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安防视频监控系统如何选用摄像镜头?


摄像机镜头的种类繁多:从焦距上可分为短焦距、中焦距、长焦距和变焦距镜头;从视场的大小可分为广角、标准、狭窄或远摄镜头;从结构上可分为固定光圈定焦、手动光圈定焦、自动光圈定焦、手动变焦、自动光圈电动变焦、电动三可变、针孔、红外等镜头类型。在视频监控系统中,除单板机或超小型一体化机外,一般提到的摄像机均指的是CCD裸机。因此镜头选择得合适与否,直接关系到摄像质量的优劣,所以在视频监控系统的设计中,选择镜头是最关键最重要的环节之一。下面介绍镜头选用的几个具体问题。

一、镜头选择尺

由于镜头的成像尺寸、焦距、视场角等参数具有一一对应的关系,因此一些专业镜头生产厂商及公司(如日本精工及Computar等)还专门制作了如图1所示的镜头选择计算尺。

摄像镜头的选用(图2)

图1镜头选择计算尺

这种计算尺,由上下两个圆盘及一个透明的扇形片组成,其圆盘及扇形片上均有刻度,并分别标有视场角、被摄物体的水平及垂直尺寸、镜头的焦距、固体光电成像器件光敏面尺寸及被摄物体距CCD或CMOS摄像机的距离等参数。
当具体使用这种镜头选择尺时,可根据某个事先确定的已知量就可以计算出其他的量。例如,要确定1/3英寸CCD摄像机在配用8mm镜头时的视场角,及在离摄像机3m距离时被摄物体在监视器屏幕上所占面积的大小,就可首先旋动扇形片使标有1/3in的CCD光敏面尺寸刻度线对准上圆盘上8mm的焦距刻度线,这时,扇形片上的H线即指明了该镜头的水平视场角约为33°,V线则指明了镜头的垂直视场角度约为25°,然后旋转下圆盘使物距刻度线对准3m,则扇形片上H线的下方对应的物体尺寸刻度线1.6即表明了1/3in的CCD摄像机在配用8mm镜头时,可以将3m远处1.6m宽的物体摄入监视器。当物距增加到5m时,摄入物体的宽度则可达到2.7m。
需指出的是,在实际使用该盘时,多半都先选定物距及被摄物体的大小,然后从盘中选择计算出应配用镜头的焦距。

二、放大倍数

大家知道,摄像镜头的放大倍数和视场范围,取决于它的焦距长度和传感器的尺寸,而人的眼睛的视场范围则相对固定。如果两套摄像系统所看到的画面尺寸完全相同,我们就认为两者具有相同的视场范围和放大倍数。在视频监控系统中,焦距长度和视场范围,与人的眼睛的对应参数相同的镜头称为“标准镜头”,这种镜头的放大倍数为1。人的眼睛前部的晶状体中心到眼睛后部视网膜之间的距离,就是人眼的焦距,其数值大约为17mm。

大多数人的眼睛的视场范围和放大倍数都基本相同。有几种不同的配置可以实现1倍的放大倍数;25mm镜头与1in摄像机配用;16mm镜头与2/3in摄像机配用;12.5mm镜头与1/2in摄像机配用;8mm镜头与1/3in摄像机配用;6mm镜头与1/4in摄像机配用等。
一般,与传感器配用的焦距较短的镜头称为广角镜头;焦距较长的镜头则被称为望远镜头或狭角镜头。装有望远镜头的摄像机就像望远镜一样,能将画面放大,将视角缩窄,将被摄物体“拉近”,从而使观察者可以清楚地看到感兴趣的观察目标。广角镜头中的光学器件则使观察者可以看到更大的视场范围,同时将被摄物体“推远”。若将望远镜倒过来观看时,就可以看到这种“广角”的效果。
视频监控系统的放大倍数取决于两个因素:
•镜头的焦距和摄像机传感器的尺寸;
•监视器的尺寸。

(1)摄像机传感器的放大倍数。摄像机的放大倍数只取决于镜头焦距和摄像机传感器的尺寸这两个因素。摄像机的传感器尺寸如表1所示,它的大小是固定的,无法调节。因此,对于特定的摄像机来说,不管传感器平面上的光学图像有多大,摄像机只能看到传感器范围内的那部分。

表1摄像机传感器的尺寸
名称 水平尺寸(H) 垂直尺寸(V) 对角线尺寸(dS)
毫米 英寸 毫米 英寸 毫米 英寸
1in 12.7 0.5.0 9.6 0.38 16 0.63
2/3in 8.8 0.35 6.6 0.26 11 0.43
1/2in 6.4 0.25 4.8 0.19 8 0.31
1/3in 4.4 0.17 3.3 0.13 5.6 0.22
1/4in 33 0.13 2.5 0.10 4 0.16
1/6in 2.3 0.09 1.8 0.07 2.8 0.11
 


实际上,我们所说的放大倍数,是镜头与眼睛比较时的相对放大倍数。眼睛的焦距约为17mm,其放大倍数相当于与1in传感器配用的25mm镜头。这时,1in传感器的放大倍数
M(1in)=镜头焦距(mm)/25mm=f/25mm      (1)

所以,焦距为75mm的镜头在1in摄像机上的放大倍数为
M(1in)=f/25mm=75mm/25mm=3
对于2/3in的传感器,放大倍数为
M(2/3in)=镜头焦距(mm)/16mm=f/16mm      (2)
对于1/2in的传感器,放大倍数为
M(1/2in)=镜头焦距(mm)/12.5mm=f/12.5mm      (3)
对于1/3in的传感器,放大倍数为
M(1/3in)=镜头焦距(mm)/8mm=f/8mm      (4)

同样道理,对于1/4in传感器,其放大倍数为f/6mm;对1/6in传感器,其放大倍数为f/4mm。

由上可知,对所选定的CCD摄像机的传感器来说,其放大倍数只取决于镜头的焦距。

(2)监视器的放大倍数。当摄像机所摄图像显示在视频监控系统的监视器上时,场景会被进一步地放大。放大倍数等于监视器对角线(dm)与传感器对角线(ds)的比值,即
M(监视器)=dm/ds      (5)
如采用对角线为9in的监视器(dm=9in)和1/2in的传感器(由表1,Js=8mm=0.31in),按公式(5)计算如下:
M(监视器)=9/0.31=29
这样,我们可算出视频监控系统的整体放大倍数
M=M(传感器)xM(监视器)      (6)

例如,由25mm镜头摄得而投到1/2in的CCD上的图像显示在9in监视器上时,视频监控系统的整体放大倍数为M=25/12.5x29=58。值得指出的是,尺寸较大的监视器虽然可以提高放大倍数,但不能用来增加画面中的信息量(那是由传感器的分辨率决定的)。大尺寸监视器的作用是允许操作员坐(站)得远一点,并便于多人观看。

三、镜头与摄像机的接口

镜头与摄像机的接口安装方式有C型安装和CS型安装两种。这两种镜头的接口部位示意图如图2所示,其中上半部为CS型镜头,下半部为C型镜头。

摄像镜头的选用(图3)

图2 C型安装和CS型安装镜头的接口部位

在视频监控系统中,大尺寸传感器的摄像机常用的镜头是C型安装镜头(1in32牙螺纹座),这是一种国际公认的标准。这种镜头安装部位的口径是25.4mm(1in),从镜头安装基准面到焦点的距离是17.526mm(0.69in)。小尺寸传感器的摄像机的镜头接口则作成CS型,它的直径和螺纹与C型一样。所不同的是,镜头的后安装面与传感器之间的距离缩短为12.5mm(0.49in),正好比C型接口短5mm(0.2in)。因此,将C型镜头安装到CS接口的摄像机时,需增配一个5mm厚的接圈,而将CS镜头安装到CS接口的摄像机时,就不需接圈。

值得注意的是,在实际应用中,如果误对CS型镜头加装接圈后安装到CS接口摄像机上,会因为镜头的成像面不能落到固体摄像机的成像器件光敏面上,而不能得到清晰的图像;而如果对C型镜头不加接圈就直接接到CS接口摄像机上,则可能使镜头的后镜面碰到成像器件的光敏面的保护玻璃,而造成CCD摄像机的损坏,这一点需特别引起注意。

四、常用摄像机镜头的类型及其参数

目前市场上应用较多的摄像机镜头大多为日本的产品,如Avenir(精工)、Computar、Yamano、Tamron(腾龙)、Rainbow(彩虹)和Cosmicar等。国产的镜头有福建光学仪器厂、长春市佶达光学电子仪器厂、大连光学仪器厂等。

(1)一般摄像机镜头的类型及参数。由于各厂家生产的镜头的类型及参数大同小异,而比较典型的有日本精工等厂家生产的摄像机镜头的各种类型及其参数,其说明书一般视频监控系统设计者手上都有,这里就不介绍了。

(2)单板式及微型摄像机小镜头的类型及其参数。由于隐蔽式视频监控系统,以及钻井与管道视频监视的需要,单板式与微型固态摄像机己大规模产业化,它们所需要的小光学镜头也越来越多样化,在这里也做一简单介绍。

单板式与微型CCD与CMOS摄像机目前所用的镜头都是小口径、固定焦距的简单形光学镜头,其通用接口为M12X0.5螺纹接口。典型的四种类型镜头的几何参数如图3所示。

摄像镜头的选用(图4)

图3 单板式与微型CCD摄像机镜头几何参数

其光学镜头座一般固定在单板机或微型机上,镜头出厂时基本被调到对无穷远目标成清晰图像。只是在需要时镜头可借助有限的螺纹旋岀,达到对有限距离目标成像。这种小型镜头的焦距大多是广角的,如3.6mm、2.8mm等。

五、选用镜头的步骤

一般,在为固体摄像机选择镜头时,需按下列步骤进行逐一选择核对。

(1)所需监控的监视点需要观察的视场范围有多大?根据各点的观察范围和距离逐一选择焦距。选择时可用镜头选择尺,若手头无镜头选择尺,则按透光率公司进行计算选择。

(2)所监控的场景的照明情况如何?照度变化大不大?从而考虑是用手动光圈镜头还是自动光圈镜头。监控场景环境照度变化不大,或监控目标的照度相对比较固定的场所,选用手动光圈镜头;若照度变化大,就要用自动光圈镜头,这时还需考虑是选用直流驱动还是视频驱动方式,并且注意镜头上的驱动插头要与摄像机上的插孔一致(四针方形或圆形)。

(3)客户在观察整个场景时,是否需要仔细观察某个目标的细节?如果需要,则考虑是使用手动变焦镜头还是电动变焦镜头,是两可变镜头还是三可变镜头。通常,在需要远近都能看清楚观察目标的情况下,就需使用变焦镜头。在视频监控系统中,很少使用手动变焦镜头。若照度变化频繁,就使用两可变镜头,一般多使用三可变镜头。

(4)要根据摄像机的传感器的尺寸来选择匹配的镜头的成像尺寸。如摄像机的传感器的尺寸为1/3in时,最好选镜头的尺寸也为1/3in等。

(5)考虑摄像机与镜头的接口类型是C型还是CS型,要不要使用5mm的接圈。现在的摄像机的接口通常都是CS型接口,镜头最好也选CS型接口,若镜头是C型接口,就要使用5mm的接圈。

(6)根据监控场景的地点的情况和客户的要求,是否须选用特殊光学镜头、红外镜头与非球面镜头等。