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安防监控系统镜头选用、安装与施工问题
发布时间:2015年1月27日 已被浏览 725
  

    镜头是摄像机的眼睛,其性能的优劣直接关系到摄像机成像画面是否清晰。因而若要实现摄像机的效能最大化,除了摄像机自身摄像组件与电路设计优良外,还需为其选配一款适当的镜头。

    安防监控系统镜头选用

    一、镜头的硬性指标

    1、镜头焦距:方案设计人员在考虑镜头指标时需要根据监控目标的位置、距离、CCD规格,以及监控目标在监视器上的图像效果等综合地来进行考虑,以选择最合适的焦距的镜头。比如,生产线监控,一般需要监看比较近的物体,而且对清晰度要求较高。这种情况,定焦镜头的效果一般要比变焦的好,所以通常会选择短焦距定焦镜头。

    如2.8mm、4mm、6mm、8mm等。又如监控室内目标时,选择的焦距不会太大,一般会选择短焦距的手动变焦镜头,如3.0-8.2mm、2.7-12.5mm等;道路监控中,多车道监控要用焦距短一些的,如6-15mm;十字路口的红绿灯车牌监控要用相应长一些的焦距,如6-60mm;城市治安监控一般就要用到焦距更长一些的电动变焦镜头,如6-60mm、8-80mm、7.5-120mm等;高速公路、铁路、河道、环境检测、森林防火、机场、边海防等,一般要用到大变倍长焦距的电动变焦镜头,如10-220mm、13-280mm、10-330mm、15-500mm及10-1100mm等。

    2、视场角范围:视场角范围计算是有公式的,知道镜头的焦距、CCD尺寸,视场角就可以推算出来。镜头有这样的规律:焦距越大,监控得越远,视场角就越小;焦距越小,监控距离就近,视场角就大,焦距和视场角是反比关系。如在一些有手动变焦镜头需求的项目中,视场角范围是最先需要考虑的,所以一般会根据视场角范围来确定所选焦距范围。电动变焦镜头因为是可以根据现场环境随时用键盘控制变焦、聚焦的,所以视场角范围不是太需要考虑。但是当电动变焦镜头的起始焦距过大(比如起始焦距超过20mm)时,是无法实现大范围监控的。

    3、镜头的光圈:镜头的通光量以镜头的焦距和通光孔径的比值来衡量(F=f/D),以F标记。每个镜头上均标有其最大F值,F值越小,则光圈越大。对于恒定光照条件的环境,可以选用固定光圈的镜头,这种一般为实验室环境;对于光照度变化不明显的环境,常会选用手动光圈镜头,即将光圈调到一个比较理想的数值后固定下来就可以了;如果照度变化较大,需24小时的全天候室外监控,应选用自动光圈镜头。

    自动光圈镜头分为两类:一类称为视频(VIDEO)驱动型,镜头本身包含放大器电路,采用将摄像头传来的视频幅度信号转换成对光圈马达的控制。另一类称为直流(DC)驱动型,利用摄像头上的直流电压来直接控制光圈。这种镜头只包含电流计式光圈马达,要求摄像头内有放大器电路。对于各类自动光圈镜头,通常还有两项可调整旋钮,一是ALC调节(测光调节),有以峰值测光和根据目标发光条件平均测光两种选择,一般取平均测光档。另一个是LEVEL调节,可使输出图像变得明亮或者暗淡。但需注意的是,如果光照度一直是不均匀的,比如监控目标与背景光反差较大时,采用自动光圈镜头的话,光圈的电机可能会一直处于随时动作的状态,监控的效果并不理想,这种情况下,一般需要镜头配合摄像机的背光补偿功能来实现,采用宽动态的摄像机也会有比较不错的效果。

    镜头的光圈开到最大的时候,它的解像力一般是最高的。至于原因可以用一个比喻来说明:假设镜头有10000个小洞来透光的,光源A,成像为B,在最大光圈情况下,A透过10000个洞形成的B是由10000个像组成的;在小光圈下,镜头中只有100个小洞是开放的,所以B只有100个像组成;在中等光圈下,这个值大概是2000左右,所以这个时候解像力就远高于小光圈。但是为什么我们不一直用大光圈从而获得最佳的解像力呢?这就牵涉到镜头的另外一个指标景深。当镜头对物体对焦时,在物体(聚焦点)前后若干距离内的物体,也会有比较清晰影像,景深即是这段前后比较清晰的距离范围。镜头的光圈和景深的大小成反比,大光圈的时候,几乎没有景深可言,得到的监控图像的背景将一片模糊。所以镜头的光圈并非是越大越好,还要看监控的环境。

    4、镜头的成像圆尺寸:在监控项目中,与枪型摄像机匹配的镜头的成像圆口径一般为1/3英寸或1/2英寸。镜头的成像圆不应小于摄像机的CCD尺寸,否则将出现黑角。相同焦距不同口径的镜头匹配同样尺寸的摄像机时,监控到的物体的距离及得到的视场角是有差异的。如在1/2英寸CCD的摄象机中,标准镜头焦距大概为12mm时,有30度的视场角;而在1/3英寸CCD的摄象机中,标准镜头焦距在8mm左右即可拥有30度的视场角。

    最后,还需要考虑镜头的接口类型,镜头接口与摄像机接口要一致。现在摄像机和镜头通常都是CS型接口,CS型摄像机可以和CS型、C型镜头配接,但和C型镜头接配时,必须在镜头和摄像机之间加转接环,否则可能碰坏CCD成像面的保护玻璃,造成CCD摄像机的损坏。C型摄像机不能和CS型镜头配接。

    二、镜头的可选性指标

    镜头可选性指标,如有AS非球面镜头、红外感应(IR)镜头、SD超低色散镜头、百万像素高清镜头、电动变焦AF自动聚焦镜头等。

    1、AS非球面镜片

    AS非球面技术大家都不陌生。改球面镜片为非球面镜片,从而将镜片边缘部最容易出现的球面像差纠正。体现在监控图像上,即改善广角时画面周边的成像质量;而且由于一片非球面可以抵得上数片球面镜片的作用,镜片数目的减少,也会减少色差,增加图像的对比度;并且镜头的长度将会有所减小,容易做出长度更短的镜头,但为了尽可能增大光亮度指标,镜头的口径一般不会变小,反而越大越好;再次,镜片数目的减少,光通过镜头时的损耗会小很多,也容易做出更大光通量的镜头,如F0.98。

    2、IR日夜转化

    IR日夜型镜头采用添加特殊元素的玻璃材料,提高了红外光波段的折射和聚焦率,使其更接近可见光的折射率水平,所以红外IR镜头可以做到白天和夜晚的共焦面,使监控画面全天候清晰。

    3、SD超低色散镜片

    SD超低色散镜片,由于玻璃中采用了特殊的材料,分为FK01和FK02两个等级,具有高折射低色散的特性,主要是针对可见光部分的光线,能使彩色图像鲜艳锐利。

    4、百万像素高清镜头

    百万像素本来是描述感光元件的像素数目的,现在被镜头厂商引伸出来加以利用了。镜头本身没有像素概念,但镜头的解像力有好有差。有的镜头厂家用单位距离内表现的黑白线对数来表现镜头的解像力,以区分普通镜头和百万像素镜头,也不失为一种表现手法。解像力就是一个镜头对于细节捕捉解析度高低的评估,解像力高的镜头,对于线条点块记录较为细腻,对于色彩的微小变化也能忠实反映。

    但这个特点却与锐度不是一回事,锐度一般指的是图形边缘的清晰程度,而解像力更多指的是层次而言。上文提过,同焦距条件下的定焦镜头成像一般要比变焦镜头好,好在哪里呢?定焦镜头解像力高,原因何在?就是因为镜头设计简单,用的镜片数量少,从而可以提高图像的对比度,减少色差等。应用AS非球面镜片、SD超低色散镜片同样可以提高镜头解像力。

    目前市场上出现的手动变焦百万像素镜头价格要比普通镜头高出数倍,加上网络摄像机中CMOS本身的一些缺陷,数据流的增大导致的传输带宽不够,以及存储上的问题,目前还没有办法大规模普及百万像素。但百万像素系统在外界条件允许的情况下,得到的图像质量确实比模拟的图像质量高出很多,视频截取放大后仍然清晰地监控图像在协助公安部门侦破犯罪案件方面有着很大的潜力。

    5、电动镜头AF自动聚焦技术

    AF自动对焦镜头,通过镜头内置的微处理器,对摄像机给出的复合视频信号取样、对比,给出图像明暗度的转换电压,驱动聚焦电机扫描,扫描过程中的最高电压即聚焦点的目标。经过1-3秒的搜索响应时间,即可实现清晰聚焦。自动聚焦镜头为目前比较尖端的应用,匹配模拟摄像机及带有模拟和网络两种输出信号的百万像素网络摄像机都可以实现。对同时需要操控云台转向及变焦、聚焦的普通监控来说,自动聚焦镜头只需转动云台方向即可实现清晰监控,监控远处目标也只需拉大变焦按键即可实现,免去了繁琐的监控过程,真正实现了随心监控。

    6、镜头穿尘透雾功能

    穿尘透雾是安防行业近期比较流行的一种监控需求。可见光在通过空气中的烟尘或雾气时,会被阻挡反射而无法通过,所以只能接收可见光的人眼是看不到烟尘雾气后门的物体的。而近红外光线由于波长较长,可以绕过烟尘和雾气并穿透过去,并且摄像机的感光元件可以感应到这部分近红外光,所以就可以利用这部分光线来实现穿尘透雾的监控。

    镜头安装与施工常见问题

    镜头施工与安装技艺并非高深莫测,然而在施工过程中,由于种种原因,镜头施工安装错误屡见不鲜,以致镜头结构或电路受损。那么,这些常见问题主要包含哪些呢?

    一、镜头配接环组装顺序错误

    镜头配接环组装顺序是工程人员在镜头安装上的最大盲点,由此带来的直接后果是镜头损坏。由于C与CS配接环在镜头安装上时有应用,而众多工程人员往往先把配接环与摄像机先组合锁紧,尔后再将镜头锁入配接环上,而部分镜头在设计上会以一种滑动结构配合摄像机背焦(BackFocus)的调整或是摄像机上松脱螺丝的机械背焦调整,这些调整下需要镜头能在配接环上转动或与配接环一起传动才能获得最佳焦距清晰点。但因为工程人员组装时出现排序错误,使得配接环死锁在镜头一侧。如此一来,在缺少自动背焦(ABF)功能情形下,松脱配接环,不但无法合理调整背焦,甚至出现因使力不当造成镜头螺牙磨损或镜头上塑料材质的螺牙座扭断。

    二、镜头组装未带手套致使镀膜损坏

    在镜头组装过程中,工程人员最常发生的施工故障即是未带手套或保护致使镀膜损坏。部分工程人员由于缺乏保护镜头(装上镜头保护盖进行安装)及施工时对精密设备或光学部件有保护及谨慎施作的意识,因而在镜头组装好时经常发现镜片面上残留有自己的指纹或其它污垢。经验老道的工程人员会取来适当的二氧化氯及拭镜布或鹿皮进行擦拭,然仍然有部分人员出于简便,选择用衣服一抹或用不当的纸巾擦拭,其不但对镜头镜片表面镀膜产生破坏,而且也伤及视频画面及镜头“元气”。

    三、镜头装于保护罩中未适当留下窗口间距

    安装电动镜头时,最容易被疏忽的是镜头装于保护罩中未适当留下窗口间距。工程人员在施工后做景深或焦距调整时,有时会发现,画面居然可看到摄像机或镜头本身在保护罩上反射的图像。此时即便通过操作景深(ZOOM)或调整焦距(FOCUS)仍无法改变画面扭动。经验不足的工程师会误以为摄像机自身没有调整好,然实为镜头在保护罩内安装错误间距所致。

    四、镜头在无适当保护下进行组装

    在镜头组装过程中,大部分工程人员都会小心翼翼地组装镜头。镜头价格不菲,稍有不慎造成镜头损坏,难逃其咎。然而,部分工程人员在组装摄像机与镜头时疏于保护,甚至选择在现场位置上进行。在缺少保护软垫等其他防范措施情形下,极易造成镜头外表损坏、内部光圈快门页片受损或风沙附着在镜片上。

    五、镜头组装自动光圈连接线路焊接错误

    在镜头厂家的努力下,大多类型镜头已实现预置线路及接头的处理,如此一来,类似线路焊接错误造成的镜头伺服马达烧毁不复存在。然而部分电动镜头由于供货或现场保护罩配合上存在一定瑕疵,因而工程人员仍需了解并熟练这些接线与细微电路焊接技术。笔者曾发现,在一个工程中出现所有镜头的自动光圈驱动线路接头焊接短路的事故,这给工程施作带来莫大(博客,微博)损失及成本消耗,身为工程商不得不预防此类问题发生。

    六、镜头的目标摄像推算方式

    镜头取像成像的公式及推算方式很多,下面介绍说明其中一种相对简易的方式。当然方式公式都不尽相同,以下仅供参考。

    焦距的计算

    1、公式计算法:视界大小和焦距的计算。视界大小是指被摄像物体的大小,视界的大小则是以镜头至被摄像物体距离,镜头焦距及所要看到的成像大小确定的。

    2、镜头的焦距视界大小及镜头到被摄像物体的距离的计算如下。

    基本公式:f=wL/W另一反推 f=hL/H;

    其中f:镜头焦距(mm);

    小写w:影像的宽度(被摄像体在摄像机CCD上成像的宽度mm);

    大写W:被摄像体的实体宽度;

    L:被摄像体到摄像机镜头的距离;

    小写h:影像高度(被摄像体在摄像机CCD上成像高度);

    视界高度(可看到的摄取场景);

    H:被摄物体的高度;

    CCD规格尺寸:单位mm规格。

    束语:与国际品牌相比,国内镜头产品不论质量还是价格上都在日趋贴近,中国的光学行业发展虽则晚于日韩诸国,然而在光学加工业中,中国镜头企业并不疏于国外竞争对手,在某些环节甚至强于国际厂商。

   
 
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