要说明的是，在当今的数字电视监控系统中，无论是基于网络的数字视频传输还
是数字硬盘录像，大都采用了M．JPEG、M．．JPEG2000、H．263、H_264、MPEG．1、MPEG．
2或。MPEG一4等数字视频压缩处理技术，它们都是基于图像信号的相关(冗余)性质进
行压缩的。因此，如果CCD图像传感器的噪声太大，输出图像中与内容无关的噪声高频
成分就比较多，这使得图像的空间相关性变小，因而压缩后的数字视频码率就比较高，
就需要较宽的传输带宽或较高的存储容量，因此在数字电视监控系统中应尽量使用低噪
声(信噪比高)的CCD监控摄像头。
2．1-3低照度CCD图像传感器
通常的摄像器件都要求在光量Q很宽的范围内具有摄像能力，表2—1列出了各种光
源的参考亮度。在实用中，CCD也能用作低照度时的图像传感器，在室温下，用满月的
亮度摄像最方便；在低温下，用星光的亮度也能摄像。图2—3示出了CCD图像加强器的
结构，采用这种结构，在不冷却CCD的情况下就能实现低照度图像传感器。其原理是先
把入射光成像在光阴极上，再从光阴极上发射光电子，并用几千伏的电压加速光电子，
使之在CCD的背面聚焦。通过这种方法，灵敏度能提高几千倍。如用10kV的加速电压，
光图像
图2-3 CCD图像加强器
背面照射CCD
10┏━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┳━┳━━━┳━┓
┃ 能获得2300倍的增稀。 ┃ ┃ ┃ ┃
┃ -|uW……一●H…日一u ┃ ┃ ┃ ┃
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┃ ┃ 表2一l各种光源的蒉 ┃5度 ┃ ┃ ┃ ┃
┃ 光源 ┃ 照度／(1m／m。) ┃ 辐射照度／(w／m。) ┃ ┃ ┃ ┃
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┃ 直射太阳光 ┃ 105 ┃ 5×103 ┃ ┃ ┃ ┃
┃ ┃ ┃ ┣━╋━━━╋━┫
┃ 阴天 ┃ 103 ┃ 50 ┃ ┃ ┃ ┃
┃ ┃ ┃ ┣━╋━━━╋━┫
┃ 傍晚 ┃ 10 ┃ 5×10一‘ ┃ ┃ ┃ ┃
┃ ┃ ┃ ┣━╋━━━╋━┫
┃ 月亮光 ┃ lO—I ┃ 5×10一3 ┃ ┃ ┃ ┃
┃ 星光 ┃ lO一3 ┃ 5×10一5 ┃ ┃ ┃ ┃
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┃ 2．1．4 CMoS图像传感器 ┃ ┃ ┃ ┃
┃ ┣━╋━━━╋━┫
┃ CMOS(Complementary Metal—Oxide-Semiconduetor，互补型金属氧化物半导体)集成 ┃ ┃ ┃ ┃
┃ 电路的输出结构由一个N型MOSFEF(：MOS场效应晶体管)和 个P型MOSFE~[’串联而 ┃ ┃ ┃ ┃
┃ 成。因为N型MOSF'E3’和P型MO钳'El、是相互补偿的，所以这种半导体被称为互补型 ┃ ┃ ┃ ┃
┃ ┣━╋━━━╋━┫
┃ ┃ ┃ ┃ ┃
┃ ┣━╋━━━╋━┫
┃ MOS——CMOS。 ┃ ┃暖嗣 ┃ ┃
┃ ┣━╋━━━╋━┫
┃ 与CCD图像传感器相比，CMOS图像传感器在分辨率、光照灵敏度和信噪比等方面。 ┃ ┃一】 ┃ ┃
┃ 均处于劣势，但近些年来有了显著的改善，而其在成本、集成度和功耗等方面的优势则 ┃ ┃ ┃ ┃
┃ ┣━╋━━━╋━┫
┃ ┃ ┃ ┃ ┃
┃ ┣━╋━━━╋━┫
┃ ┃ ┃■=- ┃ ┃
┃ 比ccD图像传感器更胜一筹，因为它可以方便地将A／D转换和DsP(数字信号处理) ┃ ┃ ┃ ┃
┃ ┣━╋━━━╋━┫
┃ 等多个功能模块集成于传感器自身的单个芯片中。 ┃ ┃ ┃ ┃
┃ 1-CMoS图像传感器整体结构 ┃ ┃鞫 ┃ ┃
┃ ┣━╋━━━╋━┫
┃ 图24为cMOs图像传感器的简略结构，其各个像素的读取分别受水平及垂直移位 ┃ ┃磁 ┃ ┃
┃ ┣━┻━━━╋━┫
┃ 寄存器控制，另外，在图24所示的CMOS图像传感器基板上还增加了相关双取样(cor． ┃l ┃ ┃
┃ ，^1．·^，|n…k1^￡…1：一H r、T、C、-●生字+h：l-n-^芒}／黼j出慷 ，^一．1．～ ┃ ┃ ┃
┃ ┣━━━━━╋━┫
┃ ┃ ┃ ┃
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┃ Digits_l converter，ADC)模块，使得整个传感器的功能更加 ┃垂 ┃ ┃[ ┃骝：：：； ┃j ┃ ┃ ┃ ┃
┃ ┃直 ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃
┃ 完全，且结构更加紧凑，这一点是CCD传感器所无法比拟 ┃移 ┃ ┃[ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃
┃ ┃位 ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃
┃ 的。 ┃寄 ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃
┃ ┃ ┃ ┣━┻━━━━━━┻━━━━━━┫ ┃ ┃ ┃
┃ ┃存 ┃ ┃亡)_{±】_-[]—亡]_一一一匕] ┃ ┃ ┃ ┃
┃ 图24中的CDS模块丰要用干消除因像素自身原丙产毕 ┃器 ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃
┣━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┻━━┻━┻━━━━━━━━━━━━━━━┻━╋━━━━━╋━┫
┃ 的曝占 Anr馗七扛的侄田呵“皂输m后R吐L幺傍壶内交酌黼宝JJ_^l 羔 ┃ ┃ ┃
┣━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┳━━┳━━━━━━━━━━━━━━━━━┳━┫ ┃ ┃
┃ u一‘不瓜， 川u’伏，人H了l r，lJ一．J肛佣q L工J从呱1=r卧水r】1=r口J姒丁 ┃ ┃—诩 cDs ┃ ┃ ┃ ┃
┃ 信号，它既可有效防止模拟杂波信号的干扰，又便于在其后 ┃时 ┃ <乡 ┃ ┃ ┃ ┃
┃ ┃ ┃ ┣━╋━━━━━╋━┫
┃ ┃序 ┃刮 AD(： ┃ ┃ ┃ ┃
┃ 接数字信号处理器(DsP)芯片。 ┃控 ┃ ┃ ┃ ┃ ┃
┃ ┃ ┃ ┣━╋━━━━━╋━┫
┃ ┃制 ┃ {乡 ┃ ┃ ┃ ┃
┃ 在实际电路中，ADC既可以是单一结构的，也可以是 ┃ ┃=割 水平移位寄存器 ┃ ┃ ┃ ┃
┃ —9厶口牡士h^h ，扁I由n ¨r旨工佰 百II朋5鼻j埘^n 厶口 ^n，、、 、鬲 ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃
┣━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┻━━┻━━━━━━━━━━━━━━━━━┻━┫ ┃ ┃
┃ 夕组绢俐H’J L∥U义U，刖世丁撙一岁U’琢糸确p月U—z且Au乙J o 1岜 ┃ ┃ ┃
┃ 常单一ADC结构受其频宽(转换速率)的限制，不适合高 图2_4 CMOS图傺传感器 ┃ ┃ ┃
┃ ┣━━━━━╋━┫
┃ ┃ ┃ ┃
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┃ ┃ ┃ ┃
┃ ┣━━━━━╋━┫
┃ 分辨率图像传感器，而多组ADC结构则会因各个ADC产生 的简略结构 ┃ ┃ ┃
┃ ┣━━━━━╋━┫
┃ ┃ ┃ ┃
┃ ┣━━━━━╋━┫
┃ 的杂波电平不同而在图像画面上形成固定的竖条状干扰噪声(I~ixed Pattern Noise)。当 ┃ ┃ ┃
┃ ┃ ┃ ┃
┃ 然，这种干扰也可以由第二个类似CDS的电路以模拟或数字方式加以拟制。 ┃ ┃ ┃
┃