快球监控距离计算.doc

快球摄像机到底能看多远？快球摄像机相对于云台组合式摄像机，以较大的性能优势迅速在电视监控中得到广泛普及和应用，但是，它的观看距离却受到一部分人的质疑，存在着一些争议。究其争议的原因，主要是因为争议双方中至少有一方没有进行彻底的量化指标的计算，下面以安星23倍室外型快球摄像机为例，客观分析一下它的监视距离。安星23倍快球相关的基本参数：1/4CCD传感器（宽3.2mm，高2.4mm，对角线4mm），23倍光学变焦（3.682.8mm），12倍电子放大。放大倍数镜头的放大倍数和视场范围取决于它的焦距长度和传感器的尺寸。人的眼睛的视场范围则相对固定。如果两套摄像系统所看到的画面尺寸完全相同，我们就认为两者具有相同的视场范围和放大倍数。在电视监控系统中，焦距长度和视场范围与人的眼睛的对应参数相同的镜头称为“标准镜头”，这种镜头的放大倍数为1。人的眼睛的焦距从眼睛前部的晶状体中心到眼睛后部视网膜之间的距离大约17毫米。大多数人的眼睛视场范围和放大倍数都基本相同。有几种不同的设置可以实现1倍的放大倍数；25毫米镜头与1英寸摄像机配用；8毫米镜头与1/3英寸摄像机配用；6毫米镜头与1/4英寸摄像机配用。与传感器配用的焦距较短的镜头称为广角镜头；广角镜头中的光学器件则使观察者可以看到更大的视场范围，同时将被摄物体“推远”。焦距较长的镜头则被称为望远镜头或狭角镜头。装有望远镜头的摄像机就象望远镜一样，将画面放大，将视角缩窄，将被摄物体“拉近”，从而使观察者可以清楚的看到感兴趣的观察目标，从而可以引出放大倍数的概念。电视监控系统的放大倍数取决于两个因素：1、 镜头的焦距和摄像机传感器的尺寸；2、 监视器的尺寸。（1）、摄像机传感器的放大倍数摄像机的放大倍数只取决于镜头焦距和摄像机传感器的尺寸这两个因素。摄像机的传感器尺寸是固定的，无法调节。因此，对于特定的摄像机来说，不管传感器平面上的光学图像有多大，摄像机只能看到传感器范围内的那部分。我们所说的放大倍数是镜头与眼睛比较时的相对放大倍数。眼睛的焦距约为17mm，其放大倍数相当于与1英寸传感器配用的25mm镜头。这时1英寸传感器的放大倍数为：M（1英寸）镜头焦距（mm）/25mmf/25mm 所以，当焦距为82.8mm时，镜头在1英寸摄像机上的放大倍数为M（1英寸）f/25mm82.8mm/25mm3.3对于1/4英寸的传感器，放大倍数按下式计算：M（1/4英寸）f/6.25mm82.8mm/6.25mm13.2由上可知，对所选定的CCD摄像机的传感器来说，其放大倍数只取决于镜头的焦距。（2）、监视器的放大倍数 当摄像机所摄图像显示在电视监控系统的监视器上时，场景会被进一步地放大。放大倍数等于监视器对角线（dm）与传感器对角线（ds）的比值，即M（监视器）dm/ds 对角线为21英寸的监视器（dm21英寸533mm）和1/4英寸的传感器时，1/4英寸的传感器的对角线长为4mm，按公式M（监视器）533/4133这样，我们可算出23倍快球在21英寸监视器上显示时，而且在闭关电子放大的情况下，电视监控系统的整体的放大倍数MM（传感器）M（监视器） 13313.21755这些个结果咋看起来有些玄乎，但是通过这些数据，可以证明安星23倍摄像机与眼睛比较时的相对放大倍数理论值可以达到1755倍，可以看到比人眼远的多的距离。值得指出的是，尺寸较大的监视器虽然可以提高放大倍数，但不能用来增加画面中的信息量（那是由传感器的分辨率决定的）。大尺寸监视器的作用是允许操作员坐（站）得远一点，并便于多人观看。镜头和CCD传感的选择在设计开发快球的时候，有以下五个因素确定了镜头标准：（1） 监控现场的大小；（2） 被摄物体的大小；（3） 物距；（4） 焦距；（5） CCD靶面尺寸 。前4点可由现场测量并通过计算来确定镜头的焦距标准，其计算方法如下：1/3CCDf=4.8D/H或f=3.6D/V1/4CCD f=3.2D/H或f=2.4D/V其中，H为被摄物体的宽度；V为被摄物体的高度；D为镜头到被摄物体间的距离；f为镜头焦距。对于第5点CCD靶面的尺寸，我们稍做分析：通常，为了从1/3与1/2 CCD摄像机中获取同样的视角，1/3 CCD摄像机镜头焦距必须缩短；相反如果在1/3 CCD与1/2 CCD摄像机中采用相同焦距的镜头，1/3 CCD摄像机视角将比1/2 CCD摄像机明显地减小，同时1/3 CCD摄像机的图像在监视器上将比1/2 CCD的图像放大，产生了使用长焦距镜头的效果。结论：在相同分辨率的情况下，CCD的尺寸越小，产生的长焦距效果越明显。 常用CCD靶面规格如下： 单位mm 尺寸规格 h v 1/4 3.22.41/3 4.83.6 1/2 6.44.8 由于摄像机画面宽度和高度与监视器画面宽度和高度一样，其比例均为4:3,当D不变，h或v增大时，f变小，当h或v不变，D增大时，f增大。在开阔的被监视环境中，首先应根据被监视环境的开阔程度，用户要求在系统末端监视器上所看到的被监视场景画面的清晰程度，以及被监视场景的中心点到摄像机镜头之间的直线距离为参考依据，在直线距离一定且满足覆盖整个被监视场景画面的前提下，应尽量考虑选用长焦距镜头，这样可以在系统末端监视器上获得一幅具有较清晰细节的被监视场景画面。在这种环境中往往考虑选用变焦(倍)镜头(电动三可变镜头)，在选用时应考虑两点：(1)在调节至最短焦距时(看全景)应能满足覆盖主要被监视场景画面的要求；(2)在调节至最长焦距时(看细节)应能满足观察被监视场景画面细节的要求。正是处于以上的这些考虑，由于受到体积和重量等限制，快球不可能采用太长焦距的镜头，但为了能够看到的足够远的距离和足够宽的视场，V1747快球采用了3.6-82.8mm的变焦镜头和尺寸较小1/4CCD传感器。物距计算通过以上的分析介绍，我们可以进行更进一步的量化计算：对于普通镜头的成像原理，可以得出如下的计算公式：物距（D）焦距（f）/像宽（h）物宽（H）把这个计算公式作为基本公式，在实际应用中，把对应的真实数据套入即可得出最后的结果。例1：23倍快球摄像机的焦距拉到最大（82.8mm），一辆车身为4.5米长的汽车，在21监视器上显示为刚好满屏，这时，像宽就等于CCD的宽度，可推算出的监控距离：物距（D）焦距（f）/像宽（h）物宽（H） 82.8/3.24.5116.4375米如图：例2，23倍快球摄像机的焦距拉到最大（82.8mm），一辆车身为4.5米长的汽车，在21监视器上显示为1/16屏时，在CCD传感器上对应的像宽就缩小了16倍，相当于CCD宽度的1/16，推算出的监控距离：物距（D）焦距（f）/像宽（h）物宽（H）82.8/3.2164.51863米 如图：例3，23倍快球摄像机的焦距拉到最大（82.8mm），一辆车身为4.5米长的汽车，在21监视器上显示的尺寸和CCD传感器的尺寸一样大小时，即在监视器上显示3.2mm2.4mm大小的汽车图像，对应的像宽的缩小倍数和监视器的放大倍数一样（133倍），即CCD宽度的1/133，推算出的监控距离：物距（D）焦距（f）/像宽（h）物宽（H） 82.8/3.21334.515486.1875米15公里我们可以想象，如果天空晴朗及空气透明度十分理想的情况下，使用23倍快球摄像机，用21监视器显示，在15公里之外，一辆4.5米长的汽车可以在监视器的屏幕上显示出3.2mm2.4mm大小图像。另外，快球摄像机还具有12倍电子放大功能，如果启用电子放大功能，产生的放大和