监控：CCD技术为安防时代带来了什么？

　　CCD，是英文Charge Coupled Device 即电荷耦合器件的缩写，它是一种特殊半导体器件，上面有很多一样的感光元件，每个感光元件叫一个像素。CCD由许多感光单位组成，通常以百万像素为单位。当CCD表面受到光线照射时，每个感光单位会将电荷反映在组件上，所有的感光单位所产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面。CCD使用一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号，数字信号经过压缩以后由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存，因而可以轻而易举地把数据传输给计算机，并借助于计算机的处理手段，根据需要和想像来修改图像。　　

CCD在摄像机中的的发展

　　CCD摄像机的迅速发展，对摄像镜头提出了更高的要求，在CCD摄像机中，CCD片直接固定在分光棱镜上，虽然精度很高，但一经固定就不能移动。它不能象摄像管那样可前后微调位置，以减少镜头纵向色散像差的影响。又因为CCD的信号输出是靠时钟脉冲驱动电荷转移而得到的，不像摄像管中，依靠电子束的连续扫描来拾取信号，所以对镜头的横向色散引起的重合误差亦无法校正，因此要求在镜头的设计阶段就将色散校正到最低限度。

　　CCD摄像机镜头的光学玻璃质量应更好，并精确计算好R、G、B的成像面位置。近期又推出内聚焦式镜头。以往的外聚焦式是聚焦组透镜在镜头的最前方，调焦时可前后移动，前面遮光罩也随之旋转。而内聚焦方式是聚焦组镜头分固定和可移动两部分，固定部分在前，可移动部分在后，调焦时变焦距镜头前端(连同遮光罩)固定不动，而后面可移动部分移动，这种方式结构复杂些，机械精度要求高，但可做到最合适的像差校正。因为内聚焦式镜头在调焦时前端固定不动，所以可将遮光罩做成画面形状的矩形。

　　这样可充分通过有效光线而遮挡无用光线，与图形遮光罩相比，可减轻杂散光的影响，并且便于安装有确定位置关系的各种滤光镜，如偏光镜、交叉光镜和半彩色滤光镜等。调焦时，用它们所得出的画面效果不会改变。另外还有可移动部分镜片少，重量轻，操作方便，电机驱动时省电、调焦速度快等优点。

CCD摄像器件杂谈

　　D摄像器件进入广播电视领域后，发展迅速，每年都有改进，新的CCD摄像机不断问世。CCD的缺点不断克服，性能不断提高，在灵敏度方面已超过摄像管摄像机一档光圈，水平分解力达700电视线以上，信杂比达60dB以上，重合精度达到小于0.05%，几何失真达到测不出的程度，彩色还原赶上氧化铅管摄像机。

　　CCD垂直拖尾、固定图形杂波和网纹干扰等缺点也正在克服。CCD摄像机的发展关键是CCD器件的不断创新。第一代FT(帧转移)式CCD是FT-4，每行600有效像素;第一代IT(行间转移)式CCD每行500个有效像素。1986年第一代CCD应用于专业摄像机，灵敏度低、在标准条件下光圈F4、网纹干扰明显且垂直拖尾色偏红较严重。第二代FT CCD是FT-5，每行有效像素784个;第二代IT式CCD是空穴积累二极管传感器CCD，每行有效像素786个。1989年第二代CCD应用于CCD摄像机，其灵敏度为F5.6，水平分解力达700电视线。第二代CCD有了空穴积累层，使暗电流减小到原来的1/10，减小了像素面积，提高了像素密度，并减轻了垂直拖尾，使拖尾不再发红。第三代CCD 1991年应用于CCD摄像机，其特点是提高了灵敏度，比第二代CCD摄像机减小了一档光圈，IT式CCD的第三代称为高精度空穴积累二极管CCD(Hyper HAD CCD)，用它可使摄像机的光圈减小到F8.0。第三代CCD的结构与第二代CCD基本相同，不同的是在它表面上增加了一层微透镜，称为片上透镜，在传感器上为凸透镜，在垂直转移寄存器上为凹透镜，这样可使较多的入射光聚集到传感器上，从而提高了灵敏度，也减少了漏进垂直转移寄存器上的光，进而减轻了垂直拖尾。用这种CCD摄像机拍摄时，光圈不用太大，景深可大些，低照度下图像杂波较小，信杂比提高，也有利于提高电子快门速度。但片上微透镜也有一些缺点：一是会使“空间像素偏置”效果降低，因而影响了静止图像的清晰度;二是在因照度低而加大光圈时，入射到微透镜上的远轴光线不能聚焦到感光面上，使灵敏度受影响，也会使垂直拖尾加重。第四代CCD，1992年第四代CCD摄像机投入使用，其特点是高分解力，其典型产品是Hyper HAD 100型FIT(帧行间转移)式CCD，有效像素为980×582=570360个，高达62万像素，高清晰度电视(HDTV)摄像机所用的CCD像素达200万。

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      最近又出现了Power HAD CCD。过去的Hyper HAD CCD安装的片上透镜大大改善了摄像机的性能。Power HAD CCD技术是在此基础上应用了最新的电路处理技术，其传感器进一步减小了垂直拖尾，扩展了画面创作的自由度，灵敏度也相应提高，在光线较暗的环境下，良好的信噪比使我们仍然可以获得出色的画面。例如SONY的数字Betaeam摄像机DVW—709 WSP和DVW—790 WSP的灵敏度达F9.0光圈;而DVW—707P的灵敏度达F10光圈，它们都安装了Power HAD CCD单元。高灵敏度CCD和超级增益电路(如+48dB)，使新型的数字Betacam摄像机在低于0.2Lux的光线下也可以进行拍摄，其对色彩的识别能力甚至超过人眼的识别能力。又例如SONY最新开发的BVP-570演播室摄像机，应用Power HAD 1000型CCD，有4∶3和16∶9两种格式，62万像素，信杂比63dB，灵敏度F8.0光圈、 拖尾电平为-145dB(FIT型)和-120dB(IT型)。

CCD造就先进的视频处理技术　　

　　由于镜头、分光系统和摄像器件的特性都不是理想的，所以经过CCD光电转换产生的信号不仅很弱，而且有很多缺陷，如图像细节信号弱、亮度不均匀、彩色不自然等，必须经过视频信号处理放大器对图像信号进行放大和校正，否则所拍摄出来的图像就会质量不高。视频处理放大器包括：黑斑校正、增益控制和调节、自动白平衡、γ预校正、彩色校正、轮廓校正、γ校正、杂散光校正、黑电平控制、自动黑平衡、混消隐、白切割等，较先进的摄像机还有自动拐点，色度孔阑、超高带孔阑、软轮廓、黑扩展、黑压缩、超级彩色电路等。

　　数字信号处理摄像机则由模拟处理部分和数字处理部分组成，CCD输出的图像信号经过预放后进入模拟处理部分，完成黑斑补偿、自动黑/白平衡、杂散光校正、白斑补偿、增益控制、γ预校正等，这些部分如果也采用数字处理，则要求信号量化数用13比特，否则将出现数/模转换中量化比特数低的问题。除以上部分外，后面部分用10比特量化进行数字处理，包括彩色校正、轮廓校正、γ校正、混消隐、白切割、色度孔阑、二维滤波、数据检测、编码矩阵、彩条发生器。其主控器由微型机和ROM、RAM、数/模转换电路等组成。

数字信号处理摄像机具有如下优点：

　　稳定性和高可靠性，数字信号处理受温度影响小、干扰小，数字处理容易做成大规模集成电路，各种参数存储在存储器里，调节时采用数字设定、微机控制，取消了大量的调节电位器，减少了调节点，也减少了调节量，并可长时间保持不变，所以其稳定性和可靠性大大提高。

　　图像质量提高，许多在模拟处理中无法进行的工作可以在数字处理中进行，例如二维数字滤波、肤色轮廓校正、细节补偿频率微调、准确的彩色矩阵、精确的γ校正等，这些处理都提高了图像质量。

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      调节精确灵活，各种调节是通过数字设定，比用电位器调节准确而容易。各台摄像机的参数差别是难免的，对于模拟摄像机很难使各台摄像机调节得一致，而用数字处理可通过均衡各参数值的方法把各摄像机之间的差别缩减到最小，可以用一个调节卡调节各台摄像机，并且摄像机的许多参数都可以调节和设定，设定的参数可很大范围内变化，调节量可迅速改变、存储和读取。

　　宽高比可变，可进行画面格式16∶9和4∶3变换。

　　人眼的视觉对图像和亮度有很宽的动态范围，人眼对高亮度和黑暗部分的景像细节都看得清楚，然而用摄像机拍摄高反差的图像时，若调整光圈大小适合于明亮部分，则暗部分的层次细节就很难重现出来，反之亦然。为了扩大摄像机的动态范围，都采取了白压缩、自动拐点电路和黑扩展、黑压缩等先进技术。对高亮度图像把白切割电平提高到115%;在电平为(100～115)%部分采取白压缩的方法，使放大器增益减小，这样在入射光超过200%之后，输出电平才达到白切割电平，因此在入射光(100～200)%的范围内，其图像的亮度层次仍然重现出来，从而扩大了动态范围。白压缩开始作用的点即增益减小的起始点，称为拐点(KNEE POINT)。对于拍摄高对比度的景像，如逆光像，若把拐点设在比100%高得不多的电平处，动态范围还是不够的。若调节光圈使较暗的前景图像亮度合适时，则很亮的背景部分就完全失去了灰度层次而呈现一片白，反之亦然。为了提高动态范围，现代摄像机都采用了自动拐点(AUTO KNEE)电路，其拐点可随入射光的强度自动调节。当入射光增强时拐点自动降低，在拐点降低到85%时，入射光强度增高到600%，摄像机输出的信号电平仍不超过切割电平，即重现图像在高亮度处仍能显示出灰度层次，也就是摄像机的动态范围已由100%扩大到600%。但是传统的模拟摄像机，其拐点处理是红、绿、蓝各通道单独进行的。

　　由于拐点校正是一种非线性的处理过程，它又位于γ校正之后，当重新设定之后，色度、亮度和饱和度的平衡都会被改变，每一种拐点电路所处理的相关颜色的点都完全取决于画面的构成和色彩的平衡，因此当某一颜色处于转换曲线的非线性部分时(超过拐点部分)另一颜色可能仍处于线性部分(低于拐点部分)，在这种情况下画面中高亮度区域的色度信号会发生变化，色彩不能得到真实地再现。为了解决这个问题并改善画面的总体质量，新的数字摄像机增加了Trueye处理功能，其拐点处理是在γ校正之前用亮度、色调和饱和度来代替单独的红、绿、蓝信号进行处理，这样拐点校正就只对亮度信号有效，不会造成色调偏转，但饱和度会随着信号电平接近切割电平而慢慢降低，拐点饱和度功能可以将画面中被压缩处理的区域的饱和度恢复过来，使色彩饱和度真实地再现。黑扩展(BLACKSTRETCH)可以只提高低亮度处的电平，使暗处图像清晰地再现出来，而对亮处的图像信号电平没有影响，也不影响色度信号，不改变图像的色调，只使暗处的灰度层次较好地重现出来。黑压缩(BLACK PRESS)就是只降低暗处的亮度信号电平，不影响亮处的信号电平，也不影响色度和色调，它只使图像暗处的灰度层次受到压缩。

　　新型的数字Betacam摄像机应用新型的高精度12比特数/模转换处理芯片和先进的数字信号处理技术，不仅使画面的动态范围达到600%，而且色彩还原得到了增强。