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攝像機(jī)靈敏度/最低照度知多少

作為一種電子設(shè)備, 如果按照“黑盒子”的觀點(diǎn)來看,攝像機(jī)可以大略認(rèn)為是一個(gè)將“光影”轉(zhuǎn)換為“電子信號(hào)”的“光/電轉(zhuǎn)換器”,接受到輸入的光線,就可以輸出視頻電子信號(hào)。下面,就有關(guān)可能存在于安防監(jiān)控工作者心中的部分問題,從“概念描述”和“相關(guān)問答”兩方面來進(jìn)行探討,供大家參考。
資訊頻道文章B

攝像機(jī)作為一種電子設(shè)備, 如果按照“黑盒子”的觀點(diǎn)來看,可以大略認(rèn)為是一個(gè)將“光影”轉(zhuǎn)換為“電子信號(hào)”的“光/電轉(zhuǎn)換器”,接受到輸入的光線,就可以輸出視頻電子信號(hào)。

但攝像機(jī)遠(yuǎn)不是以上簡(jiǎn)單描述可以概括的,由于攝像機(jī)的輸入光線(使用環(huán)境、附件)、內(nèi)部條件(功能設(shè)定)等相關(guān)因素比較復(fù)雜,又相互作用影響,因此在實(shí)際應(yīng)用中造成安防監(jiān)控工作者心中較多困惑,存在諸多有關(guān)轉(zhuǎn)換效率的問題有待解答,這些問題涉及攝像機(jī)的靈敏度、最低照度、實(shí)際工程應(yīng)用方法等諸多方面。

下面,就有關(guān)可能存在于安防監(jiān)控工作者心中的部分問題,從“概念描述”和“相關(guān)問答”兩方面來進(jìn)行探討,供大家參考。

概念描述\

靈敏度的概念

靈敏度一般是指某種信號(hào)輸入電子設(shè)備后產(chǎn)生的輸出信號(hào)的變化程度,是一種可衡量的值,這種值可能是一個(gè)直接的數(shù)值,也可以沒有單位,是倍數(shù)或某種對(duì)應(yīng)的關(guān)系。\r\n例如電子耳機(jī),耳機(jī)的靈敏度反映的是在同樣的響度下,需要輸入的電信號(hào)功率的大小。耳機(jī)靈敏度越高所需要輸入的功率越小,在同樣功率的音源下輸出的聲音越大。所以耳機(jī)的靈敏度是以輸入功率與輸出聲音的聲壓級(jí)的比例(組合單位)來判定的,比如3分貝/每毫伏。\r\n同理,當(dāng)談及攝像機(jī)時(shí),靈敏度是指在同樣的輸出視頻電子信號(hào)的幅度下,需要輸入的光強(qiáng)度的大小。攝像機(jī)靈敏度越高,在輸出相同幅度視頻信號(hào)的情況下,所需要輸入的光功率(即照度)就越??;或者可以說在同樣照度的環(huán)境下,能夠輸出的視頻信號(hào)幅度更大。不同的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)`敏度標(biāo)注是不同的,比如:\r\n通用攝像機(jī)靈敏度標(biāo)注:20Lux/每毫伏。\r\n廣播電視攝像機(jī)標(biāo)注:f=14/(2000Lux照度)。\r\n安防監(jiān)控?cái)z像機(jī)標(biāo)注:0.6 lux / (F1.2,50%基準(zhǔn),AGC 20dB,正??扉T)。

最低照度的定義

最低照度是一個(gè)相對(duì)值,攝像機(jī)生產(chǎn)廠商的概念是在保證攝像機(jī)整機(jī)信噪比的前提下,在可以接受的視頻信號(hào)幅度上,為拍攝環(huán)境提供的最低照度。例如,日本行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中指在保證視頻電平幅度為350毫伏(mv)時(shí),標(biāo)準(zhǔn)被拍攝物體對(duì)攝像機(jī)標(biāo)準(zhǔn)鏡頭施加的(反射至鏡頭的)最低光線的照度。單位是Lux,附加條件是使用標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試設(shè)備及標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試環(huán)境。\r\n最低照度值在相同的測(cè)試條件下,自然是越低越好。如果不是或不明確是否采用相同的測(cè)試條件,則沒有可比性,沒有任何意義。

問與答

涉及攝像機(jī)基礎(chǔ)理論的有關(guān)問題

問:一旦輸入光線,攝像機(jī)就一定相應(yīng)地能夠產(chǎn)生視頻電子信號(hào)輸出嗎?

答:在一定照度范圍內(nèi),攝像機(jī)接受光線后就會(huì)輸出電子視頻信號(hào),輸入光線增強(qiáng),輸出的電子信號(hào)強(qiáng)度就會(huì)相應(yīng)增強(qiáng)。要強(qiáng)調(diào)是在一定的范圍內(nèi),超出這個(gè)范圍,過低則沒有圖像輸出,過高則為全白,無法表現(xiàn)層次。

問:光線極暗或極亮?xí)r,攝像機(jī)也能輸出電子信號(hào)嗎?如果不是,會(huì)有限制嗎?是什么原因?

答:光線極暗或極亮?xí)r,攝像機(jī)也能輸出電子信號(hào),但可能沒有意義。

第一種情況是:當(dāng)輸入光線低于某一特定值時(shí),攝像機(jī)不會(huì)輸出有意義的圖像信息,現(xiàn)象是輸出的圖像為全部黑暗,沒有有效的圖像輪廓顯示出來。產(chǎn)生這一特定臨界值的環(huán)境的照度,我們稱為攝像機(jī)“底環(huán)境照度值”,簡(jiǎn)稱“底照度”值。

視頻信號(hào)底照度的臨界電平一般在0mV至50mV之間(主要受攝像機(jī)本身信噪比影響)。“底照度”值與最低照度概念看似相似,其實(shí)沒有關(guān)系。決定“底照度”值的主要因素是鏡頭的光圈(光通量)及CCD(或CMOS)感光器件的靈敏度及信噪比,次要的因素是攝像機(jī)的工作性能(增益、快門、數(shù)字信號(hào)處理等)。\r\n

第二種情況是:當(dāng)輸入光線高于某一特定值時(shí),攝像機(jī)輸出的圖像的亮度不會(huì)再增加。其表現(xiàn)是輸出圖像中部分(或全部)高亮度區(qū)域?yàn)槿琢翂K,區(qū)域內(nèi)看不到任何層次及細(xì)節(jié),甚至白亮的區(qū)域超出應(yīng)有的邊界。產(chǎn)生這一特定臨界值的環(huán)境的照度,我們稱為攝像機(jī)“最高環(huán)境照度值”,簡(jiǎn)稱“上限照度”值,一般在講到動(dòng)態(tài)范圍的概念時(shí)會(huì)提及。視頻信號(hào)波形的上限照度的臨界電平一般在700mV至770mV之間。

決定“最高照度”值的主要因素是攝像機(jī)CCD(或CMOS)感光器件的原始感光范圍及攝像機(jī)內(nèi)部電路的處理帶寬,次要因素是攝像機(jī)整體的動(dòng)態(tài)范圍有關(guān)功能。\r\n

問:輸入光線的亮度與輸出信號(hào)的強(qiáng)度之間有對(duì)應(yīng)關(guān)系嗎?是等比增加嗎?

答:在有效視頻幅度范圍(有效動(dòng)態(tài)范圍)內(nèi),攝像機(jī)接受光線后就會(huì)相應(yīng)輸出電子視頻信號(hào),是接近的線性表現(xiàn)(圖中傾斜上升的直線段),低于底電平則沒有有效輸出(圖中左下方?jīng)]有數(shù)值的空白區(qū)域),高于上限電平增則不再增加輸出(圖中右上角的平直、沒有增量的直線)。

問:至少輸入多亮的光線才會(huì)有電子信號(hào)輸出?\r\n答:當(dāng)(至少)輸入光線所產(chǎn)生的電子信號(hào)的幅度超過攝像機(jī)本身噪波的幅度以后,攝像機(jī)輸出的視頻信號(hào)中才可以觀察到有用的信息。但這個(gè)值并不是最低照度,概念不同,容易混淆。\r\n

對(duì)比采購、安裝調(diào)試涉及的實(shí)際問題

問:什么因素會(huì)影響攝像機(jī)的靈敏度?如何提高攝像機(jī)的靈敏度?

答:理論上說,影響攝像機(jī)靈敏度的因素較多,分為有利因素和不利因素兩類。要提高攝像機(jī)的靈敏度,原則上應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)有利因素,降低不利因素。建議調(diào)整方法如下:\r\n1、環(huán)境因素:盡量提高被拍攝物體的反射亮度或增加光源亮度是最根本的手段。\r\n2、當(dāng)無法提高被拍攝環(huán)境(物體)亮度的時(shí)候,建議調(diào)整以下諸項(xiàng),另請(qǐng)參照后述有關(guān)調(diào)整設(shè)定注意事項(xiàng)的問題。\r\n·附件因素:鏡頭的最大光圈及內(nèi)部基準(zhǔn)電平設(shè)置;\r\n·機(jī)內(nèi)因素:機(jī)內(nèi)有利因素,攝像機(jī)內(nèi)部可提高靈敏度的各項(xiàng)功能應(yīng)當(dāng)盡量加以利用,如光圈基準(zhǔn)、增益、曝光時(shí)間、平峰比(A:V)等;機(jī)內(nèi)不利因素,攝像機(jī)內(nèi)部會(huì)干擾或衰減靈敏度的附加功能應(yīng)當(dāng)盡量不用(關(guān)閉)或弱化其對(duì)靈敏度的影響,如白平衡、輪廓強(qiáng)調(diào)、伽瑪矯正、背光補(bǔ)償、動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展等。

問:如何通過閱讀說明書中的有關(guān)指標(biāo)來判斷攝像機(jī)性能的優(yōu)劣?

答:當(dāng)然是說明書標(biāo)稱的最低照度指標(biāo)越低,攝像機(jī)的靈敏度越高,性能越強(qiáng)。但是,如果這些指標(biāo)僅僅是簡(jiǎn)單的一個(gè)數(shù)字,沒有任何意義,則不應(yīng)當(dāng)輕信。例如日本JVC公司生產(chǎn)的TK-C1481BEG攝像機(jī)的最低照度值標(biāo)稱如下:

 

\r\n \r\n \r\n \r\n
\r\n \r\n \r\n \r\n \r\n \r\n \r\n \r\n \r\n \r\n \r\n \r\n \r\n \r\n \r\n \r\n \r\n \r\n \r\n \r\n \r\n \r\n \r\n \r\n \r\n \r\n \r\n \r\n \r\n \r\n \r\n \r\n \r\n \r\n \r\n \r\n
TK-C1481BEG攝像機(jī)的最低照度值標(biāo)稱
0.6 lux(F1.2 , 50% 基準(zhǔn), AGC 20dB ,正常快門)
0.3 lux( F1.2 , 25% 基準(zhǔn), AGC 開啟, 20dB ,正??扉T)
0.3 lux(F1.2 , 50% 基準(zhǔn), AGC 開啟, 20dB ,正??扉T,低照度功能開啟)
0.15lux(F1.2 , 25% 基準(zhǔn), AGC 開啟, 20dB ,正??扉T,低照度功能開啟)
0.02 lux(F1.2 , 50% 基準(zhǔn), AGC 開啟, 20dB , 32 倍快門功能開啟)
0.01 lux(F1.2 , 25% 基準(zhǔn), AGC 開啟, 20dB , 32 倍快門功能開啟)
0.01 lux (F1.2 , 50% 基準(zhǔn), AGC 開啟, 20dB , 32 倍快門 & 低照度功能開啟 )
0.005 lux (F1.2 , 25% 基準(zhǔn), AGC 開啟, 20dB , 32 倍快門 & 低照度功能開啟 )

\r\n上述指標(biāo)中前邊的數(shù)字是在后邊括號(hào)中的測(cè)試條件下、采用經(jīng)過校準(zhǔn)的專用儀器測(cè)量出的結(jié)果,所以同樣一臺(tái)攝像機(jī)得到的數(shù)據(jù)卻大相徑庭,甚至相差幾百倍,例如最后一行的0.005lux是一個(gè)極限值,在實(shí)際使用中基本上沒有意義,但卻遠(yuǎn)比第一行的0.6lux吸引人。其實(shí)他們指的是相同的一臺(tái)攝像機(jī)。\r\n所以沒有測(cè)試環(huán)境的基本標(biāo)注或指明遵照那種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),則任何測(cè)試指標(biāo)都沒有意義。因?yàn)?,任何?shù)據(jù)的測(cè)試都來源于某些相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試環(huán)境,這種測(cè)試環(huán)境由標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試工具和標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試流程構(gòu)成的。\r\n\r\n問:設(shè)備廠商之間的標(biāo)準(zhǔn)是相同的嗎?會(huì)有公司魚目混珠嗎?\r\n答:標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一,有一些公司利用用戶及經(jīng)銷商技術(shù)力量不完備的弱點(diǎn),虛報(bào)指標(biāo)(或者不明確標(biāo)注測(cè)試環(huán)境/方法)、借以提高身價(jià)。

我國國內(nèi)至今尚沒有對(duì)安防用途的CCD攝像機(jī)單機(jī)性能進(jìn)行檢測(cè)的國家標(biāo)準(zhǔn),行業(yè)內(nèi)部一般參照早期CCIR 601 PAL制式電視攝像機(jī)的標(biāo)準(zhǔn),日本視頻設(shè)備的制造公司一般遵照日本國內(nèi)的JCE行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),而歐洲及北美則執(zhí)行IEEE委員會(huì)相應(yīng)制式的標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)的原理及測(cè)試方法基本相同,但指標(biāo)的判讀不完全一樣。\r\n<0>所以可以認(rèn)為在國內(nèi)市場(chǎng)上來自不同廠商及地域的攝像機(jī)產(chǎn)品沒有完全統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。但是,出自同一權(quán)威機(jī)構(gòu)的測(cè)試報(bào)告因?yàn)閷?duì)所有公司及所有產(chǎn)品采用相同的測(cè)試方法,因而具有較強(qiáng)的評(píng)價(jià)意義。

問:攝像機(jī)的最低照度是如何測(cè)量出來的?

答:

攝像機(jī)最低照度測(cè)量圖示

測(cè)試環(huán)境:一般是在全黑的暗室或暗箱中,使用恒定32000K色溫、可以調(diào)節(jié)亮度的光源照射標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試拍攝物(測(cè)試卡),攝像機(jī)安裝標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試鏡頭(一般為f=1.0或發(fā)=1.2),放置于標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試位置(適當(dāng)高度計(jì)角度),機(jī)內(nèi)按照標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定涉及高靈敏度的功能(主要為增益、快門等),采用標(biāo)準(zhǔn)電纜,復(fù)合視頻信號(hào)輸出連接到標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試儀表上(波形監(jiān)視器及視頻監(jiān)視器)。另準(zhǔn)備測(cè)光表(反射式照度計(jì))置于測(cè)試卡上,隨時(shí)測(cè)量讀取照射到測(cè)試卡上照度。\r\n測(cè)試方法:令攝像機(jī)及整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)中的所有設(shè)備預(yù)熱半小時(shí)。調(diào)整照明燈具亮度,讀取測(cè)光表顯示值,令測(cè)試卡表面照度為2000 lux。此時(shí)確認(rèn)波形監(jiān)視器上視頻信號(hào)的上限幅度為700 mv左右,視為100%視頻電平。緩慢調(diào)整降低燈具亮度(調(diào)暗),觀察波形監(jiān)視器上視頻信號(hào)的幅度會(huì)隨之下降,當(dāng)視頻信號(hào)的幅度下降至50%視頻電平(700 mv X 50% =350 mv)時(shí),停止降低光源亮度,讀取測(cè)光表的數(shù)值,例如測(cè)光表讀數(shù)為1.5 lux,則可以針對(duì)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)及測(cè)試環(huán)境定義為:\r\n最低(相對(duì)拍攝環(huán)境)照度為1.5 lux 。(基本測(cè)試條件為 鏡頭光圈F1.2、50%視頻幅度基準(zhǔn),AGC功能開啟并設(shè)定為開啟20dB,正常1/50秒快門)。

問:如何辨別及比較不同產(chǎn)品之間的優(yōu)劣?

答:如果嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境、條件及流程進(jìn)行測(cè)試,那是生產(chǎn)廠商及檢測(cè)機(jī)構(gòu)的事情,作為用戶及銷售商沒有條件、也沒有必要。實(shí)際應(yīng)用中的主要測(cè)試是為了比較不同廠商、型號(hào)產(chǎn)品之間的差別,判別優(yōu)劣,所以不采用標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境和設(shè)備,照樣可以進(jìn)行。

在不同產(chǎn)品之間進(jìn)行比較,只要采用相同的環(huán)境及附件,內(nèi)部功能設(shè)置為相同,參照上述標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法,采用高質(zhì)量的視頻監(jiān)視器(必須有能力表現(xiàn)出圖像的差別),利用肉眼進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)就可以了,這樣對(duì)不同廠商也是公平合理的。本人在產(chǎn)品的銷售工作種就經(jīng)常利用調(diào)光臺(tái)燈、廢舊紙箱等工具現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。

問:系統(tǒng)設(shè)計(jì)、設(shè)備選型、安裝調(diào)試時(shí)的簡(jiǎn)要注意事項(xiàng)?

答:關(guān)于設(shè)計(jì)、選型,在進(jìn)行針對(duì)攝像機(jī)靈敏度/最底照度的選型時(shí),首先不要考慮設(shè)備的能力,而應(yīng)當(dāng)利用各種手段盡量提高拍攝環(huán)境的照度,例如:改變被攝物體的顏色和光潔度(粘貼反光條、涂刷反光或淡色涂料)、增加直接照射光源(增加泛光照明或設(shè)置補(bǔ)光燈)、增加可以反射自然光的反射物(設(shè)置反射墻或改變拍攝位置)等等。上述手段均無法采用時(shí)再來挖掘攝像機(jī)及鏡頭的功能。\r\n關(guān)于配置及調(diào)試:⑴附件因素:在預(yù)算允許的情況下,盡量選用大光圈的鏡頭。另外應(yīng)盡量選用倍數(shù)小的變焦鏡頭或采用定焦鏡頭。攝像機(jī)內(nèi)部電子光圈鏡頭的基準(zhǔn)電平也應(yīng)盡量設(shè)定得低一些;⑵機(jī)內(nèi)因素:機(jī)內(nèi)有利因素,攝像機(jī)內(nèi)部有一些可提高靈敏度的各項(xiàng)功能,應(yīng)當(dāng)盡量加以利用,如盡量開大光圈、提高增益(AGC)、盡量延長曝光時(shí)間(SLOW SHUTTER)、適當(dāng)選用平峰比(A:V)等;機(jī)內(nèi)不利因素:攝像機(jī)內(nèi)部有一些附加功能會(huì)干擾或衰減靈敏度,如果條件允許的情況下,應(yīng)當(dāng)盡量不用(關(guān)閉)或弱化其對(duì)靈敏度的影響,例如減小白平衡、輪廓強(qiáng)調(diào)、伽瑪矯正等模擬電路造成的衰減及背光補(bǔ)償、動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展等數(shù)字處理失真等等。

結(jié)語\

攝像機(jī)內(nèi)部功能多種多樣,因廠商及產(chǎn)品而異,以上問答僅為涉及靈敏度、低照度的部分信息,需要在熟悉攝像機(jī)及附件的功能的技術(shù)基礎(chǔ)上,結(jié)合系統(tǒng)其它需求(例如色彩、信噪比等)因素,綜合調(diào)整設(shè)定。

攝像機(jī)是一個(gè)復(fù)雜功能的集合體,在工程應(yīng)用中,外界環(huán)境及內(nèi)部功能之間因果互動(dòng),其表現(xiàn)斑斕多彩。由于篇幅所限,諸多相關(guān)因素及相關(guān)影響未及完整表達(dá),不足及謬誤之處望各位讀者海涵,歡迎來信或電郵與本人共同探討。

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