安防摄像机里的镜头

安防摄像机使用的镜头和其他摄影摄像设备使用的镜头在光学性能上基本一致,所以安防摄像机的镜头也遵循基本的光学成像原理。

焦距

焦距,也称为焦长,是光学系统中衡量光的聚集或发散的度量方式,指从透镜中心到光聚集之焦点的距离。
在安防摄像机中,即是从镜片光学中心到CMOS sensor成像平面的距离。
安防摄像机使用的镜头是凸透镜,因此焦距是正值,一束光线经过凸透镜后将会聚焦在CMOS sensor一个点上。

视角

在摄影学中,视角(angle of view)是在一般环境中,摄像机可以接收图像的角度范围,也可以常被称为视野。

视角描述的是摄像机镜头所可以拍摄的图像角度,一般来说镜头的成像圈都够大到足以完全覆盖感光元件sensor(不能覆盖的情况下面会讲)。
因为实际拍摄的目标是三维的,所以摄像机的视角可以分别表述为垂直视角,水平视角和对角线视角。

视角

视角计算公式

$θ = 2tan^{-1}\dfrac{L}{2f}$
视角计算

其中,θ是视角,L是图像传感器尺寸,f是焦距。图像传感器有边长,宽长,对角线长,对应的计算出来的视角就是水平视角,垂直视角和对角线视角。
从以上公式可以看出,一个给定方案(即sensor尺寸确定)的摄像机可视角度只与镜头的焦距有关。很多时候我们认为和摄像机分辨率有关,其实一点关系都没有。
根据以上公式,我们来计算一个1/3’,2.8mm镜头的摄像机的可视距离。
1/3’sensor对应的—靶面尺寸为宽4.8mm*高3.6mm,对角线6mm。代入公式,计算可得:

$水平视角θ = 2tan^{-1}\dfrac{4.8}{2*2.8} =81.2°$

$垂直视角θ = 2tan^{-1}\dfrac{3.6}{2*2.8} =65.47°$

海康HIK Design tool),安讯士三星等厂商都有提供镜头视角的计算工具,可以使用参考。
实际安防项目中,除了考虑镜头的可视角度,另外一个可视距离更重要。针对不同的监控目的,比如看清楚人脸,看清楚车牌,识别男女性别等,我们如何选择摄像机,如何从像素密度选择合适的摄像机,可以参考这篇文章:从像素密度考虑摄像机选型

根据公式,我们可以算出不同焦距摄像机的可视角度。

不同焦距镜头的视角(水平视角)(°)

靶面尺寸2.8MM3.6MM4MM6MM8MM
1/1.896.0181.6575.7354.842.49
1/2.884.8770.8365.2446.2135.49
1/381.267.3861.7943.633.4
1/465.4753.1348.4633.425.36

(注意:数据仅供参考,镜头尺寸和摄像机sensor尺寸一致的理想情况。实际中,摄像机可能达不到理想状况,例如镜头的靶面比sensor靶面大。)
从以上计算我们可以看出,靶面越大,视角越大。焦距越小,视角越大。

靶面

镜头靶面和sensor的靶面概念一样,即是上文提到的镜头成像圈的大小。sensor的尺寸一般用其对角线的长度表示,镜头的靶面一般指其直径。和sensor一样,镜头靶面也用英寸表述。常见的如1/2’,1/2.5’,1/2.7’,1/3’等等。
假如镜头的靶面范围无法涵盖整个sensor,则成像圈会被看见,实际成像的图像四周会伴随严重的边缘暗角,在这个状态下,视角会被成像范围所限制。(如下图左边的情况)
另一方面,如果镜头靶面比sensor的靶面小很多,那sensor的成像能力会被浪费很多。(如下图右边的情况)
所以最好的情况即镜头靶面和sensor靶面完全一致,一般我们默认在这种情况下讨论摄像机成像效果。(下图中间的情况)

镜头靶面和sensor靶面匹配示意图

光圈

光圈(Aperture),用来控制镜头孔径大小的部件。通过这个孔径可以控制镜头景深、同时和快门协同能控制进光量(即曝光)。对于已经制造好的镜头,不能随意改变镜头的直径,但是可以通过在镜头内部加入多边形或者圆型,并且面积可变的孔状光栅来达到控制镜头通光量,这个装置就叫做光圈。

在光学中,光圈也被叫做焦比(f-number,或称f值、f比例、相对孔径、光圈值、光圈系数等,习惯上简称“光圈”)表达镜头的焦距和光圈直径大小的关系。简单来说,焦比等于焦距数除以孔径数。

ƒ值公式:D = ƒ/N

上式中,ƒ是焦距,N是实际孔径的数字表示,D是光圈值。

惯例上,“ƒ/#”视为一个整体用来描述光圈值,书写时数值替代符号中的#。举个例子,若焦距值是光圈直径的1倍,那么ƒ值是 ƒ/1.0,或N=1。

从公式中我们可以看出透过镜头到达感光元件sensor的光的照度和光圈孔径的平方成正比,和光圈数的平方成反比。
f值越小,光圈就越大,进光量也越大,同时景深越浅(景深参考下文)。

标准全级光圈值尺度

ƒ/#0.50.71.01.422.845.681116

全级光圈值中相邻两个光圈数的平方比为1:2,因此,相邻两个光圈值的镜头照度相差一倍。

除了光圈大小,还可以通过控制镜头的曝光时间来控制进光量的多少,同时加上一些自动增益的方法(即曝光控制),在特殊场景下,比如明暗对比强烈,能获取清晰的图像效果。比如BLC,WDR,曝光区域。关于曝光控制,WDR宽动态等以后会有文章专门介绍。

景深

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。
一般的,

  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。

更多关于景深的概念,可以参见我拟写的这篇文章:景深

镜头的接口

安防行业里,常用的镜头接口主要有这样几种:

  1. M12/D14接口

这样的镜头一般也称为板机镜头,或者MTV镜头。其中M12镜头接口带螺纹,D14为直插。M12接口的完整表述一般是M12P0.5,指镜头接口螺纹的公称直径为12mm,P0.5是指螺纹的螺距为0.5mm。同样D14指镜头接口的直径为14mm。
因为M12/D14都是比较小的接口,有时把这两种接口叫做S接口。

  1. C/CS接口

C指cinema,C接口镜头的起源于摄影机镜头。目前,C接口是安防摄像机、机器视觉摄像机、显微镜等的标准接口。
C接口镜头提供一个公口的螺纹与摄像机的母口配合。根据“ANSI B1.1”标准设计,螺纹的直径是1英寸(25毫米),每英寸32圈螺纹。C接口镜头到芯片sensor的距离是17.526毫米。
C接口是最初的标准,CS接口是对其的升级,这样可以降低制造成本并减小传感器尺寸。现在市场上销售的绝大多数安防摄像机和镜头都使用CS接口标准。
CS接口镜头到芯片sensor的距离12.52毫米,其余参数同C接口。因此我们可以使用一个“5mm接环”将“C接口镜头”转换成“CS接口”镜头。
如果摄像机无法聚焦,可以考虑是否使用了错误的镜头接口类型,是否需要加一个5mm的转接环。

  1. 卡口

专业的摄影摄像摄像机,一般使用的镜头接口都是卡口型的。常见有A卡口,E卡口,EF卡口,K卡口,Q卡口,645卡口等。

  1. 大口径接口

机器视觉和工业用摄像机,因为使用的sensor靶面尺寸很大,所以选用接口直径很大的镜头,比如M42和M58,这样对应的镜头接口直径就是42mm,58mm。

镜头分类

我们可以通过以上镜头的相关参数信息,将镜头进行分类。

  • 按焦距分
    固定焦距的镜头(中,长,短焦距的镜头)
    可变焦距的镜头
  • 按调焦方式
    可变焦镜头又可以分为手动调焦和电动自动变焦
  • 按光圈
    按照光圈可分为固定光圈和可变光圈。
    可变光圈又可以分为手动调节光圈和自动光圈。
    自动光圈镜头有视频驱动,DC驱动,P-irisi-CS等种类。
  • 按安装接口
    按镜头接口类型划分可以参考上面的介绍。
  • 按使用环境
    可分为星光镜头,日夜两用镜头,透雾镜头等。

特殊用途的镜头及功能

  • 鱼眼镜头(鱼眼镜头的很多参数性能不遵循一般镜头规律,后续会有文章单独介绍)
  • 透雾镜头
  • 防抖(Eis)
  • 畸变矫正
  • 除热浪
  • 星光镜头
  • 近红外
  • 摄像机支持自动后焦调整(ABF)

镜头镜片材质

一般的安防镜头镜片材质是塑料或者玻璃,更多的是两者的混合。因为一个镜头可能不止一片镜片。例如某款安防镜头注明镜片构成是2G5P,意味着其有7层镜片,其中2层玻璃,5层塑料。
塑料镜片的优势是重量更轻,价格便宜,非球面更容易浇铸和压膜成型。缺点则是折射率更低,比玻璃更容易划伤表面,面形不像玻璃那样精确。

佳能的一款定焦镜头(RF85mm F1.2 L IS USM DS)的结构
佳能的一款定焦镜头(RF85mm F1.2 L IS USM DS)的结构

镜头的评价

镜头评价函数不是线性的,常用的镜头评价优化方法有约束最小二乘算法以及全面优化方法。评价的内容包括色彩,视场平衡,畸变等。
评价镜头性能的其他参数还有:

  • MTF,Modulation Transfer Function(调制传递函数)是分析镜头的解像能力效果的比较科学的方法。MTF虽然是一种标准,但有些影像效果非标准化能够衡量出来的,所以MTF只是个参考值而非全部。
  • 透射率(透光率)。透光率是一个物理词汇,是表示光线透过介质的能力,是透过镜片的光通量与其入射光通量的百分率。
    镜头镜片并非百分百透光,会有反射,散射,折射,衍射。一般的,给镜头镜片镀膜,能减少这些因素,增加镜头的透光性,目前最好的镜头能达到99.9%的透光率。
  • 解像力(镜头分辨率)。镜头的解像力是对黑白条纹密度的分辨能力,镜头能分辨的最高密度值为该镜头的极限分辨率,用线对/毫米(lp/mm)为单位。一般的镜头边缘解像力等于中心解像力的60%。镜头的解像力最好和sensor的解像力匹配。
  • 色差,像差,衍射。 比如佳能研发的微米级衍射光栅层叠结构,逆向思维利用通常会降低画质的衍射现象控制光路。1片DO镜片就能达到萤石镜片和非球面镜片的补偿效果。采用DO镜片可补偿色像差,实现高画质及镜头的小型化。

参考资料:

  1. 视角
  2. 焦比
  3. 曝光值
  4. 工业相机 镜头接口的种类
  5. 《光学设计手册:原书第三版》机械工业出版社.2018年1月
  6. 镜头和相机的匹配问题
  7. 镜头解像力
  8. Bearing CAM Focus System
  9. Special issues with fisheye lenses
  10. Discovering the Creative World on the Other Side of the Lens
  11. Camera lens
  12. Fisheye lens
  13. 佳能EF镜头的技术介绍
  14. 佳能EF镜头超级光谱镀膜
  15. 镜头通识
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引用通告 & 通告

  1. […] 安防摄像机里的镜头 一文中有说过MTF,Modulation Transfer […]

  2. […] 安防摄像机里的镜头 […]

  3. 网络摄像机说道:

    […] 除了核心的方案以外,网络摄像机里的镜头也值得关注,尤其现在星光全彩摄像机正炙手可热。大光圈镜头配合大靶面的sensor。镜头光圈越大,能进入摄像机,达到sensor的光线就越多。关于镜头,光圈等信息,可以阅读安防摄像机里的镜头 一文。 […]

  4. […] 安防摄像机里的镜头 […]

  5. 鱼眼镜头说道:

    […] 安防摄像机里的镜头 […]

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谈笑有鸿儒,
往来无白丁。

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