夜间视频监控技术手册

夜间视频监控技术手册前言随着我国智能建筑行业的发展,安保技术在智能建筑中的地位与作用也与日俱增。闭路监控电视(简称CCTV)系统作为一种安保技术,在星级宾馆、涉外办公楼、银行、政府机关等场所越来越发挥着它的重要作用,包括现在的智能小区亦将CCTV系统作为安保及物业管理的一个重要手段。夜间视频监控是闭路电视监控非常重要一环,夜间闭路电视监控质量,已经成为衡量一个视频监控工程是否合格的重要指标。只有掌握夜间监控技术,选择使用恰当的器材,才能保障夜间视频监控的效果。第一部分名词解释CCD是受光元件(像素)的集合体,接收透过镜头的光并将其转换为电信号。单个象素的面积越大,成像的效果就会越好,因此在总的像素数相同的情况下,CCD尺寸越大、那么单个像素的面积就越大,就可以收集更多的光线。理论上可以说CCD越大有利于提高画质。镜头(Lens):由一片或多片弧面(通常为球面)光学玻璃组成的透明光学部件。它可以用来聚集或分散被摄物发出的光,从而生成被摄物的实像或虚像。流明(Lumen / Im):光通量的单位。相当于一烛光的均匀点辐射源穿过一个立体角(球面)的通量,也相当于一烛光的均匀点辐射源等距的所有点所在的表面上的光通量。照度(Luminance):从同一方向看,在给定方向上的任何表面的每单位投影面积上的光照强度(光度)。单位为英尺朗伯。亮度信号(Luminance signal):NTSC彩色电视信号中涉及场景照度或亮度的那部分信号。光通量(Luminous flux):光通过的时率。勒克斯(Lux):国际单位制中的照明单位,其中涉及到的长度单位为米。1勒克斯等于每平方米1流明。放大倍数(Magnification):表示被摄物与图像之间的尺寸差异的数字。通常以焦距为1英寸镜头和靶面尺寸为1英寸的传感器为基准(放大倍数=M=1)。焦距为2英寸的镜头的放大倍数为M=2动态范围(Dynamic range ):在电视系统中,指摄像机的实用照度范围。在这种情况下,被摄视场中同时存在强光区和阴影区,而所有细节均可看清。数量上一般以允许的最大照度水平与最小照度水平的电压差或功率差来衡量。光圈值/ F值(f-number):镜头的透光能力。F值是物镜焦距(EFL)与入射光瞳周长(D)的比值,即F=EFL/ D。F值与焦距成正比,与透镜周长成反比。F值越小,透镜的透光性能越好。焦距(EFL):透镜中心或其第二主平面到图像聚焦点处的距离。EFL的单位一般为毫米或英寸。红外辐射(Infrared radiation):波长大于750纳米(可见光谱红色的一端)、小于微波波长不可见光。对焦:调节镜头,使距离摄象机一定距离的景物清晰成像的过程。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(靠近摄象机)、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 )景深就越大。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。红眼:由于被摄者眼底血管的反光,使人的眼睛中有一个红点的现象。白平衡由于不同的光照条件的光谱特性不同,摄象机得到出的图象常常会偏色,例如,在日光灯下会偏蓝、在白炽灯下会偏黄等。为了消除或减轻这种色偏,摄象机可根据不同的光线条件调节色彩设置,以使图象颜色尽量不失真,使颜色还原正常。因为这种调节常常以白色为基准,故称白平衡。第二部分摄像机的分类及选择目前的摄像机都不可能在无可见光的情况下,拍摄到有价值的图像。当夜间监控主要依赖于红外灯的使用,由于红外灯的波长为850nm和940nm,如何选配摄像机,则显得尤为重要。一般而言,当某个监控点的监控距离确定后,首先应考虑它对应的红外灯距离,然后再考虑摄像机机型及相应的镜头。黑白摄像机它的CCD波长一般在750-930nm之间,与红外灯850nm的波长基本吻合。红外灯工作时能量基本被CCD感应接受。千分之几的照度便能成像。线数越高,照度越低,效果越佳。一般情况下,现场实际效果与红外灯型号标称基本吻合。彩色摄像机彩色低照度摄像机、彩色转黑枪机,一体机,配置红外灯时,要考虑它们的CCD是否带红外感应功能。彩色CCD波长在400nm左右,有的摄像机,虽然照度很低,但它也不能感应红外。即使是彩转黑机型,差异也很大,原因还是出在CCD的波长上。由于虽然晚上零照度成黑白状态,机型本身只是进行了模块转换,400nm左右的波长并没有改变,CCD只能接受部分红外能量,距离较纯黑白机型缩短了不少。以一般厂家100米红外灯为例:进口品牌彩转黑枪机,一体机,100米能看到60-70米:国产(OEM)枪机,一体机,能看30-40米,有的甚至看得更近,的红外灯,都以彩色转黑白摄像机为准。在彩色转黑白状态下,启动红外灯,效果较为明显;同样,线数越高,黑白状态下的照度越低,图像效果越清晰。红外一体机红外一体机,由于它内置了红外灯,分单板镜头,自动光圈镜头和变焦镜头三种。这种形式既简洁美观又经济实用,受到越来越多客户的青睐。第三部分 镜 头为了让CCTV技术在智能建筑中发挥更好的作用,在每项闭路监控工程中,正确选用摄像机镜头是非常重要的,因为它直接影响到系统组成后在系统末端监视器上所看到的被监控画面的效果能否满足系统的设计要求(就画面范围或图像细节而言),所以正确的选用摄像机镜头可以使系统得到最优化设计并可获得良好的监视效果。一、镜头的分类根据民用建筑的应用场合镜头的种类大致可分为:1 、广角镜头:视角在 90 度以上,一般用于电梯轿箱内、大厅等小视距大视角场所;2 、标准镜头:视角在 30 度左右,一般用于走道及小区周界等场所;3 、长焦镜头:视角在 20 度以内,焦距的范围从几十毫米到上百毫米,用于远距离监视4 、变焦镜头:镜头的焦距范围可变,可从广角变到长焦,用于景深大,视角范围广的区域;5 、针孔镜头:用于隐蔽监控。二、镜头的选择定焦、变焦镜头的选用取决于被监视场景范围的大小,以及所要求被监视场景画面的清晰程度。镜头规格 ( 镜头规格一般分为 1/3 ″、 1/2 ″和 2/3 ″等 ) 一定的情况下,镜头焦距与镜头视场角的关系为:镜头焦距越长,其镜头的视场角就越小;在镜头焦距一定的情况下,镜头规格与镜头视场角的关系为:镜头规格越大,其镜头的视场角也越大。所以由以上关系可知:在镜头物距一定的情况下,随着镜头焦距的变大,在系统末端监视器上所看到的被监视场景的画面范围就越小,但画面细节越来越清晰;而随着镜头规格的增大,在系统末端监视器上所看到的被监视场景的画面范围就增大,但其画面细节越来越模糊。在镜头规格及镜头焦距一定的前提下, CS 型接口镜头的视场角将大于 C 型接口镜头的视场角。镜头视场角可分为图像水平视场角以及图像垂直视场角,且图像水平视场角大于图像垂直视场角,通常我们所讲的视场角一般是指镜头的图像水平视场角。在狭小的被监视环境中如电梯轿箱内,狭小房间均应采用短焦距广角或超广角定焦镜头,如选用镜头规格为 1/2 ″, CS 型接口,镜头焦距为3.6mm或2.6mm镜头,这些镜头视场角均不小于 99 °或 127 °,这对于摄像机在狭小空间里一般标高为2.5m左右时,其镜头的视场角范围足以覆盖整个近距离狭小被监视空间。也可根据现场实际情况选用手动变焦镜头如日产 Computar T2Z2814CS - 2 镜头,这种镜头为 1/3 ″ CS 型接口手动光圈镜头,其焦距 2 倍可调 ( 手动调焦 ) 。调焦范围为 2.8~ 6 .0mm,视场角变化范围为 96 °~ 47.2 °,这种镜头非常适合在狭小的被监视环境中使用,在使用时可方便地根据实际需要,灵活实现对被监视场景的“点”或“面”的监视效果。对于一般变焦 ( 倍 ) 镜头而言,由于其最小焦距通常为6.0mm左右,故其变焦 ( 倍 ) 镜头的最大视场角为 45°左右,如将此种镜头用于这种狭小的被监视环境中,其监视死角必然增大,虽然可通过对前端云台进行操作控制,以减少这种监视死角,但这样必将会增加系统的工程造价 ( 系统需增加前端解码器、云台、防护罩等 ) ,以及系统操控的复杂性,所以在这种环境中,不宜采用变焦 ( 倍 ) 镜头。 在开阔的被监视环境中,首先应根据被监视环境的开阔程度,用户要求在系统末端监视器上所看到的被监视场景画面的清晰程度,以及被监视场景的中心点到摄像机镜头之间的直线距离为参考依据,在直线距离一定且满足覆盖整个被监视场景画面的前提下,应尽量考虑选用长焦距镜头,这样可以在系统末端监视器上获得一幅具有较清晰细节的被监视场景画面。在这种环境中也可考虑选用变焦 ( 倍 ) 镜头 ( 电动三可变镜头 ) ,这可根据系统的设计要求以及系统的性能价格比决定,在选用时也应考虑两点: (1) 在调节至最短焦距时 ( 看全景 ) 应能满足覆盖主要被监视场景画面的要求; (2) 在调节至最长焦距时 ( 看细节) 应能满足观察被监视场景画面细节的要求。通常情况下,在室内的仓库、车间、厂房等环境中一般选用 6 倍或者 10 倍镜头即可满足要求,而在室外的库区、码头、广场、车站等环境中,可根据实际要求选用10 倍、 16 倍或 20 倍镜头即可 ( 一般情况下,镜头倍数越大,价格越高,可在综合考虑系统造价允许的前提下,适当选用高倍数变焦镜头 ) 。三、选用镜头的理论计算摄取景物的镜头视场角是极为重要的参数,镜头视场角随镜头焦距及摄像机规格大小而变化 ( 其变化关系如前所述 ) ,覆盖景物镜头的焦距可用下述公式计算:f=uD/U或者f=hD/Hf :镜头焦距、 U :景物实际高度、 H :景物实际宽度、 D :镜头至景物实测距离、 u :图像高度 (被摄物体在 ccd 靶面上成像高度) 、 h :图像宽度 (被摄物体在 ccd 靶面上成像宽度)举例说明:当选用 1/2 ″镜头时,图像尺寸为 u= 4.8mm, h= 6.4mm。镜头至景物距离 D= 3500mm,景物的实际高度为 U= 2500mm ( 景物的实际宽度可由下式算出 H=1.333U ,这种关系由摄像机取景器 CCD 片决定 ) 。将以上参数代入公式 (1) 中,可得 f=4.8*3500/2500= 6.72mm,故选用6mm定焦镜头即可。注:所有单位均以( mm )记图象尺寸 1`` 2/3`` 1/2`` 1/3`` U 9.6mm 6.6mm 4.8mm 3.6mm H 12.8mm 8.8mm 6.4mm 4.8mm 那么为何在镜头的选用中考虑 CCD 靶面的尺寸呢 ?为了让 1/3 ″与 1/2 ″ CCD 摄像机中获取同样的视角, 1/3 ″ CCD 摄像机镜头焦距必须缩短;相反如果在 1/3 ″ CCD 与 1/2 ″ CCD 摄像机中采用相同焦距的镜头,情况又如何呢 ?1/3 ″ CCD 摄像机视角将比 1/2 ″ CCD 摄像机明显地减小,同时 1/3 ″ CCD 摄像机的图像在监视器上将比 1/2 ″ CCD 的图像放大,产生了使用长焦距镜头的效果。另外我们在选择镜头时还要注意这样一个原则:即小尺寸靶面的 CCD 可使用大尺寸靶面 CCD 摄像机的镜头,反之则不行。原因是:如 1/2 ″ CCD 摄像机采用 1/3 ″镜头,则进光量会变小,色彩会变差,甚至图像也会缺损;反之,则进光量会变大,色彩会变好,图像效果肯定会变好。当然,综合各种因素,摄像机最好还是选择与其相匹配的镜头。四、手动光圈及自动光圈的选择自动光圈镜头对监控点的光线变化适应性较强,但其价格也明显高于相同焦距的手动定焦镜头。两种镜头的选用取决于使用环境的照度是否恒定。对于环境照度处于经常变化的情况,如随日照时间而照度变化较大的室外环境、门厅、窗口及大堂内等,均需选用自动光圈镜头 ( 必须配以带有自动光圈镜头插座的摄像机 ) ,这样便可以实现画面亮度的自动调节,获得良好的较为恒定亮度的监视画面。室外夏日阳光下环境照度达 50000Lx - 100000Lx ;夜间路灯时仅为 10Lx ,变化幅度相当大。在这种情况下摄像机无论是否具有自动调整灵敏度功能即通过摄像机本身的电子快门已不可能适应这么宽的照度范围,也就无法达到控制图像效果的作用。由于现在的摄像机大都有电子快门,对于在环境照度恒定的情况下,如电梯轿箱内、封闭走廊里、无阳光直射的房间内,均可选用手动光圈镜头,这样可在系统初装调试中根据环境的实际照度,一次性整定镜头光圈大小,获得满意亮度画面即可。另一方面,现在市场上用的自动光圈镜头分为二大类:电源驱动(DC )自动光圈镜头和视频驱动 (VIDEO) 自动光圈镜头。电源驱动自动光圈镜头是通过四根线控制镜头的,其中两根为 DC12V 或 DC24V 电源来驱动镜头中的马达,另两根控制线通过镜头内的光感应点感应外部光源的照度来控制光圈的大小;视频驱动自动光圈镜头则是通过三根线来控制镜头的,其中一根为视频触发信号来起动光圈,并控制光圈大小,另二根为 DC12V 或 DC24V 电源线驱动电机马达。目前市场上大多黑白或彩色摄像机虽然有自动光圈镜头接口,但除了少数可以兼容二种镜头以外,大多数摄像机不能兼容,只能使用电源驱动自动光圈镜头或视频驱动自动光圈镜头。如果在使用中当一些摄像机损坏时,新购入的摄像机就有与原来的自动光圈镜头是否兼容的问题。第四部分红外灯目前市场上流通的红外灯,从发光波长主要分两种:有红曝和无红曝。前者波长为850nm,后者940nm。它们的本质区别在于:红外灯工作时,有红曝红外灯,肉眼能看见LED红外灯光点。无红曝则不能。无光源状态下的夜间监控,作为对摄像机进行红外灯补偿的红外灯则显得尤为重要。一、红外光知识什么是红外光:光是一种电磁波,它的波长区间从几个纳米( 1nm=10 -9m)到1 毫米( mm )左右。人眼可见的只是其中一部分,我们称其为可见光,可见光的波长范围为 380nm ~ 780nm ,可见光波长由长到短分为红、橙、黄、绿、青、兰、紫光,波长比紫光短的称为紫外光,波长比红外光长的称为红外光。二、红外灯作用红外摄像机技术分为被动红外摄像技术和主动红外摄像技术。被动红外摄像技术是利用任何物质在绝对零度以上都有红外光发射,人体和热机发出的红外光较强,其它物体发出的红外光很微弱,利用特殊的红外摄像机可以实现夜间监控。但是,这种特殊的红外摄像机造价昂贵,而且不能反映周围环境状况,因此在夜视系统中不被采用。在夜视系统中经常采用主动红外摄像技术,即采用红外辐射 “ 照明 ” ,产生人眼看不见而普通摄像机能捕捉到的红外光,辐射 “ 照明 ” 景物和环境,应用普通低照度黑白摄像机、彩色夜间转黑白摄像机或红外低照度彩色摄像机,感受周围环境反射回来的红外光实现夜视。三、红外灯的优点1.节约能源:使用 12V-36V 直流电,功率低,节约电;2. 符合环保要求,减少光污染;3.隐蔽性强:按照监控方案要求,具有极强的隐蔽性。四、红外灯的分类按其红外光辐射机理分为LED半导体固体发光(红外发射二级管)红外灯和热辐射红外灯两种。其原理及特性我们介绍如下:1、LED红外灯目前使用广泛,本文所提红外灯皆指 LED 红外灯 ,由红外发光二级管矩阵组成发光体。红外发射二级管由红外辐射效率高的材料(常用砷化镓 GaAs )制成 PN 结,外加正向偏压向 PN 结注入电流激发红外光。光谱功率分布为中心波长 830 ~ 950nm ,半峰带宽约 40nm 左右,它是窄带分布,为普通 CCD 黑白摄像机可感受的范围。其最大的优点是可以完全无红暴,(采用 940 ~ 950nm 波长红外管)或仅有微弱红暴(红暴为有可见红光)和寿命长。 LED 红外灯质量的好坏,主要由 LED 所使用的发光芯片质量决定。目前根据产地分为日本芯片、台湾芯片和国产芯片;根据芯片尺寸,主要分为 1.2ml 、 1.4ml 和1.6ml 三种规格。根据使用要求, LED 发射管可以封装不同的角度。2、热辐射红外灯热辐射现象是极为普通的 , 物体在温度较低时产生的热辐射全部是红外光,所以人眼不能直接观察到。当加热 500 度左右时,才会产生暗红色的可见光,随着温度的上升,光变得更亮更白。在热辐射光源中通过加热灯丝来维持它的温度,供辐射继续不断的进行。维持一定的温度而从外部提供的能量与因辐射而减少的能量达到平衡。这种产品最大不足之处是使用寿命短,市场上应用非常少五、红外灯的选择红外灯的选择最重要的问题是成套性,即红外灯与摄像机、镜头、防护罩、供电电源等的成套性。在设计方案时对所有器材综合考虑设计,把它作为一个红外低照度夜视监控系统工程来考虑设计。六、红外灯安装调试方法调试应该在晚间进行。调试时,根据设计方案,固定好大致位置、接通电源后,启动摄象机、监视器和红外灯,根据监视器中红外灯照射情况,调整红外灯左右、仰俯角度,直红外灯安装调试方便简单,通常根据所用护罩、云台和现场环境采用如下几种安装方法。顶装式:在摄象机护罩上盖钻孔,将红外灯调整好角度后固定其上。侧装式:在云台侧面安装红 外灯专用支架,将红外灯调整好角度后固定在直接安装:将红外灯调整好角度后,直接固定在墙面、电线杆等物体上吊装式:将红外灯调整好角度后,倒立固定。如果在室外吊装,须特别定制,防止雨水进入产品内部。七、红外灯使用注意事项1 、安装、调试前,必须仔细浏览产品说明书,因为不同厂家的技术参数是不同的,不能想当然配备电源和安装调试。2 、红外管的工作电流对供电电压十分敏感,要按产品说明书要求,使用开关电源,不得自行增加红外灯供电电压,以增加红外灯的辐照功率,这样很容易可能造成红外灯烧毁;如采用普通不稳压直流电源,有可能由于电压不稳,造成红外灯照射距离不够,或者由于电压过高烧毁红外灯;3 、采用集中供电的电视监控系统,前端设备的电源供应要科学设计。由于电缆长度不同对直流电压衰减不同。在多个红外灯距控制室的距离相差较大时,采用 DC12V 集中供电可能使距控制室近的红外灯供电电压高,距控制室远的红外灯供电电压低。加之电源电压调整上的偏差,可能造成电压过高的红外灯寿命缩短甚至烧坏,电压低的红外灯发射功率不足。因此建议尽可能采用对红外灯一对一的供电。4 、除配套性外,还要考虑到以下因素,选择红外灯时,在选择红外灯辐照距离时留有余地。(1) 摄像机给出的最低照度。这里的最低照度概念是什么?摄像机产生的视频信号标称值为 1V ,标准值为 0.7V ,而最低照度时的视频信号值为 1/3-1/2 标准植。所以摄像机在最低照度时的图像,决不会 “ 如同白昼一样 ” 。(2) 摄像机在最低照度时产生的图像清晰度,是用电视信号测试卡进行测式的,其黑白相间的条纹,要求黑色反射率近于 0% ,白色反射率大于 89.9% 。而我们在现场观察时有时不具备这样的条件,比如:树叶和草地的反射率很低,反差很小,就不易获得清晰图像。(3) 给出摄像机最低照度的同时,还要给出光圈 F 的要求值,而变焦镜头一般只给出 1 : F 的最大值,即光圈 F 的最小值(光圈实际尺寸最大值), F=f/D, 那么 D 为定值,在 f焦距拉大 10 倍时, F 变得很大(即光圈实际尺寸变得很小)。光通量将受到很大影响。(4) 在使用自动光圈镜头、自动增益控制或自动电子快门摄像机时,镜头光圈 F 值也会发生变化。例如,在摄像机近处有景物,反射回强光给摄像机,或附近有灯光照射摄像机,这时摄像机的灵敏度将减小、自动光圈的尺寸将被关小,光通量也将受到很大影响。(5) 防护罩对红外灯的效果也有影响,红外光在传输过程中,通过不同介质,透射率和反射率也不同。不同的视窗玻璃,,特别是自动除霜镀膜玻璃,对红外光的衰减也不同。(6) 有的器材生产或销售商,不给出红外灯的辐照距离,只给出功率数,这样对生产、销售商来说麻烦可能少一些,但是这是非常含糊的概念,因为功率消耗除转化为红外光能外,还有电源热损耗、电路热损耗、光源热损耗、滤光玻璃片红外光效率等等。相同功率的红外灯,其辐照距离可能相差很远。• 安装高度不应超过8 米,否则会减少红外灯照射距离;• 在有大型变压器和大型电力设施及有电磁辐射地域,如机场、变电站、微波站周围安装使用,会影响红外灯的使用效果和寿命。• 无红曝红外灯波长更长,因此对摄象机的匹配要求更高。• 一般的红外灯都带自动光控装置,根据周围光线的强弱自动启动及停止,如使用环境有强光照射产品时可能会使本产品自动停止工作。• 在有雷电的情况下使用时,请加装防雷设施或切断供电,以防止对产品的损害。• 红外灯不适合在强磁场环境下使用。如电信基站、机场、整流器等。• 红外灯不适合在水面、煤矿中使用。• 红外灯在能见度低的环境下(浓雾,雨天,粉尘等恶劣气候)及使用不同类型的摄象机的场合,照射效果会有差别。•红外灯具有不同的发射角度,可根据使用场合,进行选择。八、红外灯故障现象及处理方法第一类:产品不启动故障表现:• 电源接通后,在监视器中没有光斑• 产品排热风扇(有些型号没有风扇)不转动处理方法:第一步:检查电源输入线路是否有虚接第二步:测量电源电压和电流,如超出额定值,则需要更换第三步:遮盖产品采光器,看是否启动,如启动,则产品本身没有问题,需要调整产品安装角度,避开附近灯光对产品的照射第四步:更换同型号产品,如果正常工作,则该产品存在质量问题第二类:照射距离不够故障表现:实际照射距离不到标称距离的 50% ,如100 米 红外灯照射有效距离只有5 、6 米处理方法第一步:如果该产品已经使用 1 年以上,则是正常衰减,可更换同型号产品第二步:检查输入电源电压是否达到额定值,可以换用其他牌号的开关电源检测第二步:工作状态下,观察红外灯正面,是否有不发光的 LED ,如果有,则是灯管有部分烧毁,需要维修第四步:换用黑白摄象机(如WATEC902H)测试,如果能达到标称距离,则有两种可能:1该摄象机感应红外的设置被屏蔽了。2该摄象机与红外灯不匹配,感应红外效果差,只能更换其他型号摄象机