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。

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)。

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：

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

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⅓'，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：

景深

定义

焦点

弥散圆

景深(depth of field)

景深的计算

景深的计算公式

景深在线计算工具

安防里的应用

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