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镜头焦距的确定
在选择镜头时,有以下五个因素确定镜头标准:
(1)监控现场的大小;
(2)被摄物体的大小;
(3)物距;
(4)焦距;
(5)CCD靶面尺寸。
前4点可由现场测量并通过计算来确定镜头的焦距标准,其计算方法如下:
u1/3″CCD F=4.8×
L/W或F=3.6×
L/H
u1/2″CCD F=6.4×
L/W或F=4.8×
其中,W为被摄物体的宽度;
H为被摄物体的高度;
L为镜头到被摄物体间的距离;
F为镜头焦距。
那么为何在镜头的选用中考虑CCD靶面的尺寸呢?
为了从1/3″与1/2″CCD摄像机中获取同样的视角,1/3″CCD摄像机镜头焦距必须缩短;
相反如果在1/3″CCD与1/2″CCD摄像机中采用相同焦距的镜头,情况又如何呢?
1/3″CCD摄像机视角将比1/2″CCD摄像机明显地减小,同时1/3″CCD摄像机的图像在监视器上将比1/2″CCD的图像放大,产生了使用长焦距镜头的效果。
另外我们在选择镜头时还要注意这样一个原则:
即小尺寸靶面的CCD可使用大尺寸靶面CCD摄像机的镜头,反之则不行。
原因是:
如1/2″CCD摄像机采用1/3″镜头,则进光量会变小,色彩会变差,甚至图像也会缺损;
反之,则进光量会变大,色彩会变好,图像效果肯定会变好。
当然,综合各种因素,摄像机最好还是选择与其相匹配的镜头。
手动光圈及自动光圈的选择
镜头光圈分手动和自动两种。
以往由于摄像机的使用在室外或其它特殊场合等缘故,所以较多选用自动光圈镜头。
在目前的监控工程中,由于智能建筑大量使用CCTV系统,室内监控点占较高的比例。
而许多工程商在做工程设备报价时,也同样喜欢采用自动光圈镜头。
虽然自动光圈镜头对监控点的光线变化适应性较强,但其价格也明显高于相同焦距的手动定焦镜头。
而现在大多数的摄像机都有电子快门,室内的光源也较为稳定,因此,智能建筑项目中大量采用自动光圈镜头没有太大的必要;
另一方面,现在市场上用的自动光圈镜头分为二大类:
a.电源驱动自动光圈镜头;
b.视频驱动自动光圈镜头。
电源驱动自动光圈镜头是通过四根线控制镜头的,其中两根为DC12V或DC24V电源来驱动镜头中的马达,另两根控制线通过镜头内的光感应点感应外部光源的照度来控制光圈的大小;
视频驱动自动光圈镜头则是通过三根线来控制镜头的,其中一根为视频触发信号来起动光圈,并控制光圈大小,另二根为DC12V或DC24V电源线驱动电机马达。
目前市场上大多黑白或彩色摄像机虽然有自动光圈镜头接口,但除了少数可以兼容二种镜头以外,大多数摄像机不能兼容,只能使用电源驱动自动光圈镜头或视频驱动自动光圈镜头。
如果在使用中当一些摄像机损坏时,新购入的摄像机就有与原来的自动光圈镜头是否兼容的问题。
但当工程中的监控点在室外时,采用带自动光圈的镜头是必要的,因为室外的光线的动态范围变化较大,夏日阳光下环境照度达50000Lx-100000Lx;
夜间路灯时仅为10Lx,变化幅度相当大。
在这种情况下摄像机无论是否具有自动调整灵敏度功能即通过摄像机本身的电子快门已不可能适应这么宽的照度范围,也就无法达到控制图像效果的作用。
在电视监控系统中如何根据现场被监视环境,正确选用摄像机镜头是非常重要的,因为它直接影响到系统组成后在系统末端监视器上所看到的被监视面画的效果能否满足系统的设计要求(就画面范围或图像细节而言),所以正确的选用摄像机镜头可以使系统得到最优化设计并可获得良好的监视效果。
摄像机镜头就光圈而言可分为手动光圈镜头及自动光圈镜头两种,就焦距而言又可分为定焦镜头及变焦镜头两种。
下面就以使用环境的不同谈如何正确选用摄像机镜头。
1、手动、自动光圈镜头的选用
手动、自动光圈镜头的选用取决于使用环境的照度是否恒定。
对于在环境照度恒定的情况下,如电梯轿箱内、封闭走廊里、无阳光直射的房间内,均可选用手动光圈镜头,这样可在系统初装调试中根据环境的实际照度,一次性整定镜头光圈大小,获得满意亮度画面即可。
对于环境照度处于经常变化的情况,如随日照时间而照度变化较大的门厅、窗口及大堂内等,均需选用自动光圈镜头(必须配以带有自动光圈镜头插座的摄像机),这样便可以实现画面亮度的自动调节,获得良好的较为恒定亮度的监视画面。
对于自动光圈镜头的控制信号又可分为DC及VIDEO控制两种,即直流电压控制及视频信号控制。
这在自动光圈镜头的类型选用上,摄像机自动光圈镜头插座的连接方式上,以及选择自动光圈镜头的驱动方式开关上,三者注意协调配合好即可。
2、定焦、变焦镜头的选用
定焦、变焦镜头的选用取决于被监视场景范围的大小,以及所要求被监视场景画面的清晰程度。
镜头规格(镜头规格一般分为1/3″、1/2″和2/3″等)一定的情况下,镜头焦距与镜头视场角的关系为:
镜头焦距越长,其镜头的视场角就越小(见图1所示);
在镜头焦距一定的情况下,镜头规格与镜头视场角的关系为:
镜头规格越大,其镜头的视场角也越大。
所以由以上关系可知:
在镜头物距一定的情况下,随着镜头焦距的变大,在系统末端监视器上所看到的被监视场景的画面范围就越小,但画面细节越来越清晰;
而随着镜头规格的增大,在系统末端监视器上所看到的被监视场景的画面范围就增大,但其画面细节越来越模糊。
在镜头规格及镜头焦距一定的前提下,CS型接口镜头的视场角将大于C型接口镜头的视场角。
镜头视场角可分为图像水平视场角以及图像垂直视场角,且图像
水平视场角大于图像垂直视场角,通常我们所讲的视场角一般是指镜头的图像水平视场角。
在狭小的被监视环境中如电梯轿箱内,狭小房间均应采用短焦距广角或超广角定焦镜头,如选用镜头规格为1/2″,CS型接口,镜头焦距为3.6mm或2.6mm镜头,这些镜头视场角均不小于99°
或127°
,这对于摄像机在狭小空间里一般标高为2.5m左右时,其镜头的视场角范围足以覆盖整个近距离狭小被监视空间。
也可根据现场实际情况选用手动变焦镜头如日产ComputarT2Z2814CS-2镜头,这种镜头为1/3″CS型接口手动光圈镜头,其焦距2倍可调(手动调焦)。
调焦范围为2.8~6.0mm,视场角变化范围为96°
~47.2°
,这种镜头非常适合在狭小的被监视环境中使用,在使用时可方便地根据实际需要,灵活实现对被监视场景的“点”或“面”的监视效果。
对于一般变焦(倍)镜头而言,由于其最小焦距通常为6.0mm左右,故其变焦(倍)镜头的最大视场角为45°
左右,如将此种镜头用于这种狭小的被监视环境中,其监视死角必然增大,虽然可通过对前端云台进行操作控制,以减少这种监视死角,但这样必将会增加系统的工程造价(系统需增加前端解码器、云台、防护罩等),以及系统操控的复杂性,所以在这种环境中,不宜采用变焦(倍)镜头。
在开阔的被监视环境中,首先应根据被监视环境的开阔程度,用户要求在系统末端监视器上所看到的被监视场景画面的清晰程度,以及被监视场景的中心点到摄像机镜头之间的直线距离为参考依据,在直线距离一定且满足覆盖整个被监视场景画面的前提下,应尽量考虑选用长焦距镜头,这样可以在系统末端监视器上获得一幅具有较清晰细节的被监视场景画面。
在这种环境中也可考虑选用变焦(倍)镜头(电动三可变镜头),这可根据系统的设计要求以及系统的性能价格比决定,在选用时也应考虑两点:
(1)在调节至最短焦距时(看全景)应能满足覆盖主要被监视场景画面的要求;
(2)在调节至最长焦距时(看细节)应能满足观察被监视场景画面细节的要求。
通常情况下,在室内的仓库、车间、厂房等环境中一般选用6倍或者10倍镜头即可满足要求,而在室外的库区、码头、广场、车站等环境中,可根据实际要求选用10倍、16倍或20倍镜头即可(一般情况下,镜头倍数越大,价格越高,可在综合考虑系统造价允许的前提下,适当选用高倍数变焦镜头)。
3、正确选用镜头焦距的理论计算
摄取景物的镜头视场角是极为重要的参数,镜头视场角随镜头焦距及摄像机规格大小而变化(其变化关系如前所述),覆盖景物镜头的焦距可用下述公式计算:
(1)f=u?
D/U
(2)f=h?
D/H
f:
镜头焦距、U:
景物实际高度、H:
景物实际宽度、D:
镜头至景物实测距离、u:
图像高度、h:
图像宽度
举例说明:
当选用1/2″镜头时,图像尺寸为u=4.8mm,h=6.4mm。
镜头至景物距离D=3500mm,景物的实际高度为U=2500mm(景物的实际宽度可由下式算出H=1.333?
U,这种关系由摄像机取景器CCD片决定)。
将以上参数代入公式
(1)中,可得f=4.8?
3500/2500=6.72mm,故选用6mm定焦镜头即可。
摄像部分一般安装在现场,它包括摄像机、镜头、防护罩、支架和电动云台。
它的作用是对监视区域进行摄像并将其转换成电信号。
一、像机分为彩色和黑白两种,一般黑白摄像机要比彩色的灵敏度高,比较适合用于光线不足的地方,如果使用的目的只是监视景物的位置和移动,可采用黑白摄像机;
如果要分辨被摄像物体的细节,比如分辨衣服和景物的颜色,则采用彩色的比较好。
摄像机的规格可分为1/3〃、1/2〃和2/3〃等,安装方式有固定和带云台二种。
二、镜头
常用的镜头种类包括:
手动/自动光圈定焦镜头和自动光圈变焦镜头两种。
定焦镜头分为标准镜头和广角镜头两种。
定焦镜头的适用范围如下:
手动光圈镜头:
所需监视的环境照度变化不大,如室内。
自动光圈镜头:
所需监视的环境照度变化大,如室外。
广角镜头:
监视的角度较宽,距离较近。
标准镜头:
监视的角度和距离适中。
变焦镜头分为10倍、6倍和2倍变焦镜头,另一种分法是:
手动变焦和电动变焦(电动光圈和自动光圈)两种。
变焦镜头在规则上可以划分为:
1/3〃、1/2〃和1〃等。
选择变焦镜头的原则是:
镜头的规格不应小于摄像机的规格,也就是说1/2〃的镜头可以与1/3〃的摄像机一起使用,但是1/3〃的镜头就不能够在1/2〃的摄像机上使用。
二、镜头参数
㈠相对孔径
光圈的主要作用是通过控制镜头光量的大小满足成像所需的合适照度。
光圈越大,靶面成像照度越大,摄像机输出信号强度越大,信噪比越高。
若光圈的实际孔径为ψ,由于光线通过透镜后的折射使镜头的有效孔径D比实际孔径大,光圈的相对孔径等于有效孔径与镜头焦距之比,即:
A=D/f,f为镜头的焦距。
㈡光圈系数
通常将表征镜头光圈大小的参数定义成光圈系数,用F表示。
光圈系数为镜头光圈相对孔径的倒数。
F值的规律是后一个值正好是前一个数值的√2倍,这是由于成像面中心亮度与(1/F)2成正比。
F值越小相应灵敏度越大。
常用值为1.4、2、2.8、4、5.6、8、11、16、22等几个等级。
㈢视场角
我们常用视场角来表征观察景物的范围。
所谓视场角是指在视场角内的景物可全部落入成像尺寸内,而视场角以外的景物将不被摄取。
因此,镜头的视场角与摄像机的靶面及镜头的焦距有关。
根据几何原理可以得到视场角的计算公式如下:
ωH=2tg-1(h/2f)ωV=2tg-1(v/2f)
式中ωH为水平视场角,ωV为垂直视场角,f为镜头的焦距,h为摄像机靶面的水平宽度,v为摄像机靶面的垂直高度。
具体数值可参阅摄像机一节。
当成像尺寸确定后,焦距越短,视场角越大。
因此可将镜头分为长角镜头(视场角小于45°
)、标准镜头(视场角为45°
~50°
)、广角镜头(视场角大于50°
)、超广角镜头(视场角接近180°
)、鱼眼镜头(视场角大于180°
)等。
另外,我们还可以得到如下公式以计算其中任一未知项数据。
f/v=D/Vf/h=D/H
其中:
f───镜头焦距;
D───镜头至景物距离;
h───靶面宽度;
H───靶面高度。
三、镜头接口
镜头的安装方式有C型安装和CS型安装两种。
C型安装接口指从镜头安装基准面到焦点的距离为17.526mm,而CS型接口的镜头安装基准面到焦点距离为12.5mm。
因此将C型镜头安装到CS接口摄像机时需要加装一个5mm厚的接圈。
四、镜头的发展
镜头是影响图像品质的重要关键,如果镜头品质不佳,自然难拍摄出清晰的画面,传统的摄像机镜头所采用的镜片,可以通称为球面镜头,这是以镜头内镜片的表面曲线为球面形状来命名的。
顾名思义,非球面镜头就是采用了不同于球面曲线的技术,也就是镜片研磨的形状为抛物线、二次曲线、三次曲线或高次曲线,这将依据设计功能上的不同而会有不同形状的曲线,因此统称为非球面镜头。
传统球面镜头为了校正相差、色差、球差、彗差、畸变、相散等问题,必须采用多片镜片来校正,这使得镜头的体积变的较大,由于每个镜片多少会有精度上的误差,因此要达到理想值并不容易,非球面镜头由于在设计时便已经考量到校正的因素,因此可以减少镜片的数量,使得镜头的精度更佳、清晰度更好、色彩还原更为准确,镜头内的光线反射得以降低,镜头体积也可以缩小。
以往非球面镜头多应用在仪器、机械加工设备上,但随著加工技术的提升,使得品质、效能提升,因此应用越来越广。
目前非球面镜头除了具备高清晰度,录制的图像能够当作法律证据外,新推出的非球面镜头还具备变倍高、物距短、光圈大的特性,变倍高可以简化镜头的种类,物距短可以应用在近距离摄像的场合,光圈大则可以适应光线较暗的场所,使得应用领域日渐宽广。
而在CCTV应用领域中也推出了非球面镜头,可以使用于一些如银行这类对于摄像品质要求较高的场所。
五、CCTV中的特殊镜头
在特殊的CCTV安全镜头族群中,值得一提的品种包括光纤镜头、管道镜头、分像镜头、拐角镜头、中继镜头、自动聚焦镜头、安定镜头和长程镜头。
这些镜头各有所长,可以实现普通镜头所无法完成的特殊功能。
㈠光纤镜头和管道镜头
设计难度较大的监控系统中往往需要使用粘连光纤束镜头。
与通常用于视频信号传输的单模光纤和多模光纤不同,这种光纤束是由上千根单独的玻璃光纤粘连在一起组成的。
它可以将物镜得到的光学图像传输到十几厘米到几米远的地方。
中继镜头从光纤束处理到图像后,再将其传送到摄像机的传感器上。
通过光纤镜头取得的画面,其质量不如通过普通镜头取得的画面好。
因此,这种镜头只能用在普通镜头无法解决问题的场合。
光纤镜头分为刚性和柔性两种。
高分辨率(450线)的粘连光纤束中有几万根玻璃纤维,光学图像就是通过这些纤维从一端传输到另一段,每根光纤在光纤束两端的几何阵列中所处的位置完全相同。
完整的“光纤镜头”除了包括这个光纤束外,还需要在前面加装成像用的物镜,在后端加装传递图像用的中继镜头(以便图像会聚到传感器上)。
光纤镜头通常用于穿过厚墙对隔壁房间的监视,有时也用在必须将摄像机与镜头分开一端距离的场合。
另一种常用的长距离采光镜头是管道(borescope)镜头。
管道镜头由直径为0.04~0.5英寸、长6~30英寸的通光管、杆状镜头和多联式中继镜头共同组成。
中间的镜头用于将物镜形成的光学图像传送给后面的镜头,进而传送到摄像机传感器上。
单杆镜头使用的是独特的GRIN(gradedindex,渐变折射率)玻璃杆,光学图像在通过它之间能够重新聚焦。
由于杆和镜头的直径都很小,只有少量的光线能透入摄像机内部,因此这种系统的光学速度较慢,通常为f/11和f/30。
这一特性使得管道镜头只能与光线充足的场景和高灵敏度的摄像机配用。
因为管道镜头中使用的都是玻璃透镜,它的图像质量比光纤镜头要好一些。
㈡分像镜头
能够将两个单独场景同时成像的同一摄像机上的镜头称作分像镜头或双焦镜头。
这种镜头使用两个分开的透镜或双焦镜头。
这种镜头使用两个分开的透镜获取两个场景的图像后,再将其投射到摄像机的传感器上,其中的两个透镜焦距可能相同,也可能不同;
可能朝向同一方向,也可能朝向不同的方向。
分像镜头的转接器可以起到同样的作用。
除了用于连接摄像机的接口外,转接器上还有两个C型接口或CS接口,可以连接两个普通镜头,从而实现“一机两景”。
根据双焦镜头设计的不同,最后得到的双景图像可以是左右分割的,也可以是上下分割的。
所以定焦镜头、变焦镜头、针孔镜头或其它镜头,只要其接口是C型或CS型的,就都可以用到这种转换器上。
侧镜位置安装的可调式反射镜可以改变镜头观察的方向。
在侧镜旁边再加装一只反射镜,就可以让两中镜头对准同一场景。
在这种情况下,如果前镜使用广角镜头(6.5mm),侧镜使用狭角镜头(75mm),就构成一个双焦镜头,与之相连的摄像机可以同时看到同一场景的广角和狭角的图像。
在左右分割时,每个镜头的水平视场都变为正常情况下的1/2(每个镜头只能使用传感器的一半宽度)。
将分像镜头旋转90°
,可以得到上下分割的图像。
双焦镜头在监视器上形成的图像是倒转的,因此需要将摄像机倒转过来安装。
三向光学分像镜头可以同时观察三个不同的场景。
三分镜头主要用于观察丁字型走廊,但是也可以作其它用途。
使用三分镜头,可以同时观察三个不同的场景(放大倍数可以相同,也可以不同),而这三个场景是显示在同一监视器上。
这样,我们就节省了两只摄像机、两台监视器和一只画面分割器。
每个场景占据在监视器屏幕的1/3面积。
镜头上的可调光学器件允许分别调节三个物镜的仰角,以适用长短不同的走廊需要(长走廊镜头接近水平,短走廊需要镜头略微冲下)。
与双分镜头一样,摄像机也要倒转安装。
㈢拐角镜头
拐角镜头使得摄像机可以做贴墙式的安装,即摄像机与轴线与墙面相平行。
在墙壁后面的空间比较有限的场合,像柜员机、天花板或升降机内,拐角镜头将会是一个很好的解决方案。
拐角光学镜头使得2.6mm镜头的轴线变得与摄像机的轴线相垂直,因为2.6mm镜头的视场可以达到110°
,所以使用反光镜来解决这个问题将是不可能的。
因为平面反射镜无法将全部场景反射到摄像机镜头上。
这种黑边(vignitting)现象将使得我们无法在监视器上看到场景的部分边缘。
拐角转接器可以套接所有焦距的镜头,但镜头必须带有C型或CS型的接口。
㈣中继镜头
中继镜头用来将镜头或粘连光纤束聚焦的光学图像传送到摄像机传感器上。
这种镜头必须与其它物镜一起使用,其自身不能成像。
在与光纤镜头配用时,它将光纤束输出端上面的图像投射到传感器上。
与分像镜头或拐角镜头配用时,它也可以将双景图像或改向的图像投射到传感器上。
中继镜头可以被看作是一个没有放大倍数的附加镜头,在与普通镜头配用时,它的主要作用是使得镜头和传感器之间的距离适当增大。
㈤自动聚焦镜头
自动聚焦镜头在安全方面的应用相当有限,这是因为它的价格比普通的手动调焦镜头要昂贵。
自动聚焦镜头主要用于便携式家用摄录机。
这种机器所使用的镜头都是变焦镜头。
自动聚焦技术共有三种:
主动红外测距、超声波定位和固态三角测量。
主动红外自动聚焦使用的是三角测量原理。
镜头中有一个发光二极管,可以向变焦镜头场景中心区域发射一小束红外线。
接收透镜将反射回来的红外光投射到镜头旁的两个硅探头上。
镜头内的微处理器电路再根据镜头聚焦环的物理位置和CCD传感器上得来的数据计算出目标与摄像机之间的距离。
之后,微处理器电路会控制变焦镜头上的电动聚焦环,使中心目标清晰地聚焦在传感器上。
自动聚焦镜头不能适用于所有的工作场合。
如果目标不反射红外光,或目标将所有红外光都反射到了其它方向,从而致使摄像机接收不到回光,或目标超出了系统的工作范围,都将无法触发系统的自动聚焦功能。
㈥安定镜头
在安全系统中,当镜头和摄像机在观察场景时晃动或震动时,就需要使用安定镜头。
安定镜头广泛应用在手提式摄录机、车载摄像机、空中平台摄像机和船载摄像机系统中。
安定镜头可以抵消摄像机因风吹而引起的严重晃动。
这种镜头系统内部设有活动光学器件,并通过这种器件的反向移动来抵消摄像机和场景之间相对移动。
初学者园地之摄象机
(一)
第二章前端部分的主要设备
第一节、摄像机
摄像机的发展速度很快,从摄像管到CCD元件,以其构成的CCD摄像机具有体积小、重量轻、不受磁场影响、具有抗震动和撞击等特点,同时清晰度、照度、可靠性等指标大大提高而被广泛应用。
CCD是ChargeCoupledDevice(电荷耦合器件)的缩写,它是一种半导体成像器件,因而具有灵敏度高、抗强光、畸变小、体积小、寿命长、抗震动等优点。
被摄物体的图像经过镜头聚焦至CCD芯片上,CCD根据光的强弱积累相应比例的电荷,各个像素积累的电荷在视频时序的控制下,逐点外移,经滤波、放大处理后,形成视频信号输出。
视频信号连接到监视器或电视机的视频输入端便可以看到与原始图像相同的视频图像。
一、CCD摄像机的分类
㈠按照成像色彩划分
CCD摄像机按成像色彩划分为彩色摄像机和黑白摄像机两种。
除色度处理方面不同外,其它原理基本一致。
主要有光学系统、光电转换系统、信号处理系统组成。
其中光电转换系统是摄像机的核心。
自然图像通过光学镜头成像于摄像机的光靶面上,彩色摄像机的光学系统中使用相干分色棱镜或特殊条状滤色镜将光信号分成红、绿、蓝三色光信号,光电转换系统通过摄像管或CCD元件利用电视扫描方法把光图像信号转换成随时间变化的视频电信号,再经放大、处理、编码而成为全电视信号。
㈡按照分辨率划分
按照分辨率划分为25万像素左右,对应彩色330线/黑白400线的低档型;
25万至38万像素之间,对应彩色420线/黑白500线的中档型;
38万像素以上,对应彩色大于或等于460线黑白570线以上的高档型。
㈢按照摄像机灵敏度划分
按照灵敏度可分为最低照度1至3lux的普通型;
0.1lux左右的月光型;
0.01lux以下的星光型以及原则上可以为0Lux,采用红外光源成像的红外照明型。
㈣按照CCD靶面尺寸划分
摄像机摄像器件(CCD)的尺寸分为1英寸、1/2英寸、1/3英寸、1/4英寸等。
其中以1/3英寸和1/2英寸最为常见。
CCD尺寸水平(mm)垂直
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