监控相机镜头评价和测试方法-赵严.doc

监控相机镜头评价指标及测试方法初探一、前言监控是CCD成像器件诞生后最早进入现实应用的领域之一。早期，由于监控目的和成本约束，对成像分辨率和像质要求均比较低。随着CCD器件发展以及周边电子产品（记录、存贮、处理等）性能提升和价格平抑，高品质的监控需求逐步实现技术可行，从标准视频格式到标清格式，再到目前的高清格式，高清监控已经成为主流发展趋势。分辨率不断提高带来的好处是可以看到更多细节，为后期的处理、识别等应用带来更多信息素材，但同时也要求与之密切相关的光学系统提升才能得以保障。光学系统主要指成像镜头。在高清监控应用中，由于分辨率大幅提升，传统的CCTV镜头已经很难实现匹配，新应用中的镜头在重要光学参数上已经接近专业摄影镜头的要求。尽管如此，由于监控相机的特性，镜头的要求与传统摄影镜头又有所区别。根据监控的基本要求以及当前监控相机的参数特点，对监控镜头的要求主要应从以下几个方面考虑。1） 焦距与视场角：监控的一项重要指标是工作距离与监控范围，相机一旦选定，上述指标主要由镜头的焦距和视场角决定。2） 清晰度与MTF：图像能否捕捉到足够的细节信息，与相机的分辨率关系很大，而镜头则是保障成像质量的重要约束。3） 场曲和像散：同上，视场边缘位置的MTF相对中心位置的退化，即边缘清晰度下降。4） 自动变焦和自动对焦：当改变视场范围和对重点监控区域改变分辨率时，需要自动变焦来实现，此过程中自动对焦必不可少。5） 色散：不同光谱的光线经过镜头后像点的分离，彩色监控中控制色散尤为重要。6） 自动光圈（F数）：全天候监控时，环境光强度变化时，镜头应具备自动调节能力。7） 抗逆光：局部强光，如日光反射、强光灯等会导致图像的像质下降，需要镜头具备一定的抗逆光能力。8） 其他（偏振、滤光）：一些特殊要求下，需要特定光谱或抗眩光成像时，需要考虑镜头镀滤光膜或偏光膜。上述针对监控的一些通用要求列出了对监控镜头的需要关注的功能、参数、指标，在具体操作时应当如何控制、选择、评价，本文以高清监控为例，在下面进行详细探讨。二、监控镜头指标评测方法1 焦距与视场角监控的一项重要指标是工作距离与监控范围（视场）。工作距离也就是物距，物体到镜头的距离u，视场角则是镜头能够接收到达成像面上的光线的角度2，如上图所示。则当工作距离一定时，镜头的视场角越大，能够监测的视场范围也越大。视场可用如下公式描述：FOV = 2 * u * tan；相应的，像场大小公式为：FOI （Field of Image）= 2 * v * tan；在实际选型时，镜头的视场角应保证像场大于或等于CCD像面尺寸，因此监控范围的大小最终是由CCD像面尺寸与镜头视场角共同决定的。一般情况下，镜头会标明支持CCD的尺寸，如1/2”2/3”。有些情况下，则给出视场角为某一角度，此时可用上面的公式计算。举例说明，由于一般监控的工作距离较大，而镜头焦距f 较小，即u f，此时v f。例如选用焦距 f = 25mm的镜头，视场角2 = 30，则镜头可支持最大像面尺寸为 13.4mm，略大于2/3”的CCD尺寸（对角线11mm）而小于1”的CCD尺寸（对角线16mm）。下表给出了常用CCD 芯片的尺寸对比。对角线 (in) 1/4 1/3 1/2 2/3 1长边 （mm） 3.2 4.8 6.4 8.8 12.8短边 （mm） 2.4 3.6 4.8 6.6 9.62 像质、分辨率（MTF）、场曲、畸变像质就是指镜头的成像质量，用于评价一个镜头的成像优劣。传函（调制传递函数的简称，用MTF表示）和畸变就是用于评价像质的两个重要参数。l MTF：在成像过程中的对比度衰减因子，主要描述了镜头对细节的表现能力。高清监控相机通常为1/2”2/3”，像元尺寸为4.55.5m，对应空间频率为110lp/mm90lp/mm。如下图所示，为某个镜头中心视场的MTF曲线。图中横坐标是空间频率，纵坐标就是MTF值。由于实际成像中总有像差存在，成像的对比度总是下降的，作为对比度衰减因子的MTF也总是小于1的。像面上任何位置的MTF值都是空间频率的函数。一般地，空间频率越高，MTF值越低，意味着高频信息对比度衰减更快。例如图中80 Lp/mm的空间频率对应的MTF=0.52，意即对于中心视场来说，空间频率为80 Lp/mm的信号成像对比度要下降大约一半(相对于实际目标来说)。监控应用主要供人眼观察，系统的MTF0.22即可满足人眼观察的要求，因此对镜头来说，MTF0.3即可满足要求。需要注意的是，对于同一款镜头，不同的视场位置以及不同光圈下，MTF的数值是不同的。n 光圈变小会导致衍射效应增大，从而导致MTF下降。由于镜头自身像差通常在视场中心最小，在边缘较大，因此视场边缘的MTF通常比中心低。场曲就是一个典型的像差形式。l 场曲：在一个平坦的影象平面上, 影像的清晰度从中央向外发生变化,聚焦形成弧型, 就叫场曲。场曲导致视场边缘相对中心清晰度下降，也即MTF下降。以下图为例。中心图像 边缘图像用一个全黑环境下的点状LED光源来演示镜头在实拍时场曲造成的影响。当处于画面的边角位置，最大光圈时，点状光源的形状已经完全被破坏了。当光圈收缩到F2.5时，表现得到了大幅改观。而中心图像则完全可以接受，光圈变化差异不大。鉴于上述因素，对一个监控镜头，应当根据应用需求全面关注其MTF的分布，例如全天候监控要求光圈可变的镜头，就要注意光圈较小时的MTF，而对全视场均要求较高分辨率的场合就需要对视场边缘的MTF有所约束。下图是某镜头MTF测试数据图表，横坐标为光圈的F数，纵坐标为MTF值的百分数。在MTF=50%的情况下，这支镜头最大光圈时中心分辨率达到35线对/毫米（lp/mm)，边缘分辨率接近25线对/毫米。中央分辨率在F4时达到最佳，而边缘分辨率则在F5.6时最佳：分别为45.6线对/毫米和35线对/毫米。MTF的测试可用标准测试靶标来进行。并通过对比度来计算MTF值。靶标如下图所示：l 畸变：畸变可以看作是像面上不同局部的放大率不一致引起的，是一种放大率像差。理想成像中，物像应该是完全相似的，就是成像没有带来局部变形，如下图1。但是实际成像中，往往有所变形，如图2、图3。畸变的产生源于镜头的光学结构，成像特性使然。图1 无畸变 图2 正畸变 图3 负畸变一般情况下，监控类应用不承担高精度测量任务，因此对畸变可容忍度较高。但畸变过大会影响观察效果，因此畸变率控制在5%10%以内通常可以满足绝大部分监控需求了。3 色散色散是由于的镜头对不同波长的光线聚焦不在同一个焦平面（不同波长的光线的焦距是不同的），或者和镜头对不同波长的光线放大的程度不同而形成的。理论上色散在影像中央及边缘都可以发生，不过由于边缘的光程较长，因此色散也就特别明显。由于短波长的折射率较高，因此紫色对色差也特别敏感。由色差而形成的紫边，通常可以在画面边缘看到，而由于紫色折射得较多，所以紫边一般都是由内向外扩散。此外，远摄镜头的光程长，色散的现像也就特别容易看到。 色散现像在镜头边缘较为明显，而紫边一般都是由内向外扩散。影像中央的色散紫边较少在一幅照片中，紫边比其他色散现象更加显而易见。特别当逆光拍摄或拍摄对比极强烈的物体时，紫边尤其容易出现。高光溢出也是导致紫边清晰可见的原因之一。 灯光紫边非常明显 紫边控制很好为解决色差问题，镜头厂商就想尽办法从镜片的构造入手，包括采用不同折射、散射特性的镜片组合以及低色散材料。例如Canon 以人工萤石晶体(CaF2)的低色散特性大大减少镜头色差，并于 1969 年推出首支采用萤石镜片的超远摄镜头 FL-F300mm f/5.6。色散评测可以采用如下方法，对高反差靶标（见下图）成像，测量中心视场、边缘视场高反差过渡带的RGB分量变化曲线，过渡带宽以及RGB分离较大说明色散严重。高反差靶标色差现象的实拍表现下面为某变焦镜头测试曲线图：广角中心色散 广角边缘色散长焦中心色散 长焦边缘色散4 自动变焦、自动对焦、后焦调整，自动光圈自动变焦：监控通常要求全景大视场和局部区域放大两种兼而备之，及所谓镜头的广角端和长焦端，故而监控镜头需要通过大范围变焦来实现广角和长焦，也就是通过自动改变镜头焦距，在短焦时实现大视场，在长焦时实现高分辨率。景深与自动对焦：镜头在长焦端时，景深较小。通过下面的公式可以作出解释。公式中F为光圈数，为像元尺寸，L是工作距离，f是镜头焦距。以F=22，f = 300mm，=4.65m，目标距离L=200m为例，景深范围约为（200+59=259m，200-37=163m），景深约为96m；当目标距离L=100m时，景深范围则变为（100+13=113m，100-10=90m），景深仅为23m。通过上面计算可以看出，长焦端监控时，对近距离目标和远距离目标不能同时保证清晰成像，因此需要自动对焦，即对不同的目标通过调整像距来改变聚焦面与CCD靶面的距离，达到清晰成像。后焦调整：一般镜头的自动对焦只能在一定范围改变像面位置，当调整到极限位置仍然不能保证像面与CCD靶面重合，此时就需要调整后焦，也就是人为改变CCD与镜头之间的距离，使成像清晰。后焦调整的原因是，镜头大范围变焦时，像距变化范围也很大，对于广角端，例如镜头焦距10mm，对30m成像，像距约为10mm 10.003mm，变化范围很小；当长焦端焦距300mm，对30m300m清晰成像，则像距为300.3mm 303mm，变化范围2.7mm，变化范围较大，由于景深原因，当长焦端对焦清晰后，变焦到广角端时，后焦可能超出广角端的像距范围，因此需要调整后焦保证广角端清晰。反复重复这个过程，使长焦端和广角端都能够清晰成像，就是后焦调整。自动光圈（F数）：全天候监控时，环境光强度变化时，镜头自动调节光圈使通光量改变以保证成像亮度。需要注意的是，当光圈改变后，景深也随之变化，低照度环境下大光圈采集图像，景深是比较小的，此时必须通过自动对焦才能保证不同距离目标的清晰成像。5 抗逆光摄影镜头的抗逆光能力的大小，也是一个衡量镜头性能的重要指标之一。监控镜头设计要求能够适应各种环境下的拍摄，对镜头抗逆光的能力提出了很高的要求。 通常在逆光条件下往往在拍摄到的照片上会发现意外形成的光斑或者鬼影，取景时特别是太阳出现在画面内或者画面周边，光斑的产生一直困扰着我们。它们产生的原因主要来至于镜片表面的反射以及镜头内部侧壁的反射。目前，为了消除这样的不必要的反射，通常采用的手法就是对镜片进行多层镀膜以及对内壁进行消光处理。 镀膜能够增加光线通过镜片的通光量达到减少反射，最终减少由于多次反复于镜片之间的光线而有效降低逆光下光斑的发生。当我们观察镜片表面时，能够看到的颜色就是被反射回来的光线所至，一般来讲，颜色越深，越暗说明反射越少，该种镀膜越有效。另一方面，由于变焦镜头相比定焦镜头移动的镜片数量，行程也大，这一部分对应的镜筒内壁的消光处理也越难。我们只要将变焦镜头的光圈全开在灯光下就可以清楚地观察该镜头内壁的处理的效果了。通常消光处理工艺因厂家不同有很大的差异。 为了量化比较镜头的抗光斑能力，可采取如下方法测试：在视场内放置标准MTF靶标，同时放置强光光源，形成逆光拍摄。此时比较线对对比度下降程度（即MTF退化）即可定量说明镜头的抗光斑能力。实际上，镜头抗光斑能力从图像上主观判断也是比较直观的。下图为几种镜头逆光拍摄效果对比，镜头水平一目了然。Sigma AF70-200 Canon EF70-200 Nikon AF-S 80-2006 其他考虑（偏振、滤光）偏光镜：光线在光滑物体表面反射会形成强烈的反光，自然光通常为圆偏振光，但经过反射