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监控镜头知识培训 施清平2013年6月 监控镜头的一些常见问题 应该选用什么样的镜头 为什么 摄像机能看多远 1公里 3公里 10公里 镜头的相关参数 名词含义是什么 高清镜头和普通镜头有什么区别 相同规格的镜头价格怎么会差这么多 镜头的故障率高吗 有了变焦镜头 定焦镜头还需要吗 镜头的成像原理 1 小孔成像 没有对焦问题 可以清晰成像 孔径很小 通光量非常小 曝光时间非常长 成像不够清晰 镜头的成像原理 2 焦距 被摄物体距离 物距 焦点 焦平面 景深 1 在焦点前后 拍摄物体上的单点扩大成圆 这个圆叫做弥散圆 如果弥散圆的直径小于人眼的鉴别能力 在一定范围内实际影象产生的模糊是不能辨认的 即 在被摄主体 对焦点 前后 其影像仍然有一段清晰范围的 就是景深 换言之 被摄体的前后纵深 呈现在底片面的影象模糊度 都在容许弥散圆的限定范围内 景深 2 与景深有关的参数 1 物距 正比 2 光圈 反比 3 靶面尺寸 反比 镜头的主要参数 接口 镜头的主要参数 靶面尺寸 镜头 靶面 9 镜头的靶面尺寸选择 光圈 镜头中用来控制通光孔尺寸的部件 光圈的参数用F来表示 对应通光量的大小比例如右表 F1 4 焦距和视角 镜头有一个确定的视野 镜头对这个视野的高度和宽度的张角称为视场角 视场角决定了拍摄的范围 视场角与镜头的焦距 f 及摄像机靶面尺寸的大小有关 镜头的焦距f越短 其视场角越大 摄像机靶面尺寸越大 其视场角也越大 视场角缩小 相当于从广角端向长焦端变化 例如一枚16mm1 的镜头用在2 3 摄像机上时 相当于20mm以上的镜头 不同焦距的成像 用不同焦距的镜头拍摄同一场景时的成像效果a 28mm镜头的视场b 100mm镜头的视场c 300mm镜头的视场 摄像机的靶面尺寸确定后 焦距成为确定视场角的唯一因素 焦距越大 视场角越小 局部画面的放大效果越明显 复杂的镜头结构 变焦镜头典型结构 定焦镜头典型结构 影响成像效果的因素 色散 镜头 长焦镜头容易产生色散 含义 指与透镜光轴平行的光束 通过球面透镜后 因折射情况不同而不能聚焦于同一焦点的现象 光轴焦点平面 影响成像效果的因素 球面像差 广角镜头容易产生球面像差 影响成像效果的因素 畸变 指由于透镜对同一距离的物体不同部分的放大率不同而产生一种变形 表现为影象扭曲 但不影响像面的清晰度 1 桶形畸变 边缘部分的放大率小于中心部分的畸变 2 枕形畸变 边缘部分的放大率大于中心部分的畸变 解决问题的办法 镜头结构 kooke结构 Sonner结构 Heliar结构 Ultrastigmat结构 ERNOSTAR结构 Tessar结构 高斯结构的现代版 解决问题的办法 光学材料 低色散镜片 天然萤石低色散玻璃 人造萤石 ED UD镜片 解决问题的办法 非球面镜片 球面镜片 解决问题的办法 镀膜 镀膜主要是为了减少镜头表面反射 提高光透过率 一层镀膜只对一种色光起作用 而多层镀膜则可对多种色光起作用 多层镀膜通常采用不同的材料重复地在透镜表面镀上不同厚度的膜层 多层镀膜可大大提高镜头的透光率 例如 未经镀膜的透镜每个表面的反射率为5 单层镀膜后降至2 而多层镀膜可降至0 2 这样 可大大减少镜头各透镜间的漫反射 从而提高影像的反差和明锐度 镜头的聚焦 前后移动 前后移动 红外镜头 IR镜头 原理 普通镜头 红外 IR 镜头 红外镜头 IR镜头 拍摄效果 非红外镜头 红外镜头 高清镜头具有更高的光学分辨率 因此成像更加细致 颗粒细微 光点 光斑 40万像素摄像机 200万像素摄像机 合适 模糊 合适 高清镜头 百万像素2百万像素3百万像素5百万像素8百万像素1千万像素 自动光圈镜头 AutoIRIS 自动光圈镜头有两类 一类是将一个视频信号及电源从摄像机输送到透镜来控制镜头上的光圈 称为视频输入型 另一类则利用摄像机上的直流电压来直接控制光圈 称为 输入型 采用自动光圈镜头 对于下列应用情况是理想的选择 它们是 1 在诸如太阳光直射等非常亮的情况下 用自动光圈镜头可有较宽的动态范围 2 要求在整个视野有良好的聚焦时 用自动光圈镜头有比固定光圈镜头更大的景深 3 要求在亮光上因光信号导致的模糊最小时 应使用自动光圈镜头 P iris是一种新型的自动 精确光圈控件 与DC光圈镜头不同 P iris控件的主要任务不是不停地调节穿过镜头的光线流量 P iris的主要目的是设置最佳光圈位置 以便大部分时间镜头的中心及效果最佳的部分可得到使用 从而提高图像质量 这个位置叫做特定景深值 在此处镜头的效果最好 光学误差大大减少 可得到最佳图像质量 在对比度 分辨率和景深方面 这是带P iris的网络摄像机的默认设置 P IRIS 新的发展方向 在自动光圈镜头基础上 增加对镜头焦距的电动调节功能 由于当镜头的焦距改变后 成像面也会相应变化 还需要有相应的聚集调节功能 因此 这种镜头除了内置自动光圈调节电动机外 还有两个用于调节焦距和聚集的电动机 可由人工通过施加控制电压来控制 故而又称为 两可变 镜头 此种镜头如只有自动光圈功能 则称为二可变电动镜头 如自动光圈功能可手动操作 称为三可变电动镜头 电动变焦镜头 透雾镜头是利用长波长的光可以绕射过雾气粒子的特点 利用这部分光来成像 即可实现透雾的效果 而成像系统能够透雾的前提是镜头对这部分光有较强的透射能力 普通镜头对这部分光的透射能力只有不到30 而高档的透雾镜头可以达到80 以上 普通模式 透雾模式 5公里海面透雾 17公里城市透雾 透雾镜头 一般厂商推出的所谓透雾摄像机 采用对被摄物体钩边 然后将色彩饱和度 对比度提升 进而得到所谓的透雾效果 没有利用非可见光成像 被雾气遮挡的物体就不可能显示出来 透雾镜头 30 镜头焦距的确定 1 1 焦距的应用在实际应用中 经常会有用户提出该摄像机能看清多么远的物体或该摄像机能看清多么宽的场景等问题 这实际上由所选用的镜头的焦距来决定 因为焦距决定了摄取图像的大小 用不同焦距的镜头对同一位置的某物体摄像时 配长焦距镜头的摄像机所摄取的景物尺寸就大 反之 配短焦距镜头的摄像机所摄取的景物尺寸就小 31 成像场景的大小与成像物体的显示尺寸是互相矛盾的 举个例子来说 用同一支摄像机对同一个停车场进行监视 选用短焦距镜头可以对整个停车场的全景进行监视并看到出入口外的车辆进出 但却不能看清该辆车的牌照号码 该车在监视器屏幕上仅占据了很小的面积 而选用长焦距镜头虽可以看清该辆车的牌照号码 该车占据了屏幕上的大部分面积 却又不能监视到整个停车场的全貌 因此当需要既监视全景以要看清局部时 一般应考虑配用电动两可变或电动三可变镜头 镜头焦距的确定 2 32 2 校正概念 某摄像机能够 看多远 比如100m 500m甚至1km远外的物体还能否在监视器上清晰地显示出来 理论上 任何一种镜头均可拍摄很远的物体 并在CCD靶面上成一很小的像 但受CCD单元 像素 物理尺寸的限制 当成像小到小于CCD传感器的一个像素大小时 便不再能形成被摄物体的像 即使成像有几个像素大小 该像也难以辨识为何物 镜头焦距的确定 3 33 一般来说 镜头焦距越长 看 得就越远 但同时视场角却变小 结果观看的范围变窄了 比如若用标准镜头刚好看清远处某人的基本特征 是男或是女 则换用长焦距镜头则可能看清其面部特征 但却无法看见该人穿的是什么裤子和鞋 这部分已经 涨 出了画面 而换用广角镜头则只可能看到画面中有人 连男女都分辨不出 但却可看清该人在整个监视场景中的所处的位置 周围还有什么别的人物或参照物 因此 关于 看多远 的较为科学的说法应该是 在屏幕上成的像大小可对应于实际观测距离处多高或多宽的景物 例如 用8mm镜头观测10m远处的景物 如果该处有10个人站成一排则刚好可横向充满整个监视器屏幕 镜头焦距的确定 4 34 3 计算公式镜头的焦距 视场大小及镜头到被摄取物体的距离的计算如下 f wD Wf hD Hf 镜头焦距 单位 毫米w 图象的宽度 被摄物体在ccd靶面上成象宽度 单位 毫米W 被摄物体宽度 单位 米D 被摄物体至镜头的距离 单位 米h 图象高度 被摄物体在ccd靶面上成像高度 单位 毫米H 被摄物体的高度 单位 米 镜头焦距的确定 5 35 4 应用1 已知物体的大小 距离和镜头CCD规格 求镜头的焦距 焦距 宽 毫米 f1 wD W焦距 高 毫米 f2 hD H2 已知焦距 物体的大小和镜头CCD规格 求物体距离 物距 宽 米 D1 fW w物距 高 米 D2 fH h3 已知焦距 物距和镜头CCD规格求其视场宽高 物宽 米 W wD f物高 米 H hD f4 已知镜头焦距求视角水平视场角 度 aw 2arctg w 2f 垂直视场角 度 ah 2arctg h 2f 5 已知镜头视角求焦距已知水平视场角 求焦距和垂直视角 f w 2 tg aw 2 ah 2arctg h 2f 已知垂直视场角 求焦距和水平视角 f h 2 tg ah 2 aw 2arctg w 2f 镜头焦距的确定 6 36 1 求焦距实例1 已知物体的大小 距离和镜头CCD规格 求镜头的焦距 用1 3 的摄像机 摄像机安装在收银员的2米高的上方 需要监控制收银员2米宽的柜台情况 选用多少毫米的镜头 镜头焦距的确定 实例1 37 镜头焦距的确定 实例1 38 已知w 4 8mm D 2m W 2m 求焦距 按焦距 宽 毫米 f1 wD W公式计算 f 4 8X2000 2000 4 8mm 则选用4 8mm的镜头即可 镜头焦距的确定 实例1 39 2 在实际应用中 有些参数可能不是直接给出 而是需要我们经过转换得到 已知 看多远 求焦距 计算1 3英寸图像传感器 图像分辨率为D1 在10m处能看清车牌时镜头的焦距范围 镜头焦距的确定 实例2 40 车牌大小约为45cm 15cm 要看清车牌 车牌在画面中所占象素大小必须大于120 30 分为以下两种情况 全画面都为车牌 此时物宽为45cm 物高为15cm 由焦距计算软件得焦距 按物宽计算 106mm 按物高计算 240mm 要同时看清车牌 焦距最大为106mm 画面里120 30个象素为车牌 此时物宽为 704 120 45cm 270cm 物高为 576 30 15cm 285cm 由焦距计算软件得焦距 按物宽计算 17 778mm 按物高计算 12 632mm 要同时看清车牌 焦距最小为18mm 所需焦距范围为 18mm 106mm 镜头焦距的确定 实例2 41 已知监控范围 求焦距 具体的应用环境参见下图 监控范围为停车线到红绿灯杆 车的高度为1 6m 宽度为2m 镜头焦距的确定 实例3 42 假设摄像机正对着车 设车身长4m 摄像头水平装在杆子上6m处 可以得到垂直视场角约为arctg 6 24 4 17度 根据公式f h 2 tg ah 2 可知需焦距为12mm左右的镜头 根据公式aw 2arctg w 2f 水平视场角为22度左右 根据公式D1 fW w 在20m处可以看到宽8m的范围 镜头焦距的确定 实例3 43 44 2 求物距实例上例中 若镜头为4mm 9mm 则车牌在什么位置能被看清 此时只需计算最远距离 则物宽为 704 120 45cm 270cm 物高为 576 30 15cm 285cm 假设成像时宽成像在ccd的宽上 焦距为9mm时 按宽算 D f h H 9mm 4 8mm 2 7m 5m按高算 D f v V 9mm 3 6mm 2 85m 7m 要同时看清楚 选择5m 焦距为4mm时 按