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摄像机灵敏度/最低照度知多少

作为一种电子设备, 如果按照“黑盒子”的观点来看,摄像机可以大略认为是一个将“光影”转换为“电子信号”的“光/电转换器”,接受到输入的光线,就可以输出视频电子信号。下面,就有关可能存在于安防监控工作者心中的部分问题,从“概念描述”和“相关问答”两方面来进行探讨,供大家参考。
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摄像机作为一种电子设备, 如果按照“黑盒子”的观点来看,可以大略认为是一个将“光影”转换为“电子信号”的“光/电转换器”,接受到输入的光线,就可以输出视频电子信号。

但摄像机远不是以上简单描述可以概括的,由于摄像机的输入光线(使用环境、附件)、内部条件(功能设定)等相关因素比较复杂,又相互作用影响,因此在实际应用中造成安防监控工作者心中较多困惑,存在诸多有关转换效率的问题有待解答,这些问题涉及摄像机的灵敏度、最低照度、实际工程应用方法等诸多方面。

下面,就有关可能存在于安防监控工作者心中的部分问题,从“概念描述”和“相关问答”两方面来进行探讨,供大家参考。

概念描述\

灵敏度的概念

灵敏度一般是指某种信号输入电子设备后产生的输出信号的变化程度,是一种可衡量的值,这种值可能是一个直接的数值,也可以没有单位,是倍数或某种对应的关系。\r\n例如电子耳机,耳机的灵敏度反映的是在同样的响度下,需要输入的电信号功率的大小。耳机灵敏度越高所需要输入的功率越小,在同样功率的音源下输出的声音越大。所以耳机的灵敏度是以输入功率与输出声音的声压级的比例(组合单位)来判定的,比如3分贝/每毫伏。\r\n同理,当谈及摄像机时,灵敏度是指在同样的输出视频电子信号的幅度下,需要输入的光强度的大小。摄像机灵敏度越高,在输出相同幅度视频信号的情况下,所需要输入的光功率(即照度)就越小;或者可以说在同样照度的环境下,能够输出的视频信号幅度更大。不同的应用领域对灵敏度标注是不同的,比如:\r\n通用摄像机灵敏度标注:20Lux/每毫伏。\r\n广播电视摄像机标注:f=14/(2000Lux照度)。\r\n安防监控摄像机标注:0.6 lux / (F1.2,50%基准,AGC 20dB,正常快门)。

最低照度的定义

最低照度是一个相对值,摄像机生产厂商的概念是在保证摄像机整机信噪比的前提下,在可以接受的视频信号幅度上,为拍摄环境提供的最低照度。例如,日本行业标准中指在保证视频电平幅度为350毫伏(mv)时,标准被拍摄物体对摄像机标准镜头施加的(反射至镜头的)最低光线的照度。单位是Lux,附加条件是使用标准的测试设备及标准的测试环境。\r\n最低照度值在相同的测试条件下,自然是越低越好。如果不是或不明确是否采用相同的测试条件,则没有可比性,没有任何意义。

问与答

涉及摄像机基础理论的有关问题

问:一旦输入光线,摄像机就一定相应地能够产生视频电子信号输出吗?

答:在一定照度范围内,摄像机接受光线后就会输出电子视频信号,输入光线增强,输出的电子信号强度就会相应增强。要强调是在一定的范围内,超出这个范围,过低则没有图像输出,过高则为全白,无法表现层次。

问:光线极暗或极亮时,摄像机也能输出电子信号吗?如果不是,会有限制吗?是什么原因?

答:光线极暗或极亮时,摄像机也能输出电子信号,但可能没有意义。

第一种情况是:当输入光线低于某一特定值时,摄像机不会输出有意义的图像信息,现象是输出的图像为全部黑暗,没有有效的图像轮廓显示出来。产生这一特定临界值的环境的照度,我们称为摄像机“底环境照度值”,简称“底照度”值。

视频信号底照度的临界电平一般在0mV至50mV之间(主要受摄像机本身信噪比影响)。“底照度”值与最低照度概念看似相似,其实没有关系。决定“底照度”值的主要因素是镜头的光圈(光通量)及CCD(或CMOS)感光器件的灵敏度及信噪比,次要的因素是摄像机的工作性能(增益、快门、数字信号处理等)。\r\n

第二种情况是:当输入光线高于某一特定值时,摄像机输出的图像的亮度不会再增加。其表现是输出图像中部分(或全部)高亮度区域为全白亮块,区域内看不到任何层次及细节,甚至白亮的区域超出应有的边界。产生这一特定临界值的环境的照度,我们称为摄像机“最高环境照度值”,简称“上限照度”值,一般在讲到动态范围的概念时会提及。视频信号波形的上限照度的临界电平一般在700mV至770mV之间。

决定“最高照度”值的主要因素是摄像机CCD(或CMOS)感光器件的原始感光范围及摄像机内部电路的处理带宽,次要因素是摄像机整体的动态范围有关功能。\r\n

问:输入光线的亮度与输出信号的强度之间有对应关系吗?是等比增加吗?

答:在有效视频幅度范围(有效动态范围)内,摄像机接受光线后就会相应输出电子视频信号,是接近的线性表现(图中倾斜上升的直线段),低于底电平则没有有效输出(图中左下方没有数值的空白区域),高于上限电平增则不再增加输出(图中右上角的平直、没有增量的直线)。

问:至少输入多亮的光线才会有电子信号输出?\r\n答:当(至少)输入光线所产生的电子信号的幅度超过摄像机本身噪波的幅度以后,摄像机输出的视频信号中才可以观察到有用的信息。但这个值并不是最低照度,概念不同,容易混淆。\r\n

对比采购、安装调试涉及的实际问题

问:什么因素会影响摄像机的灵敏度?如何提高摄像机的灵敏度?

答:理论上说,影响摄像机灵敏度的因素较多,分为有利因素和不利因素两类。要提高摄像机的灵敏度,原则上应当加强有利因素,降低不利因素。建议调整方法如下:\r\n1、环境因素:尽量提高被拍摄物体的反射亮度或增加光源亮度是最根本的手段。\r\n2、当无法提高被拍摄环境(物体)亮度的时候,建议调整以下诸项,另请参照后述有关调整设定注意事项的问题。\r\n·附件因素:镜头的最大光圈及内部基准电平设置;\r\n·机内因素:机内有利因素,摄像机内部可提高灵敏度的各项功能应当尽量加以利用,如光圈基准、增益、曝光时间、平峰比(A:V)等;机内不利因素,摄像机内部会干扰或衰减灵敏度的附加功能应当尽量不用(关闭)或弱化其对灵敏度的影响,如白平衡、轮廓强调、伽玛矫正、背光补偿、动态范围扩展等。

问:如何通过阅读说明书中的有关指标来判断摄像机性能的优劣?

答:当然是说明书标称的最低照度指标越低,摄像机的灵敏度越高,性能越强。但是,如果这些指标仅仅是简单的一个数字,没有任何意义,则不应当轻信。例如日本JVC公司生产的TK-C1481BEG摄像机的最低照度值标称如下:

 

\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摄像机的最低照度值标称
0.6 lux(F1.2 , 50% 基准, AGC 20dB ,正常快门)
0.3 lux( F1.2 , 25% 基准, AGC 开启, 20dB ,正常快门)
0.3 lux(F1.2 , 50% 基准, AGC 开启, 20dB ,正常快门,低照度功能开启)
0.15lux(F1.2 , 25% 基准, AGC 开启, 20dB ,正常快门,低照度功能开启)
0.02 lux(F1.2 , 50% 基准, AGC 开启, 20dB , 32 倍快门功能开启)
0.01 lux(F1.2 , 25% 基准, AGC 开启, 20dB , 32 倍快门功能开启)
0.01 lux (F1.2 , 50% 基准, AGC 开启, 20dB , 32 倍快门 & 低照度功能开启 )
0.005 lux (F1.2 , 25% 基准, AGC 开启, 20dB , 32 倍快门 & 低照度功能开启 )

\r\n上述指标中前边的数字是在后边括号中的测试条件下、采用经过校准的专用仪器测量出的结果,所以同样一台摄像机得到的数据却大相径庭,甚至相差几百倍,例如最后一行的0.005lux是一个极限值,在实际使用中基本上没有意义,但却远比第一行的0.6lux吸引人。其实他们指的是相同的一台摄像机。\r\n所以没有测试环境的基本标注或指明遵照那种行业标准,则任何测试指标都没有意义。因为,任何数据的测试都来源于某些相对标准的测试环境,这种测试环境由标准的测试工具和标准的测试流程构成的。\r\n\r\n问:设备厂商之间的标准是相同的吗?会有公司鱼目混珠吗?\r\n答:标准不统一,有一些公司利用用户及经销商技术力量不完备的弱点,虚报指标(或者不明确标注测试环境/方法)、借以提高身价。

我国国内至今尚没有对安防用途的CCD摄像机单机性能进行检测的国家标准,行业内部一般参照早期CCIR 601 PAL制式电视摄像机的标准,日本视频设备的制造公司一般遵照日本国内的JCE行业标准,而欧洲及北美则执行IEEE委员会相应制式的标准。这些标准的原理及测试方法基本相同,但指标的判读不完全一样。\r\n<0>所以可以认为在国内市场上来自不同厂商及地域的摄像机产品没有完全统一的标准。但是,出自同一权威机构的测试报告因为对所有公司及所有产品采用相同的测试方法,因而具有较强的评价意义。

问:摄像机的最低照度是如何测量出来的?

答:

摄像机最低照度测量图示

测试环境:一般是在全黑的暗室或暗箱中,使用恒定32000K色温、可以调节亮度的光源照射标准测试拍摄物(测试卡),摄像机安装标准测试镜头(一般为f=1.0或发=1.2),放置于标准测试位置(适当高度计角度),机内按照标准设定涉及高灵敏度的功能(主要为增益、快门等),采用标准电缆,复合视频信号输出连接到标准测试仪表上(波形监视器及视频监视器)。另准备测光表(反射式照度计)置于测试卡上,随时测量读取照射到测试卡上照度。\r\n测试方法:令摄像机及整个测试系统中的所有设备预热半小时。调整照明灯具亮度,读取测光表显示值,令测试卡表面照度为2000 lux。此时确认波形监视器上视频信号的上限幅度为700 mv左右,视为100%视频电平。缓慢调整降低灯具亮度(调暗),观察波形监视器上视频信号的幅度会随之下降,当视频信号的幅度下降至50%视频电平(700 mv X 50% =350 mv)时,停止降低光源亮度,读取测光表的数值,例如测光表读数为1.5 lux,则可以针对测试标准及测试环境定义为:\r\n最低(相对拍摄环境)照度为1.5 lux 。(基本测试条件为 镜头光圈F1.2、50%视频幅度基准,AGC功能开启并设定为开启20dB,正常1/50秒快门)。

问:如何辨别及比较不同产品之间的优劣?

答:如果严格按照标准环境、条件及流程进行测试,那是生产厂商及检测机构的事情,作为用户及销售商没有条件、也没有必要。实际应用中的主要测试是为了比较不同厂商、型号产品之间的差别,判别优劣,所以不采用标准环境和设备,照样可以进行。

在不同产品之间进行比较,只要采用相同的环境及附件,内部功能设置为相同,参照上述标准测试方法,采用高质量的视频监视器(必须有能力表现出图像的差别),利用肉眼进行主观评价就可以了,这样对不同厂商也是公平合理的。本人在产品的销售工作种就经常利用调光台灯、废旧纸箱等工具现场进行对比测试。

问:系统设计、设备选型、安装调试时的简要注意事项?

答:关于设计、选型,在进行针对摄像机灵敏度/最底照度的选型时,首先不要考虑设备的能力,而应当利用各种手段尽量提高拍摄环境的照度,例如:改变被摄物体的颜色和光洁度(粘贴反光条、涂刷反光或淡色涂料)、增加直接照射光源(增加泛光照明或设置补光灯)、增加可以反射自然光的反射物(设置反射墙或改变拍摄位置)等等。上述手段均无法采用时再来挖掘摄像机及镜头的功能。\r\n关于配置及调试:⑴附件因素:在预算允许的情况下,尽量选用大光圈的镜头。另外应尽量选用倍数小的变焦镜头或采用定焦镜头。摄像机内部电子光圈镜头的基准电平也应尽量设定得低一些;⑵机内因素:机内有利因素,摄像机内部有一些可提高灵敏度的各项功能,应当尽量加以利用,如尽量开大光圈、提高增益(AGC)、尽量延长曝光时间(SLOW SHUTTER)、适当选用平峰比(A:V)等;机内不利因素:摄像机内部有一些附加功能会干扰或衰减灵敏度,如果条件允许的情况下,应当尽量不用(关闭)或弱化其对灵敏度的影响,例如减小白平衡、轮廓强调、伽玛矫正等模拟电路造成的衰减及背光补偿、动态范围扩展等数字处理失真等等。

结语\

摄像机内部功能多种多样,因厂商及产品而异,以上问答仅为涉及灵敏度、低照度的部分信息,需要在熟悉摄像机及附件的功能的技术基础上,结合系统其它需求(例如色彩、信噪比等)因素,综合调整设定。

摄像机是一个复杂功能的集合体,在工程应用中,外界环境及内部功能之间因果互动,其表现斑斓多彩。由于篇幅所限,诸多相关因素及相关影响未及完整表达,不足及谬误之处望各位读者海涵,欢迎来信或电邮与本人共同探讨。

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