2024年4月10日发(作者：鹿娅芳)
工程师技术培训资料
CCD摄像机原理
电视监控系统(CCTV)的前端设备通常由摄像机、手动或电动镜头、云台、防护罩、监听器、报警探测
器和多功能解码器等部件组成，它们各司其职，并通过有线、无线或光纤传输媒介与中心控制系统的各种
设备建立相应的联系（传输视/音频信号及控制、报警信号）。在实际的电视监控系统中，这些前端设备不
一定同时使用，但实现监控现场图像采集的摄像机和镜头是必不可少的。
1 CCD摄像机概述
摄像机是获取监视现场图像的前端设备，它以面阵CCD图像传感器为核心部件，外加同步信号产
生电路、视频信号处理电路及电源等。近年来，新型的低成本MOS图像传感器有了较快速的发展，基于
MOS图像传感器的摄像机已开始被应用于对图像质量要求不高的可视电话或会议电视系统中。由于MOS
图像传感器的分辨率和低照度等到主要指标暂时还比不上CCD图像传感器，因此，在电视监控系统中使
用摄像机仍为CCD摄像机。
摄像机具有黑白和彩色之分，由于黑白摄像机具有高分辨率、低照度等优点，特别是它可以在红外光
照下成像，因此在电视监控系统中，黑白CCD摄像机仍具有较高的市场占有率。在实际应用中，应根据
监控现场的实际环境及用户要求而定。
1.1 CCD摄像机的主要参数
在电视监控系统中选择摄像机，一般要看几个主要的参数，即分辨率、最低照度和信噪比等，另外还
要考虑摄像机的附带功能及价格等因素。以下对摄像机的几个主要参数作一介绍。
A、 CCD感光尺寸及像素数
CCD上感光组件的表面具有储存电荷的能力，并以矩阵的方式排列。当其表面感受到光线时，会将电
荷反应在组件上，整个CCD上的所有感光组件所产生的信号，就构成了一个完整的画面。
如果分解CCD图像传感器，你会发现CCD图像传感器的结构为三层，第一层是“微型镜头”，第二
层是“分色滤色片”以及第三层“感光层”。
第一层“微型镜头”
我们知道，数码相机成
像的关键是在于其感光层，
为了扩展CCD的采光率，
必须扩展单一像素的受光面
积。但是提高采光率的办法
也容易使画质下降。这一层
“微型镜头”就等于在感光
层前面加上一副眼镜。因此感光面积不再因为传感器的开口
面积而决定，而改由微型镜片的表面积来决定。
第二层是“分色滤色片”
CCD的第二层是“分色滤色片”，目前有两种分色方式，一是RGB原色分色法，另一个则是CMYK
补色分色法这两种方法各有优缺点。首先，我们先了解一下两种分色法的概念，RGB即三原色分色法，几
乎所有人类眼镜可以识别的颜色，都可以通过红、绿和蓝来组成，而RGB三个字母分别就是Red, Green
和Blue，这说明RGB分色法是通过这三个通道的颜色调节而成。再说CMYK，这是由四个通道的颜色配
合而成，他们分别是青（C）
、洋红(M)、黄(Y)、黑(K)。在印刷业中，CMYK更为适用，但其调节出来的
颜色不及RGB的多。
原色CCD的优势在于画质锐利，色彩真实，但缺点则是噪声问题。因此，大家可以注意，一般采用
原色CCD的数码相机，在ISO感光度上多半不会超过400。相对的，补色CCD多了一个Y黄色滤色器，
在色彩的分辨上比较仔细，但却牺牲了部分影像的分辨率，而在ISO值上，补色CCD可以容忍较高的感
光度，一般都可设定在800以上。目前用于电视监控摄像机的SONY和SHARP CCD均采用补色CCD，
分别是青（Cy）、洋红(Mg)、黄(Ye)、绿(G)。
第三层：感光层
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CCD的第三层是“感光片”，这层主要是负
责将穿过滤色层的光源转换成电子信号，并将信
号传送到影像处理芯片，将影像还原。在硅材料
衬底上按半导体技术制造光电二极管。
CCD尺寸指的是CCD图像传感器感光面的
对角线尺寸，早期的CCD尺寸比较大，为lin、
2/3in和1/2in等几种，因而近年来用于电视监控
摄像机的CCD尺寸以1/3in为主流。
像素数指的是摄像机CCD传感器的最大像
素数，有些给出了水平及垂直方向的像素数，如
500H*582V，有些则组出了前两者的乘积值，如
30万像素。对于一定尺寸的CCD芯片，像素数
越多则意味着每一像素单元的面积越小，因而由
该芯片构成的摄像机的分辨率也就越高。例如，
在电视监控摄像机中使用的高解CCD传感器的
像素已达到48万像素。
B、 分辨率
分辨率是衡量摄像机优劣的一个重要参数，它指的是当摄像机摄取等间隔排列的黑白相间条纹时，在
监视器（应比摄像机的分辨率高）上能够看到的最多线数。当超过这一线数时，屏幕上就只能看到灰蒙蒙
的一片而不能再辨出黑白相间的线条。
工业监视用摄像机的分辨率通常在330~460线之间，广播级摄像机的分辨率则可达到700线左右。
C、 低照度
低照度指的是当被摄景物的光亮度低到一定程度而使摄像机输出的视频信号电平低到某一规定值时
的景物光亮度值。测定此参数时，还应特别注明镜头的最大相对孔径。例如，使用F1. 2的镜头，当被景
物的光亮度值低到0. 04lx时，摄像机输出的视频信号幅值为最大幅值的50%，即达到350mV（标准视频
信号最大幅起来 700mV），则称此摄像机的最低照度为0. 04lx/F1. 2。被摄景物的光亮度值再低，摄像要输
出的视频信号的幅值就达不到350mV了，反映在监视器的屏幕上，将是一屏很难分辨出层次的、灰暗的
图像。在实际使用中，影响低照度指标的因素主要有：
z 被照物体反射值
z 光圈
z 有效视频信号
z 自动增益控制
z 快门速度
D、 信噪比及伽玛校正系数
信噪比也是摄像机的一个主要参数。其基本定义是信号对于噪声的比值乘以20log，一般摄像机给出
的信噪比值均是在AGC（自动增益控制）关闭时的值，因为当AGC接通时，会对小信号进行提升，使得
噪声电平也相应提高。CCD摄像机的信噪比的典型值一般为45~55dB。测量信噪比参数时，应使用视频
杂波测量仪直接连接于摄像机的视频输出端子上。
伽玛校正系数前面提到的γ值，其典型值为γ=0. 45。现行摄像机大都采用了固定的γ值。
E、 动态范围
宽动态是在非常强烈的对比下让摄像机看到影像的特色。
宽动态摄像机比传统只具有3:1动态范围的摄像机超出了几十倍。自然光线排列成从120,000Lux到星
光夜里的0.00035Lux。当摄像机从室内看窗户外面，室内照度为100Lux，而外面风景的照度可能是
10,000Lux，对比就是10,000/100=100:1。这个对比人眼能很容易地看到，因为人眼能处理1000:1的对比度，
然而传统的闭路监控摄像机处理它会有很大的问题，传统摄像机只有3:1的对比性能，它只能选择使用1/60
秒的电子快门来取得室内目标的正确曝光，但是室外的影像会被清除掉（全白）；或者换种方法摄像机选
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2024年4月10日发(作者：鹿娅芳)
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CCD摄像机原理
电视监控系统(CCTV)的前端设备通常由摄像机、手动或电动镜头、云台、防护罩、监听器、报警探测
器和多功能解码器等部件组成，它们各司其职，并通过有线、无线或光纤传输媒介与中心控制系统的各种
设备建立相应的联系（传输视/音频信号及控制、报警信号）。在实际的电视监控系统中，这些前端设备不
一定同时使用，但实现监控现场图像采集的摄像机和镜头是必不可少的。
1 CCD摄像机概述
摄像机是获取监视现场图像的前端设备，它以面阵CCD图像传感器为核心部件，外加同步信号产
生电路、视频信号处理电路及电源等。近年来，新型的低成本MOS图像传感器有了较快速的发展，基于
MOS图像传感器的摄像机已开始被应用于对图像质量要求不高的可视电话或会议电视系统中。由于MOS
图像传感器的分辨率和低照度等到主要指标暂时还比不上CCD图像传感器，因此，在电视监控系统中使
用摄像机仍为CCD摄像机。
摄像机具有黑白和彩色之分，由于黑白摄像机具有高分辨率、低照度等优点，特别是它可以在红外光
照下成像，因此在电视监控系统中，黑白CCD摄像机仍具有较高的市场占有率。在实际应用中，应根据
监控现场的实际环境及用户要求而定。
1.1 CCD摄像机的主要参数
在电视监控系统中选择摄像机，一般要看几个主要的参数，即分辨率、最低照度和信噪比等，另外还
要考虑摄像机的附带功能及价格等因素。以下对摄像机的几个主要参数作一介绍。
A、 CCD感光尺寸及像素数
CCD上感光组件的表面具有储存电荷的能力，并以矩阵的方式排列。当其表面感受到光线时，会将电
荷反应在组件上，整个CCD上的所有感光组件所产生的信号，就构成了一个完整的画面。
如果分解CCD图像传感器，你会发现CCD图像传感器的结构为三层，第一层是“微型镜头”，第二
层是“分色滤色片”以及第三层“感光层”。
第一层“微型镜头”
我们知道，数码相机成
像的关键是在于其感光层，
为了扩展CCD的采光率，
必须扩展单一像素的受光面
积。但是提高采光率的办法
也容易使画质下降。这一层
“微型镜头”就等于在感光
层前面加上一副眼镜。因此感光面积不再因为传感器的开口
面积而决定，而改由微型镜片的表面积来决定。
第二层是“分色滤色片”
CCD的第二层是“分色滤色片”，目前有两种分色方式，一是RGB原色分色法，另一个则是CMYK
补色分色法这两种方法各有优缺点。首先，我们先了解一下两种分色法的概念，RGB即三原色分色法，几
乎所有人类眼镜可以识别的颜色，都可以通过红、绿和蓝来组成，而RGB三个字母分别就是Red, Green
和Blue，这说明RGB分色法是通过这三个通道的颜色调节而成。再说CMYK，这是由四个通道的颜色配
合而成，他们分别是青（C）
、洋红(M)、黄(Y)、黑(K)。在印刷业中，CMYK更为适用，但其调节出来的
颜色不及RGB的多。
原色CCD的优势在于画质锐利，色彩真实，但缺点则是噪声问题。因此，大家可以注意，一般采用
原色CCD的数码相机，在ISO感光度上多半不会超过400。相对的，补色CCD多了一个Y黄色滤色器，
在色彩的分辨上比较仔细，但却牺牲了部分影像的分辨率，而在ISO值上，补色CCD可以容忍较高的感
光度，一般都可设定在800以上。目前用于电视监控摄像机的SONY和SHARP CCD均采用补色CCD，
分别是青（Cy）、洋红(Mg)、黄(Ye)、绿(G)。
第三层：感光层
1
工程师技术培训资料
CCD的第三层是“感光片”，这层主要是负
责将穿过滤色层的光源转换成电子信号，并将信
号传送到影像处理芯片，将影像还原。在硅材料
衬底上按半导体技术制造光电二极管。
CCD尺寸指的是CCD图像传感器感光面的
对角线尺寸，早期的CCD尺寸比较大，为lin、
2/3in和1/2in等几种，因而近年来用于电视监控
摄像机的CCD尺寸以1/3in为主流。
像素数指的是摄像机CCD传感器的最大像
素数，有些给出了水平及垂直方向的像素数，如
500H*582V，有些则组出了前两者的乘积值，如
30万像素。对于一定尺寸的CCD芯片，像素数
越多则意味着每一像素单元的面积越小，因而由
该芯片构成的摄像机的分辨率也就越高。例如，
在电视监控摄像机中使用的高解CCD传感器的
像素已达到48万像素。
B、 分辨率
分辨率是衡量摄像机优劣的一个重要参数，它指的是当摄像机摄取等间隔排列的黑白相间条纹时，在
监视器（应比摄像机的分辨率高）上能够看到的最多线数。当超过这一线数时，屏幕上就只能看到灰蒙蒙
的一片而不能再辨出黑白相间的线条。
工业监视用摄像机的分辨率通常在330~460线之间，广播级摄像机的分辨率则可达到700线左右。
C、 低照度
低照度指的是当被摄景物的光亮度低到一定程度而使摄像机输出的视频信号电平低到某一规定值时
的景物光亮度值。测定此参数时，还应特别注明镜头的最大相对孔径。例如，使用F1. 2的镜头，当被景
物的光亮度值低到0. 04lx时，摄像机输出的视频信号幅值为最大幅值的50%，即达到350mV（标准视频
信号最大幅起来 700mV），则称此摄像机的最低照度为0. 04lx/F1. 2。被摄景物的光亮度值再低，摄像要输
出的视频信号的幅值就达不到350mV了，反映在监视器的屏幕上，将是一屏很难分辨出层次的、灰暗的
图像。在实际使用中，影响低照度指标的因素主要有：
z 被照物体反射值
z 光圈
z 有效视频信号
z 自动增益控制
z 快门速度
D、 信噪比及伽玛校正系数
信噪比也是摄像机的一个主要参数。其基本定义是信号对于噪声的比值乘以20log，一般摄像机给出
的信噪比值均是在AGC（自动增益控制）关闭时的值，因为当AGC接通时，会对小信号进行提升，使得
噪声电平也相应提高。CCD摄像机的信噪比的典型值一般为45~55dB。测量信噪比参数时，应使用视频
杂波测量仪直接连接于摄像机的视频输出端子上。
伽玛校正系数前面提到的γ值，其典型值为γ=0. 45。现行摄像机大都采用了固定的γ值。
E、 动态范围
宽动态是在非常强烈的对比下让摄像机看到影像的特色。
宽动态摄像机比传统只具有3:1动态范围的摄像机超出了几十倍。自然光线排列成从120,000Lux到星
光夜里的0.00035Lux。当摄像机从室内看窗户外面，室内照度为100Lux，而外面风景的照度可能是
10,000Lux，对比就是10,000/100=100:1。这个对比人眼能很容易地看到，因为人眼能处理1000:1的对比度，
然而传统的闭路监控摄像机处理它会有很大的问题，传统摄像机只有3:1的对比性能，它只能选择使用1/60
秒的电子快门来取得室内目标的正确曝光，但是室外的影像会被清除掉（全白）；或者换种方法摄像机选
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