监控镜头的种类与应用选择

1、监控镜头的种类与应用选择文档修订历史记录日期版本说明修订人A0初始发布镜头镜头，这里特指监控摄像机的镜头，简称监控镜头，别名是安防镜头，安防镜头，CCTV镜头，PeakFire镜头，英文名称是Surveillance camera，分辨率高于电脑的视频头，但赶不上专业的数码相机或dv。本章从镜头的分类、主要参数和镜头选择等多个方面进行了详细阐述，并结合工程项目中的应用进行了分析和总结。1 镜头分类根据应用场合分类的不同，监控镜头的种类可以分为以下几种：广角镜头视角90度以上，观察范围较大，近处图像有变形，一般用于电梯轿厢内、大厅等小视距大视角的场合。标准镜头视角30度左右，使用范围较广，一般用

2、于走道及小区周界等场所。长焦镜头视角20度以内，焦距从几十毫米到上百毫米，用于远距离监视。变焦镜头镜头焦距连续可变，焦距可以从广角变到长焦，焦距越长则成像越大，用于景深大，视角范围广的区域。针孔镜头用于隐蔽观察，经常被安装在如天花板或墙壁等地方。以上分类主要依据镜头的视角，而视角则由焦距决定，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。举个简单的例子，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（是否有痣或疤），但却无法看见该人穿的是什么裤子和鞋（这部分已经“溢”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

3、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。 图1 镜头视角与可视距离（看清人脸距离）表1 常见镜头视角和使用距离镜头焦距规格视角使用距离2.1mm1/3150度小视距大视角2.5mm1/3130度小视距大视角2.8mm1/3115度小视距大视角2.8mm 固定光圈1/3115度小视距大视角3.6mm1/396度5*5米4mm1/378度5*5米6mm1/3

4、53度8-10米8mm1/340度10-18米12mm1/323度20-30米16mm1/317度20-30米25mm1/317度30-50米3.5-8mm手动变焦1/396-45度6-15mm 手动变焦1/354-23度6-36mm 电动变倍1/351-9度8.5-51mm 电动变倍1/357-10度6-60mm 电动变倍1/352-6度1/3 CCD镜头最远距离计算简单估算方法：3.6MM、6MM、8MM、12MM、16MM、25MM乘上2.4就是最远多少米距离了。2 镜头主要参数分辨率 监控镜头上通常都有分辨率的说明，以高清镜头为例，Meag Pixel(MP)代表百万像素，前面的数字代

5、表具体的几百万像素。镜头的分辩率是指在成像平面上1毫米间距内能分辨开的黑白相间的线条对数，单位是“线对/毫米”（lp/mm，line-pairs/mm）。镜头对黑白等宽的测试线对图并不是无限可分辨的。当黑白等宽的测试线对密度不高的时候，成像平面处黑白线条是很清晰的。当黑白等宽的测试线对密度提高时，在成像平面处还是可以分辨出黑白线条，但是白线已不是那么白了，黑线也不是那么黑了，白线黑线的对比度就会下降。当黑白等宽的测试线对密度提高到某一程度，在成像平面处黑白线的对比度非常小，黑白线条都变成了灰的中间色了，这就到了镜头分辨的极限。图 黑白等宽的测试线好的镜头和差的镜头的分辨率是有很大不同的。测试镜

6、头分辨率的一种方法是将待测镜头装在一个胶片照相机上。去拍摄黑白条纹图（分辨率图版），然后用高倍放大镜（镜头分辨率检测仪）检测底片上每毫米范围内能清晰分辨的线条对数，能分辨得越多则分辨率越高。按照我国照相机检测标准（JB745-65），一般135照相机的镜头中心视场达到37线对/毫米、边缘视场达到22线对/毫米，就算是一级镜头。靶面尺寸监控镜头上的1/3，1/2等等代表摄像机CCD(CMOS)靶面的大小，详细说明如下：1/4英寸：靶面尺寸为宽3.2mmx高2.4mm，对角线4mm。1/3英寸：靶面尺寸为宽4.8mmx高3.6mm，对角线6mm。1/2英寸：靶面尺寸为宽6.4mm*高4.8mm，对

7、角线8mm。2/3英寸：靶面尺寸为宽8.8mmx高6.6mm，对角线11mm。1英寸：靶面尺寸为宽12.8mmx高9.6mm，对角线16mm。焦距 镜头焦距：是指镜头光学后主点到焦点的距离，是镜头的重要性能指标。镜头焦距的长短决定着拍摄的成像大小，视场角大小，景深大小和画面的透视强弱。一般说：焦距就是透镜中心到焦点的距离。但这仅仅是单片薄透镜的情况，由于照相机的镜头都是由许多片透镜组合而成的，因此，情况远不是那么简单。图 镜头成像示意图镜头的焦距分为像方焦距和物方焦距。像方焦距是像方主面到象方焦点的距离，同样，物方焦距就是物方主面到物方焦点的距离。必须注意，由于照相机镜头设计，特别是变焦距镜头

8、中广泛采用了望远镜结构，物方焦距与像方焦距不一定相等。我们平时说的照相机镜头的焦距是指像方焦距，就是从镜片光学中心到底片、CCD或CMOS等成像平面的距离。接口监控镜头有C式和CS式两种，两者的螺纹均为1英寸32牙，直径为1英寸，不同是镜头距CCD靶面的间隔差异，C式安装座从基准面到核心的间隔为17.5毫米，比CS式间隔CCD靶面多一个专用接圈的长度，CS式距核心间隔为12.5毫米。别小瞧这一个接圈，假如没有它，镜头与摄像头就不能正常聚焦，图像变得模糊不清。图 C/CS镜头转接环C型镜头与CS型摄像机之间增加一个5mm的C/CS转接环可以配合使用。CS型镜头与C型摄像机无法配合使用。光圈系数光

9、圈系数即“相对孔径”的倒数。控制镜头进光量，需要由镜头所谓“孔径光阑”来控制。孔径光阑都是位于镜头内部，通常由多片可活动的金属叶片（称为光阑叶片）组成，可以使中间形成（近似）圆孔变大或者缩小，以达到控制通过光量大小的目的。我们用“孔径”来描述镜头的通光能力，而孔径受到光阑的控制。对于不同的镜头而言，光阑的位置不同，焦距不同，入射瞳直径也不相同，用孔径来描述镜头的通光能力，无法实现不同镜头的比较。为了方便在实际摄影中计算曝光量和用统一的标准来衡量不同镜头的孔径光阑实际作用，采用了“相对孔径”的概念。相对孔径 = 入射瞳直径 / 镜头焦距 = d/f网上好多资料都写反了，请注意：相对孔径和光圈系数

10、（又叫F数）互为倒数。光圈系数 = 镜头焦距 / 入射瞳直径 = f/d比如某个镜头的焦距为50mm，入射瞳直径为25mm，那么该镜头的相对孔径就是25/50=1/2。在实际使用中，通常都是用光圈系数来间接表示相对孔径的大小，比如f1.4、f2、f2.8等，也有直接用相对孔径来表示的，如1:2，1:2.8。完整的光圈系数值有，f1，f1.4，f2，f2.8，f4，f5.6，f8，f11，f16，f22，f32，f44，f64。这里值得一提的是光圈f值愈小，在同一单位时间内的进光量便愈多，而且上一级的进光量刚是下一级的两倍，例如光圈从f8调整到f5.6，进光量便多一倍，我们也说光圈开大了一级。景

11、深聚焦完成后，在焦点前后的范围内都能形成清晰的像，这一前一后的距离范围，便叫做景深。在镜头前方（调焦点的前、后）有一段一定长度的空间，当被摄物体位于这段空间内时，其在底片上的成像恰位于焦点前后这两个弥散圆之间。被摄体所在的这段空间的长度，就叫景深。换言之，在这段空间内的被摄体，其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，这段空间的长度就是景深。图 景深示意图实际上，后景深 前景深。3 镜头测试在镜头测试前，首先需要对摄像机进行配置。摄像机参数设置包括锐度设置、亮度设置、对比度、灵敏度设置、灰度设置、白平衡设置等。高清时代，很多监控摄像机都采用了CMOS感光芯片，而CMOS芯片在信噪

12、比和低照度环境下的效果要略逊于CCD芯片，在高质量要求监控环境下应用CMOS芯片摄像机，调整其参数就显得十分有必要了。在进行摄像机参数设置时，锐度和亮度设置都不应该过高，锐度过高会显得画面不够平滑、柔和，而亮度高会造成画面发白；灵敏度也应保持适中，过低的话不能很好的显示动态画面，而过高则有可能跳帧造成画面不流畅；如果使用的是CCD芯片摄像机，而又不太熟悉这些参数的设置则最好保持默认状态。解像力测试解析度测试测评的是镜头分辨物体细节的能力，以画面每单位高度的线条数来表示。这一测试通常会用到两种测试卡，一种是ISO测试卡，一种是EIA测试卡，如下图所示。ISO测试卡对应尺寸是16:9，EIA测试卡

13、则是4:3，这里主要介绍用ISO1233标准分辨率测试卡测试镜头的解析力。图 解像力测试卡通过对AVENIRETOKU精工镜头进行测试时，根据ISO测试标准设定光照、环境数据，正确连接、架设摄像机，注意监控镜头的焦平面应与测试板平行。在进行取景时，测试卡影像水平边缘应与测试板框线平行，并根据ISO的规定使测试卡有效高度充满影像画幅的高度（即测试卡铺满整个屏幕）。在进行摄像机参数设置时，原则上应保持出厂设置默认不变，没有出厂预设的参数按最可能使用的设定进行测量，并在测试结果上注明该信息。监控摄像机及镜头均调到最佳状态（画面最新清晰）后，用肉眼观察显示屏的影像画面，按如图标示的读数区读取线数，线数

14、读取规则从低频测开始跟踪，到线条数减少（如5条变为4条）、中间断开或开始模糊处为止。 图 ISO测试卡主要读数区域示意图红色区域为倾斜45方向、绿色区域为水平方向、紫色区域为垂直方向、蓝色区域为四周，般高清镜头四周分辨率（图中蓝色框内读数）要求至少达到1000线以上。色彩还原性测试发光体的颜色与其温度有关，大部分物体在相同温度下发出的光的颜色是一样的，但是在不同温度的光源环境下，物体发光的光谱会不同，也就是所谓的色温。人眼能够适应光的变化，因此在不同光线照射下物体的颜色看起来是一样的，而摄像机则不能自动适应光线的变化，因而当光线变化时，拍摄物体的颜色也会有变化。一款好的高清镜头能够较好的还原画

15、面的真实色彩，也就是具有较好的色彩还原能力。在AVENIRETOKU精工镜头色彩还原能力进行测试时，我们可以观察到，对测试镜头的色彩还原能力通常用到的是一种24色卡，如下图所示，色卡上有24种不同的颜色，对应每一种颜色都会有一个数值标识。测试时，变换不同光源，将摄像机拍下的色卡中各色块的数值与标准值比较，差异越小表示色彩还原能力越好。图 24色卡灰度测试灰度测试即是摄像机镜头对于白和黑之间颜色的分辨程度，灰度测试是监控镜头清晰度测试最基础的部分。镜头对灰阶的分辨能力越好，画面对比度就越高，图像也就越清晰。灰度测试通常用到灰阶测试卡，如下图所示，测试在不同光源环境下，比较拍摄测试卡所得图片的灰阶

16、分辨效果。图 灰阶测试卡红外镜头为了适应市场能全天候24小时的监控需求，人们不仅要求摄像机能够白天完成监视任务，还要在夜间能够呈现较清晰的画面。图 IR镜头和一般镜头夜晚成像对比IR镜头即红外镜头,它采用了特殊的光学玻璃材料,并用最新的光学设计方法,从而消除了可见光和红外光的焦面偏移,因此从可见光到红外光区的光线都可以在同一个焦面成像,使图像都能清晰。此外,红外镜头还采用了特殊的多层镀膜技术,以增加对红外光线的透过率,所以用IR镜头的摄像机比用普通镜头的摄像机夜晚监控的距离远,效果好。普通镜头在夜间用红外光的情况下,焦点位置会发生变化。使图像变模糊，需要再次调焦。IR镜头的焦点在红外光和可见光

17、都是一致的。也称齐焦镜头。图 一般镜头和IR镜头效果对比IR镜头主要用于夜视,监控摄像头上用的最多,这是因为可见光和红外光(IR光)的波长不一样,波长的不同,会导致成像的焦面位置不同,从而出现虚焦,画面模糊的现象。IR镜头通过红外校正,让不同光线聚焦在同一焦面位置上,从而使画面变得更清晰,满足夜间监控的需要。对于红外摄像机、日夜型摄像机推荐使用IR镜头，IR镜头会在镜头参数里面直接标注IR。 图 腾龙IR镜头由于红外功能是矫正红外光和可见光成像焦面的问题，故测试镜头的红外功能应在白天和晚上（通常是可以控制光源的暗箱）进行。具体做法是，把摄像机、镜头以及测试物架设好后置于暗箱中，打开光源并调好镜

18、头，使镜头效果达到最清晰；关掉光源，进行红外功能切换（大多摄像机支持自动切换），观察对比此时的监控画面与有光源情况下是否同样清晰。逆光测试镜头抗逆光能力的大小也是衡量镜头性能的重要指标之一，监控镜头要求能够适应各种环境下的拍摄，因此也对抗逆光能力提出了较高的要求。通常在逆光条件下拍摄的监控画面上会发现意外形成的光斑或者鬼影，特别是在有对强光（如太阳、大功率白炽灯）的时候。光斑的产生有两种原因，一个是镜片表面的反射，一个是镜头内壁的反射。这种反射是不能避免的，但可以有效地降低，多层镀膜技术以及内壁消光处理的应用可以很好的达到这一目的。镀膜能够增加镜片通光量从而减少反射，一般来讲，镜片颜色越深说明

19、镜片反射光线越少，镀膜越有效。测试镜头的抗逆光能力可以采取如下方法：如在AVENIRETOKU精工镜头镜头视场内放置色卡，同时放置强光光源，进行逆光拍摄，观察画面的显示情况，因AVENIRETOKU精工镜头都是采用了IRCoating多层镀膜技术，测试结果显示镜片减少光线散射损失，实现通光率的提升，画面很清晰，抗逆光能力强。当然，若镜头在测试过程中出现，画面上强光区域明显的偏白、带有杂色或者出现紫边，则抗逆光能力较差。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3种镜头的逆光拍摄对比，镜头水平一目了然。图 逆光测试对比图色散 色散是由于镜头对不同波长的光线聚焦不在同一焦平面（不

20、同波长的光线焦距不同），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。图 镜头边缘色散示意图在一幅照片中，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。图 镜头紫边控制对比图其他考虑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，但经过反射后则形成线偏振光

21、，此时使用偏振镜就可以消除这种反光。用于消除光滑镜面反光的偏振滤镜即偏光镜。在监控中经常会遇到玻璃反光景物的拍摄，例如下图，玻璃橱窗场表面反光导致内部景物不清晰，采用偏光镜后消除了表面反射光，内部景物清晰了。图 镜头偏光镜效果4 特殊功能镜头4.1 透雾镜头透过云雾、水气拍摄物体，相当于透过了两重透镜（水珠与实际透镜），除了R光线可以正确聚焦在CCD成像面上，RGB光线中的GB均无法正常的投射在CCD成像面上，这样就造成了普通模式镜头无法正常、清晰的得到云雾、水气中的图像。透雾系统，不但要求具有自动修正纵向色差上的特殊功能，而且对原有的日夜功能，对白天彩色RGB及夜晚的IR能量进行更精确的纵向

22、色差调整，使RGB及IR等大自然能量更准确、集中到镜头成像面上，从而达到透过云雾、水气拍摄环境及目标图像。图 透雾原理图普通镜头透过光谱的中心波长在500600m之间，透雾镜头不仅在普通光光线有很高的透过率，而且在红外光领域的长波光线(700nm-950nm)的透过率要求也非常高,且同时具备能控制这种高波长光线成像面(摄像机CCD 靶面)功能的镜头.通过将这种镜头与高性能日夜两用摄像机配套 使用,即使在雾气,灰尘,烟雾,小雨等可见光(彩色图像)环境 中,普通镜头只能得到模模糊糊画面,有效观察距离大大缩短的 恶劣条件下,也可拍摄到非常清晰,高对比度的黑白影像,提升 远距离观察效果.图 一般镜头和

23、透雾镜头透过率对比实现镜头的透雾功能要具有光学补偿和机械补偿可见光与红外光成像面差异的两种方法，保证所有可以利用的光线都准确聚焦到成像面上。当焦距超过300mm的长焦距时，可见光和红外光的成像面差异非常大，单纯的一种补偿方法将极为困难，不能达到清晰成像的要求。下图是富士能D60x12.5日夜透雾型镜头拍摄实例，地点：深圳滨河路与上步路口交叉口目标：香港鸡公山，实际距离为10公里。图 富士能透雾镜头实测效果一款好的透雾摄像机首先其传感器需求具备更高的分辨率和灵敏度。镜头需要足够的通光量和景深；同时其画面需求做到通透性好，细节保留程度高，色彩的饱和度高、还原能力强，没有图像偏暗或某些区域过度提升、

24、画面不自然的情况。透雾镜头最好与透雾摄像机配合使用，高性能日夜摄像机也可以，但与一般摄像机配合使用，就不能保证效果了。4.2 鱼眼镜头鱼眼镜头是一种焦距极短并且视角接近或等于180的镜头。它是一种极端的广角镜头，“鱼眼镜头”是它的俗称。为使镜头达到最大的摄影视角，这种摄影镜头的前镜片直径呈抛物状向镜头前部凸出，与鱼的眼睛颇为相似，“鱼眼镜头”因此而得名。鱼眼镜头属于超广角镜头中的一种特殊镜头，它的视角力求超出人眼所能看到的范围。 图 鱼眼镜头结构示意图和实际效果4.3 分像镜头能够将两个单独场景同时成像的同一摄像机上的镜头称作分像镜头或双焦镜头。这种镜头使用两个分开的透镜或双焦镜头。这种镜头使

25、用两个分开的透镜获取两个场景的图像后，再将其投射到摄像机的传感器上，其中的两个透镜焦距可能相同，也可能不同；可能朝向同一方向，也可能朝向不同的方向。图 分像镜头分像镜头的转接器可以起到同样的作用。除了用于连接摄像机的接口外，转接器上还有两个C 型接口或CS接口，可以连接两个普通镜头，从而实现“一机两景”。自动聚焦镜头由于长焦镜头焦距的增长使得控制聚焦成为了操作员工作中的一个主要操作。在早期的短焦产品（100mm以下）中，监控距离最多几百米。由于距离短，只要调整好摄像机和镜头后焦，几乎不需要对监控物体进行聚焦操作。但是随着焦距增长到750mm的今天，监控距离延伸到了几公里，具有自动对焦功能的镜头

26、也成了迫切需求，这种镜头要比手动调焦镜头昂贵很多。图 KOWA自动聚焦镜头和连接示意图安定镜头在安全系统中，当镜头和摄像机在观察场景时晃动或震动时，就需要使用安定镜头。安定镜头广泛应用在手提式摄录机、车载摄像机、空中平台摄像机和船载摄像机系统中。图 安定镜头安定镜头可以抵消摄像机因风吹而引起的严重晃动。这种镜头系统内部设有活动光学器件，并通过这种器件的反向移动来抵消摄像机和场景之间相对移动。光纤镜头与通常用于视频信号传输的单模光纤和多模光纤不同，这种光纤束是由上千根单独的玻璃光纤粘连在一起组成的。它可以将物镜得到的光学图像传输到十几厘米到几米远的地方。中继镜头从光纤束处理到图像后，再将其传送到

27、摄像机的传感器上。通过光纤镜头取得的画面，其质量不如通过普通镜头取得的画面好。因此，这种镜头只能用在普通镜头无法解决问题的场合。光纤镜头分为刚性和柔性两种。图 光纤镜头完整的“光纤镜头”除了包括这个光纤束外，还需要在前面加装成像用的物镜，在后端加装传递图像用的中继镜头（以便图像会聚到传感器上）。光纤镜头通常用于穿过厚墙对隔壁房间的监视，有时也用在必须将摄像机与镜头分开一端距离的场合。管道镜头 另一种常用的长距离采光镜头是管道（borescope）镜头。管道镜头由直径为 0.040.5英寸、长 630 英寸的通光管、杆状镜头和多联式中继镜头共同组成。中间的镜头用于将物镜形成的光学图像传送给后面的

28、镜头，进而传送到摄像机传感器上。单杆镜头使用的是独特的 GRIN（graded index，渐变折射率）玻璃杆，光学图像在通过它之间能够重新聚焦。由于杆和镜头的直径都很小，只有少量的光线能透入摄像机内部，因此这种系统的光学速度较慢，通常为 f/11 和 f/30。这一特性使得管道镜头只能与光线充足的场景和高灵敏度的摄像机配用。因为管道镜头中使用的都是玻璃透镜，它的图像质量比光纤镜头要好一些。图 管道镜头5 镜头选择监控镜头的选择主要从靶面尺寸、光圈类型、焦距、光圈系数和分辨率等方面进行考虑。靶面尺寸匹配监控镜头的靶面尺寸应该和摄像机的靶面尺寸匹配，选择镜头时还要注意这样一个原则：即小尺寸靶面的

29、CCD可使用大尺寸靶面CCD摄像机的镜头，反之则不行。原因是因为：如1/2 CCD摄像机采用1/3头，则进光量会变小，色彩会变差，甚至图像也会缺损；反之，则进光量会变大，色彩会变好，图像效果肯定会变好。当然，综合各种因素，摄像机最好还是选择与其相匹配的镜头。光圈类型自动光圈镜头对监控点的光线变化适应性较强，但其价格也明显高于相同焦距的手动定焦镜头。手动、自动光圈镜头的选用取决于使用环境的照度是否恒定。对于在环境照度恒定的情况下，如电梯轿箱内、封闭走廊里、无阳光直射的房间内，均可选用手动光圈镜头，这样可在系统初装调试中根据环境的实际照度，一次性整定镜头光圈大小，获得满意亮度画面即可。对于环境照度

30、处于经常变化的情况，如随日照时间而照度变化较大的门厅、窗口及大堂内等，均需选用自动光圈镜头(必须配以带有自动光圈镜头插座的摄像机)，这样便可以实现画面亮度的自动调节，获得良好的较为恒定亮度的监视画面。 镜头接口镜头接口分为CS接口和C接扣，二者之间有5mm的差距，需要注意镜头和摄像机匹配。C型镜头与CS型摄像机之间增加一个5mm的C/CS转接环可以配合使用。CS型镜头与C型摄像机无法配合使用。焦距选择定焦、变焦镜头和镜头焦距的选用取决于被监视场景范围的大小，以及所要求被监视场景画面的清晰程度。 在镜头规格一定的情况下，镜头焦距与镜头视场角的关系为：镜头焦距越长，其镜头的视场角就越小。在镜头物距一定的情况下，随着镜头焦距的变大，在监视器上所看到的被监视场景的画面范围就越小，但画面细节越来越清晰。在狭小的被监视环境中如电梯轿箱内，狭小房间均应采用短焦距广角或超广角定焦镜头。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