2.1　视频监控系统前端设备

2.1.1　摄像机

1.摄像机的基本工作原理

摄像机是一种把景物的光学影像转变为电信号的装置，其结构分为以下三部分：

（1）光学系统。主要有光学镜头，它由透镜系统组合而成，将被摄对象的反射光经过光学系统的透镜收集和折射，使其聚焦在光电转换系统的摄像管或固体摄像器件的成像面上。

（2）光电转换系统。主要有摄像管或固体摄像器件。光电转换系统中的光敏器件会把被摄对象的光学图像转变成携带电荷的电信号。

（3）电路系统。主要有视频处理电路，把光电转换系统提供的这些电信号，经过电路系统进一步放大，形成符合特定技术要求的“视频信号”，并从摄像机中输出。

2.摄像机的分类

摄像机用途广泛、种类繁多，从不同的角度分为不同的类型，以下为几种常用的分类方法：

（1）根据摄像机的质量划分为广播级、业务级和家用级三种。

（2）根据摄像机的画面分辨率划分为标清摄像机和高清摄像机两种。

（3）根据摄像机的成像色彩划分为彩色摄像机、黑白摄像机和彩色与黑白自动切换摄像机三种。

（4）根据摄像机的安装环境划分为室内摄像机和室外摄像机两种。

（5）根据摄像机的成像光源划分为可见光摄像机、红外线等非可见光摄像机和可见光与非可见光自动切换摄像机三种。

（6）根据摄像器件的类型划分为电真空摄像器件（即摄像管）和固体摄像器件（如CCD器件、CMOS器件）两大类。

（7）根据摄像机采用的技术划分为模拟摄像机和数字摄像机两大类。

（8）根据摄像机的外形划分为枪式摄像机、半球摄像机和全方位云台摄像机三大类。

3.视频监控系统常用的摄像机

1）枪式摄像机

枪式摄像机在行业也简称为“枪机”，它是按照这种摄像机的外形结构分类的，图2-2为常用的几种枪式摄像机。这种摄像机种类也很多，用途广泛，常用于城市道路、高速公路、各种出入口、收费站、平安城市等24小时全天候监控的场所，配套辅助照明灯光，真实记录夜间动态画面。

一般的枪式摄像机可根据选用镜头的不同，变焦范围从几倍到数十倍，实现远距离或广角监控，而且镜头更换十分的方便。如在道路监控使用中，即使车速变化范围较大，枪式摄像机也可以提供清晰的画面，通过内置的强光抑制功能、电子快门设定等，实现对车牌的抓拍。

2）半球摄像机

半球摄像机，顾名思义外部形状是个半球，图2-3所示为几种常用的半球摄像机。半球摄像机由于体积小巧，外型美观，比较适合办公场所以及装修档次高的场所使用，这种摄像机一般都安装有红外照明灯，在夜间自动开启和进行红外照明，提供清晰图像。

半球摄像机自带变焦镜头，一般变焦范围较小，且镜头不易更换，其最大的特点是集摄像机、镜头以及安装系统为一体，设计精巧且易于安装，因此被大量地应用于室内监控，如办公场所的重要部位出入口、通道、电梯轿箱等。

3）全方位云台摄像机

全方位云台摄像机适用于要求实现拉近、推远和聚焦，监控局部和全景的全方位旋转监控场所，它是将摄像机、云台旋转系统、通信控制系统、支架安装系统和护罩相结合的一体化产品。根据其外形分为全球型云台摄像机、半球型云台摄像机两种。

如图2-4所示的为全球型全方位云台摄像机，如图2-5所示的为半球型云台摄像机。

全方位云台摄像机内置有两个电机，可以水平和垂直运动，分别负责云台的上下和左右各方向的转动，实现360°全方位旋转。

当摄像机接收到上、下动作信号时，垂直电机转动，带动垂直传动轮盘转动，实现摄像机镜头上下旋转。

当摄像机接收到左、右动作信号时，水平电机转动，带动水平传动轮盘转动，实现摄像机镜头水平旋转。

2.1.2　镜头

镜头是指安装在摄像机前端的光学装置，该装置由许多光学玻璃或者透明树脂镜片及镜筒等组成。镜头用来收集从物体反射来的光线，使其聚焦并投射到摄像器件的受光面上进行成像，其质量直接决定视频影像的清晰和逼真质量。图2-6所示为常见彩色摄像机及镜头，图2-7所示为“西元”展柜中的彩色摄像机及镜头。

1.镜头的分类

1）按镜头光圈分类

根据镜头配置的光圈不同，分为手动光圈镜头和自动光圈镜头。

（1）手动光圈镜头是最简单的镜头，由数片金属薄片组成机械调整结构，手动旋转调节光圈缩小或放大，适用于光照条件相对稳定的场合，图2-8所示为一种常见的手动光圈镜头。

（2）自动光圈镜头会根据亮度变化自动调整其光圈，特别适用于亮度变化比较明显的场合。图2-9所示为一种常见的自动光圈镜头，“西元”展柜中所展示的镜头也均为自动光圈镜头。两者外观的区别是自动光圈镜头配置有控制线。

2）按镜头的视场大小分类

根据镜头的视场大小不同，一般分为以下几种：

（1）标准镜头通常是指焦距在40～55mm之间的摄影镜头，它是最基本和最常用的一种摄影镜头。标准镜头给人以记实性的视觉效果画面，在普通风景和人像、抓拍等摄影场合使用较多。

（2）长焦距镜头，也称为远摄镜头，通常是指焦距约在80～300mm之间的摄影镜头。长焦距镜头视角小，景深短，具有“望远”功能，适用于拍摄远处景物及其细节部分。

（3）短焦距镜头，也称为广角镜头，通常是指焦距约在17～35mm之间的镜头，短焦距镜头焦距很短，视角较宽，而景深却很深，比较适合拍摄较大场景的照片，如建筑、风景等题材。图2-10为以上三种镜头的成像原理图，图2-11为不同焦距镜头照相距离示意图。

（4）变焦镜头是指在不改变拍摄距离的情况下，通过变动焦距来改变拍摄范围的镜头，其变焦范围内的任何焦距都能用来摄影，一般外出拍摄时多采用这种镜头。

（5）针孔镜头是指利用小孔成像原理来得到影像的镜头。针孔镜头直径一般在几毫米左右，适用于需要隐蔽安装的场合。

2.镜头的主要技术参数

1）焦距

焦距是光学系统中衡量光的聚集或发散的度量方式，指平行光入射时从透镜光心到光聚集之焦点的距离。短焦距的光学系统比长焦距的光学系统具有更佳的聚光能力。

焦距的大小决定着视场角的大小。焦距数值小，视场角大，所观察的范围也大，但距离远的物体分辨不是很清楚。焦距数值大，视场角小，观察范围小，只要焦距选择合适，距离很远的物体也能看得清清楚楚。

焦距和视场角是一一对应的。在选择镜头焦距时，应充分考虑到是观察细节重要，还是有一个更大的观测范围重要。比如监控室内目标时，由于监控的距离较近，选择的焦距不应太大，一般会选择短焦距镜头，如3.6mm、4mm、6mm、8mm等；在多车道道路监控中，一般会选择焦距6～15mm，这样监控的视角更广一些；在十字路口等需要拍摄车牌的地方，则要用中长焦距的镜头，如20～70mm左右的镜头等。

2）光圈

光圈是用来控制光线透过镜头，进入摄像机内部感光面光量大小的装置。对于已经制造好的镜头，我们不可能随意改变镜头的直径，但是我们可以通过在镜头内部加入面积可变的孔状光栅来控制镜头通光量，这个装置就叫做光圈，如图2-12所示。用F值表达光圈大小。

F=镜头的焦距f/镜头的有效口径的直径

镜头上光圈指数系列的标值为1.4、2.0、2.8、4、5.6、8、11、16、22等，其规律是前一个标值的曝光量正好是后一个标值对应曝光量的2倍。光圈F值越小，通光孔径越大，在同一单位时间内的进光量便越多，且上一级的进光量刚好是下一级的两倍。例如光圈从f/4调整到f/2.8，光通量便多一倍，我们也说光圈开大了一级。同理，f/2是f/8光通量的16倍，从f/8调整到f/2，光圈开大了四级。

3）景深

景深是指在镜头取得被摄物体的清晰图像时，其前后仍可清晰的距离范围，它能决定是把背景模糊化来突出被摄对象，还是拍出清晰的背景。

光圈、镜头及拍摄物的距离是影响景深的重要因素：

（1）光圈越大，光圈值F越小，景深越浅；光圈越小，光圈值F越大，景深越深。

（2）镜头焦距越长，景深就越浅，反之景深越深。

（3）主体越近，景深越浅，主体越远，景深越深。

3.镜头的选择

为了获得预期的摄像效果，在选配镜头时，除了要考虑镜头的CCD或者COMS靶面尺寸、分辨率等参数外，还应考虑到被摄物体的大小、物距、品牌等因素。

选用镜头时应该主要遵循以下原则：

（1）镜头应与摄像机的接口一致。

（2）镜头规格应与摄像机靶面规格一致。

（3）镜头的焦距应根据监视范围的大小、镜头与监视目标的距离确定。

（4）当需要遥控时，可选用具有光对焦、变焦距的遥控镜头装置。

（5）摄像机需要隐蔽安装在天花板或墙壁内时，镜头可采用针孔或棱镜镜头。

总之，我们要根据不同需求选择合适的镜头，同时根据造价高低选择性价比高的镜头。

2.1.3　防护罩与支架

1.防护罩

一般视频监控系统中使用的摄像机都安装有防护罩，它主要是保护摄像机和镜头，防止人为破坏，避免雨水、灰尘等周围环境的不良影响。防护罩一般用钢、铝或塑料制成，且防护罩内的空间必须足够大，以容纳摄像机和镜头。此外，还要有能够打开或卸下的盖子，便于摄像机和镜头的拆装。

1）室内防护罩

室内防护罩要求形状美观、与周边环境和谐，且能够保护摄像机和镜头，使其免受灰尘、杂质和腐蚀性气体的污染，同时也要能防止人为的破坏。室内防护罩一般使用涂漆或阳极氧化处理的铝材、高性能塑料制造，防护罩的观察窗口应为清晰透明的安全玻璃或塑料，其出线口的位置，应当设计得便于维护。图2-13～图2-15所示为几种常见的室内防护罩，图2-16所示为“西元”展柜中的红外半球摄像机护罩。

2）室外防护罩

室外防护罩主要应用于室外露天环境，因此摄像机和镜头必须安装在完全封闭的室外防护罩中，它必须能够保护摄像机，使其免受人为破坏或室外恶劣环境的影响。室外防护罩一般使用铝材、带涂层的钢材、不锈钢或可在室外使用的塑料制造。室外摄像机要适应一年四季各种环境的要求，所以，室外防护罩一般都带有自动加热及吹风装置，有些还配有刮水器等，图2-17～图2-19所示为几种常见的室外防护罩。

2.支架

支架是用于固定摄像机、防护罩、云台的部件，根据应用环境的不同，支架的形状、尺寸大小也各异。一般利用支架将摄像机、防护罩和云台固定到墙壁、天花板、柱子和建筑物上，以实现对场景的监控。

1）一般摄像机支架

摄像机支架一般有注塑型及金属型两类，它可直接固定摄像机，也可通过防护罩固定摄像机。摄像机支架一般都具有方向调节功能，通过对支架的调整，可以将摄像机的镜头准确地对向被摄区域。图2-20所示为几种常见的摄像机支架。

2）云台支架

云台支架一般均为金属结构，因为要固定云台、防护罩及摄像机，所以云台支架的承重要求高，这种支架的尺寸比一般摄像机支架大一些，考虑到云台自身已具有方向调节功能，因此，云台支架一般不再有方向调节的功能。图2-21所示为几种常见的云台支架。

2.1.4　云台

云台是安装和固定摄像机的支撑设备，它分为固定和电动云台两种。固定云台适用于监视范围不大的情况，在固定云台上安装好摄像机后可调整摄像机的水平和俯仰的角度，达到最好的工作姿态后只要锁定调整机构就可以了。

电动云台适用于对大范围进行扫描监视，它可以扩大摄像机的监视范围，在控制信号的作用下，云台上的摄像机既可自动扫描监视区域，也可在监控中心值班人员的操纵下跟踪监视对象。

云台的主要功能有两点：其一，带动摄像机转动以消除监控死角；其二，根据控制中心的指令控制一体机的焦距来实现监控场景的拉伸。

按照安装环境一般分为室内云台和室外云台两种，室外云台具有防潮防雨功能。按照承载重量分为轻载云台、中载云台和重载云台。图2-22所示为室内云台，是在工程中常用的302云台，图2-23所示为室外重载云台，是在工程中常用的301云台。“西元”展柜中S51为室内302型云台，S52为室外301型云台。

2.1.5　解码器

在视频监控系统中，解码器是一个重要的前端控制设备，一般安装在配有云台及电动镜头的摄像机附近，或内置于球形云台内。解码器有多芯控制线缆直接与云台和电动镜头相连接，驱动和控制云台与镜头运动。只需要使用两芯线与较远距离以外监控系统的主机相连接，接收由主机发出的控制信号，减少大量布线。

解码器可以控制云台的上、下、左、右旋转，变焦镜头的变焦、聚焦、光圈以及对防护罩雨刷器、摄像机电源、灯光等设备的控制，还可以提供若干辅助功能。解码器的电路是以单片机为核心，由电源电路、通信接口电路、自检及地址输入电路、输出驱动电路、报警输入接口等电路组成。解码器一般不能单独使用，需要与系统主机配合使用。图2-24所示为“西元”展柜中的室外云台解码器机芯，室外解码器具有防雨和防潮的功能，图2-25所示为球形摄像机内部集成的解码板。

选择解码器要注意以下几点：

（1）驱动能力。根据云台、防护罩及辅助设备、摄像机、镜头等前端设备的实际驱动总功率和工作电压等确定，避免解码器输出功率太小或者电压不符，无法驱动设备动作。例如解码器的功率必须大于前端驱动设备的总功率，并且有一定的余量。前端设备工作电压为220V交流时，解码器必须选择220V交流输出设备。

（2）控制协议的兼容。解码器必须与控制设备的控制协议兼容。

（3）防护等级。尤其是在室外环境中，应选择解码器相应的防护等级，例如雨、雪、风和低温等恶劣天气的防护等。

（4）辅助输出功能。解码器除了应该具有多个辅助输出为前端设备提供驱动或驱动能力，还应该具有多个辅助电源输出，如DC12V、AC24V等为不同摄像机供电。