视频监控成像原理

       视频监控系统是安全防范技术体系中的一个重要组成部分，是一种先进的、防范能力极强的综合系统。它可以通过遥控摄像机及其辅助设备，使人们直接观看被监视场所的一切情况，并把被监视场所的图像传送到监控中心，同时还可以把被监视场所的图像全部或部分地记录下来，为日后事件处理提供方便条件和重要依据。

      视频监控的成像原理是将光线所包含的信息转换成可为人眼所判断的图像信号，因此，在了解视频监控之前，有必要介绍一下视频成像原理。

（1）光的性质

       光属于电磁辐射。电磁辐射的波长范围很宽，按从长到短的排列依次可分为无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线和宇宙射线等。波长在780～380nm范围内的电磁波能使人眼产生颜色的感觉，称为可见光，颜色感觉依次为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫7色。可见光光谱如图所示。

可见光光谱

（2） 物体的颜色

       从光的角度可将物体分为发光体和不发光体两大类。发光体的颜色由其本身发出的光谱所确定，例如，激光二极管发红光是由于其光谱为780nm。不发光的物体颜色与照射光的光谱及其对照射光的吸收、反射、透射等特性有关，例如，绿叶反射绿色的光，吸收其他的光而呈绿色。

人眼的视觉特性包括亮度视觉、色度视觉、视觉惰性和分辨力。

（1）亮度视觉

        亮度视觉是指人眼所能感觉到的最大亮度与最小亮度的差别，以及在不同环境下，人眼对同一亮度所产生的主观感觉。

       人眼的亮度感是随光的波长改变的，并且昼夜也不同。人眼对光感的灵敏度常用人眼相对视敏度函数曲线表示，如图所示。

（2）色度视觉

       人眼的红、绿、蓝3种锥状细胞的视敏函数峰值分别为580nm、540nm和440nm，而且部分交叉重叠可引起混合色的感觉，不同波长的光对这3种锥状细胞的刺激量不同，因而产生的彩色视觉也不同。

人眼相对视敏度函数曲线 

（3）视觉惰性                

       人眼的主观亮度感觉与客观光的亮度并不同步，人眼的亮度感觉总是滞后于实际亮度的变化，这一特性称为视觉惰性或视觉暂留。

       当人眼感受到重复频率较低的光强时，会有亮暗的闪烁感。通常将不引起闪烁感的最低频率称为临界闪烁频率。人眼的临界闪烁频率约为46Hz，高于该频率时人眼不再感觉到闪烁。

       顺序制彩色电视正是利用人眼的视觉惰性，采用时间混色法将三基色［即红（R）、绿（G）、蓝（B）］光顺序出现在同一平面的同一位置上，只要三基色光点相距时间间隔足够短，人眼观察到的就是其混合后的彩色。

（4）分辨力

       分辨力是指在一定距离处人眼能分辨两点间的最小距离。人们在观看景物时对细节的分辨能力取决于景物细节的亮度和对比度（图像所能达到的最大亮度和最小亮度之比），亮度越低，分辨力越差；细节对比度越低，分辨力也越差。

同时制彩色电视是利用人眼空间细节分辨力差的特点，采用空间混色法将三基色光在同一平面的对应位置充分靠近，只要光点足够小且充分近，人眼在一定距离外观察到的就是其混合后的彩色。

（1）彩色三要素

       色调、色饱和度和亮度这3个参量称为彩色三要素。

       色调是指颜色的种类。不同颜色的物体其色调是不同的，红色、绿色和蓝色等颜色都是指不同的色调。

       色饱和度是指颜色的浓淡程度。色饱和度越大，该颜色就越浓。例如，通常说的深红和浅红，色调都是红色，但色饱和度不一样。

       亮度是指颜色的明暗程度。颜色的亮度越大，色彩就越鲜艳。

       通常又将色调、色饱和度总称为色度。

（2）三基色原理

       自然界中的绝大多数色彩都可以分解为三基色，三基色按一定比例混合，可以得到自然界绝大多数的色彩。混合色的色度由三基色的混合比例决定，其亮度等于三基色亮度之和。色彩的这种分解、合成机理称为三基色原理。  

（3）混色方法

       在彩色电视系统中采用相加混色法。相加混色法又可分为空间混色法与时间混色法。

       1）空间混色法。利用人眼空间细节分辨力差的特点，使三基色光在同一平面的对应位置充分靠近，且光点足够小，人眼在离开一定距离处观看时，感觉到的就是三基色光的混合色。空间混色法是同时制彩色电视的基础。

       2）时间混色法。利用人眼的视觉惰性，使三基色光在同一平面的同一处顺序出现，当间隔时间足够短时，人眼感觉到的就是三基色光的混合色。

       时间混色法是顺序制彩色电视的基础。

（4）亮度方程式

        直接相加混色实验：若用三基色按一定比例混合得到100％的白光，则红基色光亮度占30％，绿基色亮度占59％，蓝基色光亮度占11％。这种关系可用下式表示，即 

Y=0.30R+0.59G+0.11B  （2-1））

     该式称为亮度方程式。 

        当用一面高倍的放大镜仔细看一幅彩色图片或黑白图片时，让人匪夷所思的是原来一幅完整无瑕的图片，竟然是由密密麻麻的“点”构成的！如果再仔细看，这些“点”的颜色有深有浅，明暗不等。不难得出结论，图片的画面就是由众多的“点”组成的，在电视技术上，称这些“点”为“像素”或“像点”，像素也就是这幅图片的细胞。像素可以用一个数表示，譬如一个“30万像素”的摄像机，它有额定30万像素；或者用一对数字表示，例如“640x480显示器”，表示有横向640像素和纵向480像素，因此其总数为640x480像素＝307200像素。通常一幅图像可被分解为30～50万像素，对于高分辨率的图像则可达100万像素以上。可见，一幅完整的画面是可分解的，这一点很重要，实际上它为现代电视技术奠定了非常重要的基础。

       像素顺序传输示意图如图所示。

像素顺序传输示意图  

       一幅图像是由众多的像构成的，而且像款的亮度不等。电视技术的第二步就是如何把两种类型，分别称为电真空管和固体摄像器件。

       这里以CCD摄像机为例说明光-电的转换过程。CCD内用于光-电转换的是具有光电效应的半导体单元，当光照射在这些单元表面时，会在半导体器件中产生一定的电流。在一定的条件下，电流大小与光照的强度成正比，也就是光照越强电流越大，反之光照越弱，电流就越少。电视技术就是利用这一原理把亮度不等的像素一一对应地转换为大小不同的电流。这一光-电转换过程就是由摄像机来实现的。

       电-光转换，即是电信号转换成光信号的过程。光-电转换只是解决信号的获取问题，而电光转换是解决图像再现的条件问题。视频图像的重现主要是靠显像器件将图像电信号转换成图像光信号，完成电-光转换。用于电-光转换的器件，早期的有阴极射线显像管（CRT），目前常见的有发光二极管（LED）、液晶显示器（LCD）和等离子显示器（PDP）等。

       液晶显示器（LiquidCrystalDisplay，LCD）是显示器家族的一种。它由两块相隔5μm的玻璃板构成，液晶灌入两块玻璃板之间。因为液晶材料本身并不发光，所以在液晶背面设有一块背光板。背光板由荧光物质组成，提供均匀的背景 光源。对于液晶显示器来说，亮度往往与其背景光源有关。玻璃板与液晶材料之间装有透明的电极，电极分为行和列，在行与列的交叉点上，通过改变电压即可改变液晶排列状态，同时也改变了它自身的透光度，作用类似于一个小光阀。当LCD工作时，LCD电极被施与工作电压，液晶分子随之产生扭曲（相当光阀开启或关闭），由背光板发出来的光，得以有规则的折射，然后通过滤色过滤，最后，在置于液晶前面的显示屏显示出图像或符号。常见的液晶显示器如图2-4所示。