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安防监控基础知识之-从入门到精通（入门篇） 主 编：研发中心-产品管理部 安防监控基础知识之—从入门到精通（入门篇） 资料版本 V1.1 日期 2014年5月 浙江大华技术股份有限公司版权所有，保留一切权利。 非经本公司书面许可，任何单位和个人不得擅自摘抄、复制本书的部分或全部，并不得以任何形式传播。 前言 浙江大华技术股份有限公司(下简称：大华股份)经过十年的磨练，向着“行业领先，产业报国”的目标不断创新和发展壮大。今天的大华公司已经是安防监控领域里举足轻重的企业。大华公司提供视频监控后端存储、前端采集、通信传输、系统管理、解码上墙的完整解决方案。为了帮助大家更好的理解大华产品，帮助新员工、在职员工熟悉安防专业知识，了解掌握公司产品，特别编写了“视频监控技术与产品入门”基础资料库，这套资料库包括： 行业基础知识： 1. 《安防监控基础知识之—从入门到精通（入门篇）》 2. 《安防监控基础知识之—摄像机技术》 3. 《安防监控基础知识之—DVR技术》 4. 《安防监控基础知识之—ITS技术》 5. 《安防监控基础知识之—软件技术》 产品基础知识： 1. 《大华股份监控产品知识—前端产品》 2. 《大华股份监控产品知识—后端产品》 3. 《大华股份监控产品知识—智能交通产品》 4. 《大华股份监控产品知识—显示产品》 5. 《安防系统方案基础知识—解决方案基础》 6. 《安防系统方案基础知识—常见安防解决方案剖析》 本套丛书深入简出的介绍了大华产品的原理、结构、特点和业务性能等，尝试用通俗易懂的语言将复杂的视频监控产品展现在具备不同知识结构的读者面前。 读者对象 本套丛书适合于以下读者阅读： u 大华公司新员工 u 大华公司非开发人员 u 大华公司客户(受控版)  目录 第一章 安防监控概述 9 1.1 安全防范基础知识 9 1.1.1 安全防范基本概念 9 1.1.2 安全防范的三种基本防范手段：人防、物防和技防 9 1.1.3 安全防范技术与安全技术防范 10 1.1.4 安全防范技术的专业体系 11 1.2 视频监控简介 11 1.2.1 基于模拟传输的视频监控系统 12 1.2.2 模混合视频监控系统 12 1.2.3 网络数字视频监控系统 13 1.2.4 大规模数模混合视频监控系统 14 第二章 前端部分知识 16 2.1 摄像机基础知识 16 2.1.1 图像传感器原理 16 2.1.2 摄像机硬件方案知识 25 2.1.3 模拟摄像机 27 2.1.4 智能球机 30 2.1.5 IPC摄像机 37 2.1.6 智能交通高清摄像机（ITC） 59 2.2 镜头基础知识 65 2.2.1 镜头分类 65 2.2.2 镜头参数 67 2.2.3 常见镜头 74 2.2.4 其他特殊镜头 78 2.3 报警探测器基础知识 80 2.3.1 红外报警探测器 81 2.3.2 微波探测器 82 2.3.3 玻璃破碎探测器 83 2.3.4 震动探测器 84 2.3.5 超声波探测器 84 2.3.6 开关式报警器 85 2.3.7 周界报警探测器 85 2.3.8 双技术与双鉴报警探测器 88 2.3.9 商品电子防盗系统 89 2.4 云台基础知识 92 2.4.1 云台的分类 92 2.4.2 云台的内部结构 92 2.4.3 通用型云台的性能指标 93 2.4.4 特殊用途的云台 95 2.5 防爆设备知识 95 2.5.1 防爆原理 96 2.5.2 防爆等级 97 2.6 防护罩基础知识 98 2.6.1 通用型防护罩 98 2.6.2 特殊用途护罩 101 2.6.3 护罩的安装和功能集成 103 2.7 红外灯及其它补光知识 103 2.7.1 普通照明设备 103 2.7.2 红外灯的原理 105 2.7.3 红外灯的种类 105 2.7.4 红外灯的选择与使用 107 第三章 传输系统基础知识 109 3.1 同轴电缆传输方式 109 3.1.1 同轴电缆 109 3.1.2 电缆补偿器 110 3.1.3 同轴电缆基带传输易出现干扰 110 3.2 光纤传输方式 111 3.2.1 光纤传输的特点 111 3.2.2 光纤结构与传输机理 112 3.2.3 光缆 115 3.2.4 光源 116 3.2.5 光纤传输系统 119 3.2.6 视频传输的系统 120 3.2.7 常见的多路传输方式 121 3.2.8 光路建立 121 3.3 双绞线传输 122 3.3.1 双绞线传输视频信号的基本原理 122 3.3.2 双绞线与双绞线传输图像的优点 123 3.3.3 远程供电器 124 3.4 无线传输方式 125 3.4.1 工作原理 125 3.4.2 系统功能 126 3.4.3 系统特点 127 3.4.4 无线监控分类 128 第四章 后端编解码设备基础知识 131 4.1 数字硬盘录像机 131 4.1.1 原理框图和数据流 131 4.1.2 主要功能 132 4.1.3 产品分类 132 4.1.4 典型方案图 134 4.2 网络视频服务器 136 4.2.1 原理框图和数据流 137 4.2.2 NVS的构成 137 4.2.3 NVS的特点 138 4.2.4 NVS同DVR 比较 138 4.2.5 典型方案图 140 4.3 网络硬盘录像机 141 4.3.1 原理框图和数据流 141 4.3.2 主要模块介绍 141 4.3.3 产品分类 143 4.3.4 NVR 同DVR比较 144 4.3.5 典型方案图 146 4.4 解码器 147 4.4.1 视频解码器 147 4.4.2 硬解码器 148 4.4.3 软解码器 148 4.4.4 万能解码器 149 第五章 监控中心矩阵基础知识 150 5.1 矩阵设备简述 150 5.2 模拟视频矩阵系统工作原理介绍 150 5.2.1 视频矩阵各个模块的作用 151 5.2.2 控制键盘的组成 151 5.2.3 视频矩阵切换器的工作原理 152 5.2.4 矩阵切换器的附加功能 152 5.3 数字视频矩阵系统的工作原理及特点 153 第六章 网络存储基础知识 156 6.1 什么是网络存储 156 6.2 网络存储的分类 156 6.3 网络存储的功能和性能 157 6.3.1 网络存储的接口 157 6.3.2 网络存储的功能 158 6.3.3 网络存储的性能 160 6.4 网络存储的协议 160 6.5 什么是raid 164 6.6 网络存储的应用 170 6.6.1 配合服务器（监控平台）使用 170 6.6.2 配合M60使用 171 第七章 显示设备基础 172 7.1 CRT监视器 172 7.2 大屏幕投影设备 173 7.3 数字光处理 DLP 176 7.3.1 DLP的工作过程 176 7.3.2 DLP技术的优点 177 7.3.3 DLP系统的分类 178 7.3.4 投影机的主要技术指标 179 7.4 大屏幕拼接系统 182 7.5 平板显示器件 183 7.6 图像的输入 184 第八章 行业设备基础知识 186 8.1 车载基础知识 186 8.1.1 车载DVR和普通DVR的区别 186 8.1.2 车载DVR常见术语 186 8.1.3 车载关键部件-硬盘 189 8.1.4 车载配件类使用说明 191 8.1.5 车载常见问题 192 8.2 ATM基础知识 205 8.2.1 ATM使用环境 205 8.2.2 ATM监控系统作用 206 8.2.3 ATM机和普通DVR区别 207 8.3 司法审讯行业及产品基础知识 208 8.3.1 行业背景 208 8.3.2 系统组成 208 8.3.3 审讯指挥数字化管理应用系统 208 8.4 手持监控终端基础知识 209 8.4.1 应用背景 209 8.4.2 系统组成 210 8.4.3 典型系统 211 第九章 视频编码压缩技术 212 9.1 多媒体技术基础 212 9.1.1 图像的色彩模型 212 9.1.2 图像的色彩空间变换 214 9.1.3 图像的格式与质量 215 9.1.4 数据压缩方法 216 9.2 静态图像压缩技术 219 9.2.1 色相变换过程 220 9.3 视频(动态图像)编码压缩 223 9.3.1 视频压缩的必要性 223 9.3.2 视频压缩的可行性 224 9.3.3 图像格式说明 225 9.3.4 逐行扫描与隔行扫描 227 9.3.5 帧率、码流与分辨率 227 9.3.6 视频编码模型 228 9.3.7 运动补偿技术介绍 229 9.4 主流视频编码技术 230 9.4.1 MJPEG编码压缩 231 9.4.2 MPEG-4技术介绍 231 9.4.3 H.264技术说明 235 9.4.4 H.265技术说明 236 9.4.5 视频编解码技术应用 237 第十章 高清视频监控技术 240 10.1 模拟监控高清 240 10.1.1 电视制式及分辨率 240 10.1.2 高清模拟摄像机 241 10.1.3 高清信号传输 241 10.1.4 高清显示设备 241 10.2 数字时代高清技术 242 10.2.1 高清电视（HDTV）标准 242 10.2.2 高清IP摄像机 242 10.2.3 高清摄像机的优势 243 10.2.4 覆盖范围 243 10.2.5 图像细部特征 244 10.2.6 数字云台功能 244 10.2.7 视频校正与处理 244 10.2.8 360度全景摄像机 244 10.3 高清摄像机的关键技术 245 10.4 高清监控的障碍 247 10.5 高清摄像机的应用 248 10.5.1 需求分析 248 10.5.2 像素数量计算 248 10.5.3 摄像机选型 249 10.5.4 系统架构说明 250 10.5.5 视频传输与存储 250 第十一章 HDCVI技术 251 11.1 HDCVI技术白皮书 251 11.1.1 同SDI高清相比 253 11.1.2 同网络高清相比 254 11.1.3 独特新亮点： 255 11.2 HDCVI摄像机常见问题与故障排查方法 255 11.2.1 菜单设置方法 255 11.2.2 HDCVI摄像机的图像异常 258 11.2.3 图像质量不好或者异常 259 11.2.4 上电后无反应不断重启 260 11.2.5 HDCVI摄像机的施工要点 260 第十二章 硬盘知识简介 261 12.1 硬盘分类 261 12.2 基本参数 261 12.3 制造厂商 263 12.4 尺寸 264 12.5 接口 264 12.6 物理结构 266 12.7 数据保护 268 12.8 PC硬盘和DVR硬盘的区别 269 12.9 PC硬盘与DVR专用硬盘含义 269 12.9.1 普通PC硬盘 269 12.9.2 DVR专用硬盘 269 12.9.3 企业硬盘与DVR专用硬盘不可替代 270 12.9.4 PC硬盘与DVR专用硬盘具体差别 270 第十三章 术语 272  第一章 安防监控概述 1.1 安全防范基础知识 1.1.1 安全防范基本概念 根据现在汉语词典的解释，所谓安全，就是没有危险、不受侵害、不出事故；所谓防范，就是防备、戒备，而防备是指作好准备以应付攻击或避免受害，戒备是指防备和保护。 综合上述解释，是否可以给安全防范下如下定义：做好准备和保护，以应付攻击或者避免受害，从而使被保护对象处于没有危险、不受侵害、不出现事故的安全状态。显而易见，安全是目的，防范是手段，通过防范的手段达到或实现安全的目的，就是安全防范的基本内涵。 1.1.2 安全防范的三种基本防范手段：人防、物防和技防 安全防范是社会公共安全的一部分，安全防范行业是社会公共安全行业的一个分支。就防范手段而言，安全防范包括人力防范、实体（物）防范和技术防范三个范畴。其中人力防范和实体防范是古已有之的传统防范手段，它们是安全防范的基础，随着科学技术的不断进步，这些传统的防范手段也不断融入新科技的内容。技术防范的概念是在近代科学技术（最初是电子报警技术）用于安全防范领域并逐渐形成的一种独立防范手段的过程中所产生的一种新的防范概念。由于现代科学技 术的不断发展和普及应用，“技术防范”的概念也越来越普及，越来越为警察执法部门和社会公众所认可和接受，以致成为使用频率很高的一个新词汇，技术防范的内容也随着科学技术的进步而不断更新。在科学技术迅猛发展的当今时代，可以说几乎所有的高新技术都将或迟或早的移植、应用于安全防范工作中。因此，“技术防范”在安全防范技术中的地位和作用将越来越重要，它已经带来了安全防范的一次新的革命。 安全防范的三个基本要素是：探测、延迟与反应。探测（Detection）是指感知显形和隐性风险事件的发生并发出报警；延迟（Delay）是指延长和推延风险事件发生的进程；反应（Response）是指组织力量为制止风险事件的发生所采取的快速行动。在安全防范的三种基本手段中，要实现防范的最终目的，都要围绕探测、延迟、反应这三个基本防范要素开展工作、采取措施，以预防和阻止风险事件的发生。当然，三种防范手段在实施防范的过程中，所起的作用有所不同。 基础的人力防范手段（人防）是利用人们自身的传感器（眼、耳等）进行探测，发现妨害或破坏安全的目标，作出反应；用声音警告、恐吓、设障、武器还击等手段来延迟或阻止危险的发生，在自身力量不足时还要发出求援信号，以期待做出进一步的反应，制止危险的发生或处理已发生的危险。 实体防范（物防）的主要作用在于推迟危险的发生，为“反应“提供足够的时间。现代的实体防范，已不是单纯物质屏障的被动防范，而是越来越多地采用高科技地手段，一方面使实体屏障被破坏地可能性变小，增大延迟时间；另一方面也使实体屏障本身增加探测和反应的功能。 技术防范手段可以说是人力防范手段和实体防范手段的功能延伸和加强，是对人力防范和实体防范在技术手段上的补充和加强。它要融入人力防范和实体防范之中，使人力防范和实体防范在探测、延迟、反应三个基本要素中间不断地增加高科技含量，不断提高探测能力、延迟能力和反应能力，使防范手段真正起到作用，达到预期的目的。 探测、延迟和反应三个基本要素之间是相互联系、缺一不可的关系。一方面，探测要准确无误、延迟时间长短要合适，反应要迅速；另一方面，反应的总时间应小于（至多等于）探测加延迟的总时间。 1.1.3 安全防范技术与安全技术防范 安全防范技术是用于安全防范的专门技术，在国外，安全防范技术通常分为三类：物理技术防范（Physical Protection）、电子防范技术（Electronic Protection）、生物统计学防范技术（Biometric Protection）。这里的物理防范技术主要指实体防范技术，如建筑物和实体屏障以及与其匹配的各种实物设施、设备和产品（如门、窗、柜、锁等）；电子防范技术主要是指应用于安全防范的电子、通信、计算机与信息处理及其相关技术，如：电子报警技术、视频监控技术、出入口控制技术、计算机网络技术以及其相关的各种软件、系统工程等。生物统计学防范技术是法庭科学的物证鉴定技术和安全防范技术中的模式识别相结合的产物，他主要是指利用人体的生物学特征进行安全技术防范的一种特殊技术门类，现在应用较广的有指纹、掌纹、眼纹、声纹等识别控制技术。 安全技术防范是以安全防范技术为先导，以人力防范为基础，以技术防范和实体防范为手段，所建立的一种具有探测、延迟、反应有序结合的安全防范服务保障体系。他是以预防损失和预防犯罪为目的的一项公安业务和社会公共事业。对于警察执法部门而言，安全技术防范就是利用安全防范技术开展安全防范工作的一项公安业务；而对于社会经济部门来说，安全技术防范就是利用安全防范技术为社会公众提供一种安全服务的产业。既然是一种产业，就要有产品的研制与开发，就要有系统的设计与工程的施工、服务和管理。 1.1.4 安全防范技术的专业体系 安全技术防范作为社会公共安全科学技术的一个分支，具有其相对独立的技术内容和专业体系。根据我国安全防范行业的技术现状和未来发展，我们可以将安全防范技术按照学科专业、产品属性和应用领域的不同进行如下分类： 1. 入侵探测与防盗报警技术 2. 视频监控技术 3. 出入口目标识别与控制技术 4. 报警信息传输技术 5. 移动目标反劫、防盗报警技术 6. 社区安防与社会救助应急报警技术 7. 实体防护技术 8. 防爆安检技术 9. 安全防范网络与系统集成技术 10. 安全防范工程设计与施工技术 由于安全防范技术是正在发展中的新兴技术领域，因此上述专业的划分只具有相对意义。实际上上述各项专业技术本身，都涉及诸多不同的自然科学和技术的门类，它们之间又互相交叉和相互渗透，专业的界限会变得越来越不明显，同一技术同时应用于不同专业的情况也会越来越多。 我公司主要涉及的是视频监控技术，但目前的视频监控技术也不是单一的，也涉及到与入侵探测、防盗报警系统相结合的一些联动报警技术。 1.2 视频监控简介 本文介绍的视频监控系统，主要指的是闭路电视监控系统，因为这个系统的视频信号是非公开传输的，只能提供给特定的使用者观看，因此称为闭路电视监控系统。英文缩写是：CCTV(closed-circuit television)，闭路电视监控系统是一个跨行业的综合性保安系统，该系统运用了世界上最先进的传感技术、监控摄像技术、通讯技术和计算机技术，组成一个多功能全方位监控的高智能化的处理系统。闭路电视监控系统因其能给人最直接的视觉、听觉感受，以及对被监控对象的可视性、实时性及客观性的记录，因而已成为当前安全防范领域的主要手段，被广泛应用。 视频监控系统一直是监控领域中的热点，它以直观、方便、信息内容丰富而在各个行业得到广泛应用，视频监控系统的发展与电子、通信的发展息息相关，就其发展的阶段看，主要经历了以下阶段。 1.2.1 基于模拟传输的视频监控系统 在20世纪90年代初及其以前，主要是以模拟设备为主的闭路监控系统，称为第一代视频监控系统，即模拟视频监控系统。这种基于模拟图像的视频监控系统从电视机、摄像机诞生的那天，就已经诞生。其视频监控系统主要由摄像机、视频切换矩阵、监视器、录像机等组成，通过视频线、控制线连接，主要用于安保、生产管理场合。其特点是模拟视频信号传输，使用串口控制，传输距离有限，远距离传输需要光传输设备，监控方式单一，智能化，集成度不高。 1.2.2 模混合视频监控系统 20世纪90年代中期，随着计算机处理能力的提高和数字视频技术、嵌入式技术的发展，人们利用计算机以及专用大规模集成电路的高速数据处理能力进行视频的采集和处理，从而大大提高了图像质量，增强了视频监控的功能。整个系统的视频、音频信号的采集、存储主要为数字形式，质量较高，但是视频信号的传输和现实，基本还是模拟信号。DVR （数字硬盘录像机）是第二代多媒体监控系统的核心产品，有采用PC平台（已经趋于淘汰）和嵌入式DVR两种流行产品。在较大型的项目中，仍然会使用视频矩阵，使图像能够分配给任意的监视器使用。整个系统数字视频信号和模拟视频信号处理并存。 1.2.3 网络数字视频监控系统 到了20世纪90年代末特别是近5年；随着网络带宽、计算机处理能力和存储容量的迅速提高，以及各种实用视频信息处理技术的出现，视频监控进入了全新的网络时代，称为第三代视频监控系统，网络化视频监控系统。第三代视频监控系统以网络为依托，以数字视频的压缩、传输、存储和播放为核心，以智能实用的图像分析为特色，引发了视频监控行业的技术革命。 第三代视频监控领域，集中了多媒体技术、数字图像处理及远程网络传输等最新技术。不仅仅可以解决图像传输、远程控制、现场信号采集等监控功能，还可提供高质量的监控图像和便捷的监控方式。第三代视频监控系统一般基于TCP/IP架构，符合通信网的发展趋势。系统所有硬件软件全都采用专业设计、具备专业的制造工艺。在编解码方面，采用专用的高速DSP处理芯片，系统软件采用稳定性最高的实时专用操作系统，因此具有功能强大、可靠性高、功耗小、环境适应能力强、软件的扩展升级方便等优点，具有非常广泛而灵活的应用。示意图如下： 1.2.4 大规模数模混合视频监控系统 近几年，平安城市、智慧城市概念以及物联网技术的发展，使得视频监控系统从早期的仅仅提供清晰的，可控制的图像到目前的越来越多的面向用户实战需求、面向各种业务处理以及智能化应用发展。用户的需求也由早期的需要机器设备提供清晰可用的视频信号发展到了需要机器设备在原始视频信号的基础上提供更多的实战应用；面对越来越海量的设备和信息，用户越来越多的需要通过智能化应用，用机器代替人力协助处理信息，人工智能可以对信息进行识别、统计、归纳、挖掘等处理，辅助使用者进行决策，摆脱过去诸如人工视频巡检、监看、设备维护等这种繁重的体力劳动。软件在视频监控中的作用越来越大，同时TCP/IP技术由于其自生的一些问题，还是不能完全取代模拟以及非IP数字信号技术。因此，面对复杂的应用，在一些大型项目中，会涉及到大规模、多技术混合应用的的情况，同时，监控设备也开始向多业务处理，模数混合发展，以实现综合应用为目的。  第二章 前端部分知识 2.1 摄像机基础知识 2.1.1 图像传感器原理 现代安防产业的发展离不开图像传感器技术的应用与发展。而在图像传感器中，日商所独占的CCD传感器与百家争鸣的CMOS传感器都在尽力克服自身的缺点，希望成为市场上的主流技术。 2.1.1.1 CCD/CMOS传感器技术简介 1) 技术简介 CCD/CMOS图像传感器是当前主流的两种器件，其实物如下图所示。从外观上看它们并没有实质的差异。 CCD CMOS 传感器实物 CCD（Charge Coupled Device）是电荷耦合器件的英文简写。它由美国贝尔实验室于1969年发明。CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor），是互补金属氧化物半导体的英文简写。它本意是一种半导体制造工艺，当标识图像传感器时特制采用CMOS工艺制造的器件。 2) 成像原理 无论是CCD还是CMOS，它们都采用感光元件作为影像捕获的基本手段，CCD/CMOS感光元件单元的核心都是一个感光二极管，该二极管在接受光线照射之后能够产生输出电流或电压，而电流的强度则与光照的强度对应。输出的电压或电流经过放大器放大，A/D转换后就成为可以被计算机其他数字器件处理的图像数据。 基本工作流程如下图： AMM A/D ISP 基本工作流程 由于每个像素单元是一样的，所以对光线的反应也近似，这样是没有办法区分出色彩的，因此在彩色成像时，按照一定的规律在每个像素前放置一个微小的颜色透镜，这样就可以使不同的像素单元仅对某一色彩的光线产生光敏特性。根据建立在大量统计规律的基础上所体现的人的视觉特性，目前多采用RGB（red，green，blue）三原色矩阵来对颜色进行分离如同图所示。这样每个像素单元对光的反应就表示一种颜色的光强，在该像素点上的其他颜色就依据周围像素的颜色强度通过差值来得到，这个差值过程通常也称为解马赛克。其过程如下图所示。通过这种方式虽然降低了图像颜色的分辨率，但用一片传感器就可以获得彩色图像数据，同是减少了要存贮的数据量。 利用GRB矩阵采集彩色图像 原始马赛克图像 插值 插值 插值 组合RGB 输出图像 1/4红像素 1/2绿像素 1/4蓝像素 彩色还原原理 2.1.1.2 CCD/CMOS传感器主要区别 CCD和CMOS固态图像传感器在光检测方面都利用了硅的光电效应原理，其根本不同点在于像素光生成电荷的读出方式。造成这种差异的原因在于：CCD的特殊工艺可保证数据在传送时不会失真，因此各个象素的数据可汇聚至边缘再进行放大处理；而CMOS工艺的数据在传送距离较长时会产生噪声，因此，必须先放大再整合各个象素的数据。 对于CMOS传感器，每一个感光元件都直接整合了放大器和模数转换逻辑，当感光二极管接受光照、产生模拟的电信号之后，电信号首先被该感光元件中的放大器放大，然后直接转换成对应的数字信号。换句话说，在CMOS传感器中，每一个感光元件都可产生最终的数字输出。CMOS图像传感器芯片的结构如图所示。典型的CMOS像素单元主要由感光区和采样电容及放大器构成，多个单元构成一个像素阵列（二维可编址传感器阵列），传感器的每一列与一个位线相连，行允许、线允许所选择的行内每一个敏感单元输出信号送入它所对应的位线上，位线末端是多路选择器，按照各列独立的列编址进行选择，输出相应像素信号。 行选择逻辑 多路复用 行选择逻辑 控制逻辑 行选择逻辑 感光区 放大器 采样电容 CMOS传感器结构示意图 而在CCD传感器中，每一个感光元件都不对输出的电流作进一步的处理，而是将它直接输出到感光元件的存储单元，由于感光元件生成的电信号实在太微弱了，无法直接进行模数转换工作，因此这些输出数据必须做统一的放大处理，这项任务是由CCD传感器中的放大器专门负责，经放大器处理之后，每个像点的电信号强度都获得同样幅度的增大；但由于CCD本身无法将模拟信号直接转换为数字信号，因此还需要一个专门的模数转换芯片进行处理。但在周边组成上，CCD的感光元件与CMOS的感光元件也不相同，如下图所示，CCD的感光元件除了感光二极管之外，包括一个用于控制相邻电荷的存储单元，感光二极管占据了绝大多数面积，不像CMOS那样，每个感光元件还集成了采样电容、放大器、A/D装换等器件。因此在相同面积下，CCD的感光区域占据了较多的面积，而CMOS由于其复杂结构，感光面积比CCD降低了约20%甚至更多。 水平时钟 串行时钟 行选择逻辑 QV 输出寄存器 ADC 感 光 区 电荷存储区 电荷通道 图表 CCD传感器结构示意图 正是由于CCD与CMOS的结构工艺的不同，导致了他们在物理特性上的很多差异，主要有以下几方面： u 灵敏度差异 由于CMOS的采样及放大电路与感光区集成在一起，所以CMOS的有效感光面积就比CCD小了很多，表现就是在相同像素面积的情况下，CMOS的灵敏度比CCD低很多。 u 分辨率差异 如上所述，CMOS每个像素的构成相对复杂，因此像素尺寸通常不容易做的更小，所以在相同尺寸（感光面积）的情况下，CMOS集成的像素数一般情况下比CCD要少，导致相同尺寸的分辨率较低。 u 噪声差异 由于CMOS传感器的每个感光二极管都需搭配一个放大器，而放大器属于模拟电路，很难让每个放大器所得到的结果保持一致，因此与只有一个放大器放在芯片边缘的CCD传感器相比，CMOS传感器的噪声就会增加很多，影响图像品质。 u 功耗差异 CMOS传感器的图像采集方式为主动式，感光二极管所产生的电荷会直接由晶体管放大输出，但CCD传感器为被动式采集，需外加电压让每个象素中的电荷移动，而此外加电压通常需要达到12~18V；因此，CCD传感器除了在电源管理电路设计上的难度更高之外，高驱动电压更使其功耗远高于CMOS传感器的水平。实际应用中，CCD的发热量也要比CMOS高出很多，甚至需要对散热进行额外的设计。 u 数据转换速度差异 由于CMOS每个像素都集成了放大器、采样及A/D转换电路，因此，信号的处理可并行进行，而CCD各个象素的数据汇聚至边缘再统一进行放大处理，只能采用串行处理的方式；因而数据转换速度要远低于CMOS。高速的CMOS图像采集帧率每秒可达到3000甚至5000帧。虽然CCD可采取分多区域多通道同时输出等手段，但帧率也很难达到100帧，并同时会涉及图像拼接技术，导致增加系统复杂度，影响图像质量。 u 成本差异 由于CMOS传感器采用一般半导体电路最常用的CMOS工艺，可以轻易地将周边电路(如AGC、CDS、Timing generator等)集成到传感器芯片中，因此可以节省外围芯片的成本；除此之外，由于CCD采用电荷传递的方式传送数据，只要其中有一个象素不能运行，就会导致一整排的数据不能传送，因此控制CCD传感器的成品率比CMOS传感器困难许多，即使有经验的厂商也很难在产品问世的半年内突破50%的水平，因此，CCD传感器的成本会高于CMOS传感器。 不过，随着CCD与CMOS传感器技术的进步，两者的差异有逐渐缩小的态势，例如，CCD传感器一直在功耗上作改进，以应用于移动通信市场；CMOS传感器则在改善分辨率与灵敏度方面的不足，以应用于更高端的图像产品。 2.1.1.3 CCD/CMOS传感器存在的主要问题 以目前的技术情形来看，CCD和CMOS都还不是完美无缺的，在某些情况下都有可能产生一些画面的问题，如开花模糊现象（Bloom）；还有一些现象是某种传感器特有的现象，如CCD 可能会出现一种叫做 Smear (遇强光产生光条) 的现象，俗称漏光；而CMOS 则有 Skew/Wobble/Partial Exposure (歪斜/抖动/部分曝光) 的问题，俗称果冻现象。 1) Bloom现象 Bloom现象是指画面中有太阳或者照明灯等因为物体的光过于明亮，超出了图像传感器处理的容量限制而发生的一种亮物体周围被光晕包围的现象。如下图所示。 Bloom现象 这种现象的主要成因可以用下图形象的表示。传感器感光单元依靠势阱来储存光电效应生成的电子，就像一个个的小容器，它们的容量是有一定限制的，当某些容器装满后，如果继续有电子注入的话，它们就会向周围的容器溢出，离已装满容器越近的所受影响越大，越远的越小，在图像上直观的表现就是光晕。 图表 Bloom成因示意图 2) Smear现象 Smear现象是CCD传感器特有的现象。它是指在CCD在拍摄高亮或强反光物体时，画面出现垂直亮线的现象，如下图所示。它的根本原因和Bloom现象相似，也是由于能量太大，导致CCD感光器件中电子势阱的电子溢出，但由于CCD传感器的特殊结构，造成溢出的电子上下流动而形成了图像上的亮条。 smear现象 目前，CCD可以用行间转移(ILT)的方式smear问题的。在这种模式下，每个像素被分为感光区和电荷转移区，电荷转移区不感光，这样在曝光结束时先将电荷一次性转移到转移区，再读出，这样读出过程就没有电荷积分，就不会产生因电子运动而引起的Smear现象。但显然ILT方式减少了像素的感光面积，降低了灵敏度。 3) Skew/Wobble/Partial Exposure现象 CMOS 因为工作方式不同，不会有Smear的问题，但却有Skew/Wobble/Partial Exposure的问题，这是因为目前多数CMOS相机的制造厂商采用的是卷帘式快门(rolling shutter)，而不是全局式快门(global shutter) 设计的关系。 Rollingshutter通常采用的结构，每次仅对一行像素进行曝光控制，即一行曝光后再对下一行进行曝光，这样如果目标物体是运动的或相机与物体有相对运动时就会出现如下图所示的情形，相对运动越剧烈，现象越明显；如果相机和物体相对水平方向晃动的话，甚至会出现物体成波浪样扭曲的情况。 Skew/Wobble/Partial Exposure现象 要解决卷帘快门带来的果冻现象，可采用全局快门（globalshutter），但全局快门要采用更多的晶体管，同样减小了感光面积，对灵敏度有较大的影响。 2.1.1.4 CCD/CMOS发展趋势 尽管 CCD 在影像品质等各方面均优于CMOS，但不可否认的CMOS具有低成本、低耗电以及高整合度的特性。 CMOS的低成本和稳定供货，成为厂商的最爱，也因此其制造技术不断地改良更新，使得 CCD 与 CMOS 两者的差异逐渐缩小。新一代的CCD以耗电量减少作为改进目标， CMOS系列，则开始朝向大尺寸面积与高速影像处理芯片集成，借助后续的影像处理修正噪点以提高画质表现，目前高速影像处理芯片已经可以胜任高像素 CMOS 所产生的影像。除此之外，还有背照式CMOS技术的问世，可大大提高CMOS的灵敏度水平，CMOS未来跨足高阶的影像市场产品，前景可期。 相较于CMOS的急起直追，CCD厂商也加快步伐进行新技术开发，不断进行耗电量的改善，甚至有厂商宣称其CCD传感器组件的耗电量只有35mW，单就耗电量而言，该CCD已经超越CMOS平均40~80mW的水平。 值得一提的是国内CCD图像传感器的研制工作也在稳步地进行。目前在实验室已做出了从3232到756581、800800等多种CCD图像传感器器件，基本上形成了系列化产品。由于受经费、设备等因素影响，国内CCD图像传感器的研究进展尚不够迅速，目前还没有生产能力，与国际先进水平相比差距很大。据悉，信息产业部下属研究所目前已从美国和俄罗斯引进可见光和红外CCD芯片生产线并开展试验工作，这将大大促进我国CCD芯片的产业化进程。 总之，图像传感器的发展趋势就是：更大的面积，更高的分辨率，更高的感光度或灵敏度，更宽的动态范围，更高的集成度，更低的功耗，以适应更广泛的应用领域及更灵活的应用方式。 2.1.2 摄像机硬件方案知识 从事安防行业，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/CMOS的搭配（根据DSP的型号和高解或低解的CCD搭配）。摄像机方案目前都弄得神神秘秘的，资料也不多见，相信大家一听说摄像方案就觉得头大，是高手才能掌握的知识，市场也鱼目混珠。现在先弄清楚摄像机的结构，如下图： 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： 1. CCD：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。 2. 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。 3. 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）。 4. DSP： Digital Signal Processor（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