2.1　視頻監控系統前端設備

2.1.1　攝像機

1.攝像機的基本工作原理

攝像機是一種把景物的光學影像轉變為電信號的裝置，其結構分為以下三部分：

（1）光學系統。主要有光學鏡頭，它由透鏡系統組合而成，將被攝對象的反射光經過光學系統的透鏡收集和折射，使其聚焦在光電轉換系統的攝像管或固體攝像器件的成像面上。

（2）光電轉換系統。主要有攝像管或固體攝像器件。光電轉換系統中的光敏器件會把被攝對象的光學圖像轉變成攜帶電荷的電信號。

（3）電路系統。主要有視頻處理電路，把光電轉換系統提供的這些電信號，經過電路系統進一步放大，形成符合特定技術要求的“視頻信號”，并從攝像機中輸出。

2.攝像機的分類

攝像機用途廣泛、種類繁多，從不同的角度分為不同的類型，以下為幾種常用的分類方法：

（1）根據攝像機的質量劃分為廣播級、業務級和家用級三種。

（2）根據攝像機的畫面分辨率劃分為標清攝像機和高清攝像機兩種。

（3）根據攝像機的成像色彩劃分為彩色攝像機、黑白攝像機和彩色與黑白自動切換攝像機三種。

（4）根據攝像機的安裝環境劃分為室內攝像機和室外攝像機兩種。

（5）根據攝像機的成像光源劃分為可見光攝像機、紅外線等非可見光攝像機和可見光與非可見光自動切換攝像機三種。

（6）根據攝像器件的類型劃分為電真空攝像器件（即攝像管）和固體攝像器件（如CCD器件、CMOS器件）兩大類。

（7）根據攝像機采用的技術劃分為模擬攝像機和數字攝像機兩大類。

（8）根據攝像機的外形劃分為槍式攝像機、半球攝像機和全方位云臺攝像機三大類。

3.視頻監控系統常用的攝像機

1）槍式攝像機

槍式攝像機在行業也簡稱為“槍機”，它是按照這種攝像機的外形結構分類的，圖2-2為常用的幾種槍式攝像機。這種攝像機種類也很多，用途廣泛，常用于城市道路、高速公路、各種出入口、收費站、平安城市等24小時全天候監控的場所，配套輔助照明燈光，真實記錄夜間動態畫面。

一般的槍式攝像機可根據選用鏡頭的不同，變焦范圍從幾倍到數十倍，實現遠距離或廣角監控，而且鏡頭更換十分的方便。如在道路監控使用中，即使車速變化范圍較大，槍式攝像機也可以提供清晰的畫面，通過內置的強光抑制功能、電子快門設定等，實現對車牌的抓拍。

2）半球攝像機

半球攝像機，顧名思義外部形狀是個半球，圖2-3所示為幾種常用的半球攝像機。半球攝像機由于體積小巧，外型美觀，比較適合辦公場所以及裝修檔次高的場所使用，這種攝像機一般都安裝有紅外照明燈，在夜間自動開啟和進行紅外照明，提供清晰圖像。

半球攝像機自帶變焦鏡頭，一般變焦范圍較小，且鏡頭不易更換，其最大的特點是集攝像機、鏡頭以及安裝系統為一體，設計精巧且易于安裝，因此被大量地應用于室內監控，如辦公場所的重要部位出入口、通道、電梯轎箱等。

3）全方位云臺攝像機

全方位云臺攝像機適用于要求實現拉近、推遠和聚焦，監控局部和全景的全方位旋轉監控場所，它是將攝像機、云臺旋轉系統、通信控制系統、支架安裝系統和護罩相結合的一體化產品。根據其外形分為全球型云臺攝像機、半球型云臺攝像機兩種。

如圖2-4所示的為全球型全方位云臺攝像機，如圖2-5所示的為半球型云臺攝像機。

全方位云臺攝像機內置有兩個電機，可以水平和垂直運動，分別負責云臺的上下和左右各方向的轉動，實現360°全方位旋轉。

當攝像機接收到上、下動作信號時，垂直電機轉動，帶動垂直傳動輪盤轉動，實現攝像機鏡頭上下旋轉。

當攝像機接收到左、右動作信號時，水平電機轉動，帶動水平傳動輪盤轉動，實現攝像機鏡頭水平旋轉。

2.1.2　鏡頭

鏡頭是指安裝在攝像機前端的光學裝置，該裝置由許多光學玻璃或者透明樹脂鏡片及鏡筒等組成。鏡頭用來收集從物體反射來的光線，使其聚焦并投射到攝像器件的受光面上進行成像，其質量直接決定視頻影像的清晰和逼真質量。圖2-6所示為常見彩色攝像機及鏡頭，圖2-7所示為“西元”展柜中的彩色攝像機及鏡頭。

1.鏡頭的分類

1）按鏡頭光圈分類

根據鏡頭配置的光圈不同，分為手動光圈鏡頭和自動光圈鏡頭。

（1）手動光圈鏡頭是最簡單的鏡頭，由數片金屬薄片組成機械調整結構，手動旋轉調節光圈縮小或放大，適用于光照條件相對穩定的場合，圖2-8所示為一種常見的手動光圈鏡頭。

（2）自動光圈鏡頭會根據亮度變化自動調整其光圈，特別適用于亮度變化比較明顯的場合。圖2-9所示為一種常見的自動光圈鏡頭，“西元”展柜中所展示的鏡頭也均為自動光圈鏡頭。兩者外觀的區別是自動光圈鏡頭配置有控制線。

2）按鏡頭的視場大小分類

根據鏡頭的視場大小不同，一般分為以下幾種：

（1）標準鏡頭通常是指焦距在40～55mm之間的攝影鏡頭，它是最基本和最常用的一種攝影鏡頭。標準鏡頭給人以記實性的視覺效果畫面，在普通風景和人像、抓拍等攝影場合使用較多。

（2）長焦距鏡頭，也稱為遠攝鏡頭，通常是指焦距約在80～300mm之間的攝影鏡頭。長焦距鏡頭視角小，景深短，具有“望遠”功能，適用于拍攝遠處景物及其細節部分。

（3）短焦距鏡頭，也稱為廣角鏡頭，通常是指焦距約在17～35mm之間的鏡頭，短焦距鏡頭焦距很短，視角較寬，而景深卻很深，比較適合拍攝較大場景的照片，如建筑、風景等題材。圖2-10為以上三種鏡頭的成像原理圖，圖2-11為不同焦距鏡頭照相距離示意圖。

（4）變焦鏡頭是指在不改變拍攝距離的情況下，通過變動焦距來改變拍攝范圍的鏡頭，其變焦范圍內的任何焦距都能用來攝影，一般外出拍攝時多采用這種鏡頭。

（5）針孔鏡頭是指利用小孔成像原理來得到影像的鏡頭。針孔鏡頭直徑一般在幾毫米左右，適用于需要隱蔽安裝的場合。

2.鏡頭的主要技術參數

1）焦距

焦距是光學系統中衡量光的聚集或發散的度量方式，指平行光入射時從透鏡光心到光聚集之焦點的距離。短焦距的光學系統比長焦距的光學系統具有更佳的聚光能力。

焦距的大小決定著視場角的大小。焦距數值小，視場角大，所觀察的范圍也大，但距離遠的物體分辨不是很清楚。焦距數值大，視場角小，觀察范圍小，只要焦距選擇合適，距離很遠的物體也能看得清清楚楚。

焦距和視場角是一一對應的。在選擇鏡頭焦距時，應充分考慮到是觀察細節重要，還是有一個更大的觀測范圍重要。比如監控室內目標時，由于監控的距離較近，選擇的焦距不應太大，一般會選擇短焦距鏡頭，如3.6mm、4mm、6mm、8mm等；在多車道道路監控中，一般會選擇焦距6～15mm，這樣監控的視角更廣一些；在十字路口等需要拍攝車牌的地方，則要用中長焦距的鏡頭，如20～70mm左右的鏡頭等。

2）光圈

光圈是用來控制光線透過鏡頭，進入攝像機內部感光面光量大小的裝置。對于已經制造好的鏡頭，我們不可能隨意改變鏡頭的直徑，但是我們可以通過在鏡頭內部加入面積可變的孔狀光柵來控制鏡頭通光量，這個裝置就叫做光圈，如圖2-12所示。用F值表達光圈大小。

F=鏡頭的焦距f/鏡頭的有效口徑的直徑

鏡頭上光圈指數系列的標值為1.4、2.0、2.8、4、5.6、8、11、16、22等，其規律是前一個標值的曝光量正好是后一個標值對應曝光量的2倍。光圈F值越小，通光孔徑越大，在同一單位時間內的進光量便越多，且上一級的進光量剛好是下一級的兩倍。例如光圈從f/4調整到f/2.8，光通量便多一倍，我們也說光圈開大了一級。同理，f/2是f/8光通量的16倍，從f/8調整到f/2，光圈開大了四級。

3）景深

景深是指在鏡頭取得被攝物體的清晰圖像時，其前后仍可清晰的距離范圍，它能決定是把背景模糊化來突出被攝對象，還是拍出清晰的背景。

光圈、鏡頭及拍攝物的距離是影響景深的重要因素：

（1）光圈越大，光圈值F越小，景深越淺；光圈越小，光圈值F越大，景深越深。

（2）鏡頭焦距越長，景深就越淺，反之景深越深。

（3）主體越近，景深越淺，主體越遠，景深越深。

3.鏡頭的選擇

為了獲得預期的攝像效果，在選配鏡頭時，除了要考慮鏡頭的CCD或者COMS靶面尺寸、分辨率等參數外，還應考慮到被攝物體的大小、物距、品牌等因素。

選用鏡頭時應該主要遵循以下原則：

（1）鏡頭應與攝像機的接口一致。

（2）鏡頭規格應與攝像機靶面規格一致。

（3）鏡頭的焦距應根據監視范圍的大小、鏡頭與監視目標的距離確定。

（4）當需要遙控時，可選用具有光對焦、變焦距的遙控鏡頭裝置。

（5）攝像機需要隱蔽安裝在天花板或墻壁內時，鏡頭可采用針孔或棱鏡鏡頭。

總之，我們要根據不同需求選擇合適的鏡頭，同時根據造價高低選擇性價比高的鏡頭。

2.1.3　防護罩與支架

1.防護罩

一般視頻監控系統中使用的攝像機都安裝有防護罩，它主要是保護攝像機和鏡頭，防止人為破壞，避免雨水、灰塵等周圍環境的不良影響。防護罩一般用鋼、鋁或塑料制成，且防護罩內的空間必須足夠大，以容納攝像機和鏡頭。此外，還要有能夠打開或卸下的蓋子，便于攝像機和鏡頭的拆裝。

1）室內防護罩

室內防護罩要求形狀美觀、與周邊環境和諧，且能夠保護攝像機和鏡頭，使其免受灰塵、雜質和腐蝕性氣體的污染，同時也要能防止人為的破壞。室內防護罩一般使用涂漆或陽極氧化處理的鋁材、高性能塑料制造，防護罩的觀察窗口應為清晰透明的安全玻璃或塑料，其出線口的位置，應當設計得便于維護。圖2-13～圖2-15所示為幾種常見的室內防護罩，圖2-16所示為“西元”展柜中的紅外半球攝像機護罩。

2）室外防護罩

室外防護罩主要應用于室外露天環境，因此攝像機和鏡頭必須安裝在完全封閉的室外防護罩中，它必須能夠保護攝像機，使其免受人為破壞或室外惡劣環境的影響。室外防護罩一般使用鋁材、帶涂層的鋼材、不銹鋼或可在室外使用的塑料制造。室外攝像機要適應一年四季各種環境的要求，所以，室外防護罩一般都帶有自動加熱及吹風裝置，有些還配有刮水器等，圖2-17～圖2-19所示為幾種常見的室外防護罩。

2.支架

支架是用于固定攝像機、防護罩、云臺的部件，根據應用環境的不同，支架的形狀、尺寸大小也各異。一般利用支架將攝像機、防護罩和云臺固定到墻壁、天花板、柱子和建筑物上，以實現對場景的監控。

1）一般攝像機支架

攝像機支架一般有注塑型及金屬型兩類，它可直接固定攝像機，也可通過防護罩固定攝像機。攝像機支架一般都具有方向調節功能，通過對支架的調整，可以將攝像機的鏡頭準確地對向被攝區域。圖2-20所示為幾種常見的攝像機支架。

2）云臺支架

云臺支架一般均為金屬結構，因為要固定云臺、防護罩及攝像機，所以云臺支架的承重要求高，這種支架的尺寸比一般攝像機支架大一些，考慮到云臺自身已具有方向調節功能，因此，云臺支架一般不再有方向調節的功能。圖2-21所示為幾種常見的云臺支架。

2.1.4　云臺

云臺是安裝和固定攝像機的支撐設備，它分為固定和電動云臺兩種。固定云臺適用于監視范圍不大的情況，在固定云臺上安裝好攝像機后可調整攝像機的水平和俯仰的角度，達到最好的工作姿態后只要鎖定調整機構就可以了。

電動云臺適用于對大范圍進行掃描監視，它可以擴大攝像機的監視范圍，在控制信號的作用下，云臺上的攝像機既可自動掃描監視區域，也可在監控中心值班人員的操縱下跟蹤監視對象。

云臺的主要功能有兩點：其一，帶動攝像機轉動以消除監控死角；其二，根據控制中心的指令控制一體機的焦距來實現監控場景的拉伸。

按照安裝環境一般分為室內云臺和室外云臺兩種，室外云臺具有防潮防雨功能。按照承載重量分為輕載云臺、中載云臺和重載云臺。圖2-22所示為室內云臺，是在工程中常用的302云臺，圖2-23所示為室外重載云臺，是在工程中常用的301云臺。“西元”展柜中S51為室內302型云臺，S52為室外301型云臺。

2.1.5　解碼器

在視頻監控系統中，解碼器是一個重要的前端控制設備，一般安裝在配有云臺及電動鏡頭的攝像機附近，或內置于球形云臺內。解碼器有多芯控制線纜直接與云臺和電動鏡頭相連接，驅動和控制云臺與鏡頭運動。只需要使用兩芯線與較遠距離以外監控系統的主機相連接，接收由主機發出的控制信號，減少大量布線。

解碼器可以控制云臺的上、下、左、右旋轉，變焦鏡頭的變焦、聚焦、光圈以及對防護罩雨刷器、攝像機電源、燈光等設備的控制，還可以提供若干輔助功能。解碼器的電路是以單片機為核心，由電源電路、通信接口電路、自檢及地址輸入電路、輸出驅動電路、報警輸入接口等電路組成。解碼器一般不能單獨使用，需要與系統主機配合使用。圖2-24所示為“西元”展柜中的室外云臺解碼器機芯，室外解碼器具有防雨和防潮的功能，圖2-25所示為球形攝像機內部集成的解碼板。

選擇解碼器要注意以下幾點：

（1）驅動能力。根據云臺、防護罩及輔助設備、攝像機、鏡頭等前端設備的實際驅動總功率和工作電壓等確定，避免解碼器輸出功率太小或者電壓不符，無法驅動設備動作。例如解碼器的功率必須大于前端驅動設備的總功率，并且有一定的余量。前端設備工作電壓為220V交流時，解碼器必須選擇220V交流輸出設備。

（2）控制協議的兼容。解碼器必須與控制設備的控制協議兼容。

（3）防護等級。尤其是在室外環境中，應選擇解碼器相應的防護等級，例如雨、雪、風和低溫等惡劣天氣的防護等。

（4）輔助輸出功能。解碼器除了應該具有多個輔助輸出為前端設備提供驅動或驅動能力，還應該具有多個輔助電源輸出，如DC12V、AC24V等為不同攝像機供電。