景深

这章主要讨论镜头的景深,关于镜头的其他参数可以参见镜头一节。
镜头的景深是个重要概念,影响了视频成像的效果和好坏,实际应用中,P-iris镜头,i-CS镜头都有通过控制景深来更好的呈现图像成像效果的,这个算是景深这个概念在安防领域的一个应用案例。实际中,摄影等静态拍照的应用中可能更关注景深,后面会说到。

定义

和摄影行业一样,安防摄像机里使用的镜头也是凸透镜。我们先来看几个关于凸透镜成像的概念:

焦点

与光轴平行的光线射入凸透镜时,理想的镜头应该是所有的光线聚集在一点后,再以锥状的扩散开来,这个聚集所有光线的一点,就叫做焦点。
焦点

弥散圆

点光源经过镜头在焦平面成的像是一个点,保持镜头与底片距离不变,沿光轴方向前后移动点光源,像平面上成的像就会成为有一定直径的圆形,只要这个圆形像的直径足够小,相片看去仍然够清晰,点光源圆形像再大些,相片会显得模糊,这个临界点光源圆形像,就是弥散圆(circle of confusion),又叫模糊圈。

在现实当中,观赏拍摄的影象是以某种方式(比如投影、放大成照片等等)来观察的,人的肉眼所感受到的影象与放大倍率、投影距离及观看距离有很大的关系,如果弥散圆的直径大于人眼的鉴别能力,在一定范围内实际影象产生的模糊是不能辨认的。这个不能辨认的弥散圆就称为容许弥散圆(permissible circle of confusion)。
弥散圆

在安防摄像机里,sensor相当于人眼,sensor尺寸大小类似于人眼的鉴别能力。这意味着弥散圆的尺寸如果小于单个sensor感光单元,那图像能清晰成像。sensor感光单元越大,那能容许的弥散圆的直径就越大。

景深(depth of field)

在焦点前后各有一个容许弥散圆,这两个弥散圆之间的距离就叫景深,即:在被摄主体(对焦点)前后,其影像仍然有一段清晰范围的,这段清晰的范围就是景深。换言之,被摄体的前后纵深,呈现在画面的影象模糊程度,都在容许弥散圆的限定范围内。
景深

景深的计算

景深的计算公式

  • δ:容许弥散圆直径
  • f:镜头焦距
  • F:镜头光圈
  • L:拍摄距离

前景深 ΔL1

$ΔL1 = \dfrac{FδL^2}{f^2 + FδL}$

后景深 ΔL2

$ΔL1 = \dfrac{FδL^2}{f^2 – FδL}$

景深 ΔL

$ΔL = ΔL1+ΔL2=\dfrac{2f^2FδL^2}{f^4 – F^2δ^2L^2}$


其中,后景深 > 前景深。
从景深计算公式可以看出,景深与镜头的光圈、焦距、拍摄距离以及容许弥散圆的大小有关。上面分析了,弥散圆的大小是由sensor尺寸决定的,所以当一个确定方案(已知sensor尺寸)的摄像机,其景深大小主要受镜头的光圈,焦距以及拍摄距离这三个因素影响。
从景深的计算公式中,不难看出:

  1. 光圈越大,景深越小;光圈越小,景深越大;
  2. 镜头焦距越长,景深越小;焦距越短,景深越大;
  3. 距离越远,景深越大;距离越近,景深越小。
    光圈越小,景深越大

景深在线计算工具

在摄影行业,专业的摄像机或镜头上一般都标有景深的大小。同时网络上有些在线的景深计算工具,可以比较方便的计算景深。
具体地址可以参见文末的参考资料。

安防里的应用

以上分析的着眼点在专业摄影领域,一般都是静态画面。回到安防领域,视频监控摄像头用来实时监控,并不是拍摄静态画面的。在监控场景里,人车都是在实时移动的,聚焦点其实是在不断变化的,这样景深变化的范围就更大了。从景深角度考虑,对于一个已知焦距的安防摄像机我们可以确定一个监控范围,在这个范围内图像都是清晰的。
在任何焦距条件下,对于安防监控来说,景深越大越好,意味着在有限的监控区域,图像肯定始终是清晰的。
另一方面需要注意不同焦距镜头的最优可视范围,这个需要通过摄像机的分辨率,监控目的(探测,监测,识别等)来综合考虑。一般的2.8mm镜头的最好可视距离是3-6米,如果我们把目标定在10米,什么都看不清,那也就失去监控的意义了。3.6mm镜头的可视范围大约是6-10米,6mm镜头时10-15米,依次类推。

对于安防摄像机生产厂家来说,通过景深计算公式,在已知焦距的情况下,能计算出使用多远距离的参考物,以便摄像机出厂时将镜头焦距调试到最好位置。
我们使用这个在线的景深计算工具,举个例子。选用安防摄像机比较常用的方案配置,比如摄像机sensor靶面1/3’,镜头光圈f/1.4,镜头焦距3.6mm。假如我们的参照物距离是2米,通过计算我们得知此时:前景深是1.02 m,后景深是47.09 m,显然这个2米距离合适。至少2.1米以上才能使景深达到无穷远。所以我们调试3.6mm镜头时,测试参考目标至少要在2.1米以上。
通过同样的计算,2.8mm镜头的参考目标距离要在1.3米以上,4mm镜头参考目标距离2.6米以上,6mm镜头参考目标距离5.8米以上,8mm镜头参考目标距离10.4米以上。
其中要特别注意焦距比较大的情况,例如6mm镜头,如果参考目标距离是5米,此时的景深是36.31米,这个距离已经超出了6mm镜头的可视距离。通过之前的分析我们6mm镜头的最优监控距离是10-15米,36.31米的景深已经完全能满足我们的需要了。所以我们尝试缩短参考目标距离,当参考目标距离是4.2米时,景深是15.23米,此时刚好是10-15米范围的极限。所以6mm镜头,参考目标的最短距离我们选择4.2米要比5.8米更好。

参考资料:

  1. 知乎:景深的原理是什么?
  2. 景深在线计算
  3. 维基百科-弥散圆
  4. TUTORIALS: DEPTH OF FIELD
  5. 景深在线计算
  6. DIGITAL CAMERA SENSOR SIZES
  7. 维基百科-景深
  8. 景深概念与计算
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引用通告 & 通告

  1. […] 更多关于景深的概念,可以参见我拟写的这篇文章:景深。 […]

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谈笑有鸿儒,
往来无白丁。

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