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　　初學(xué)者園地之鏡頭（一）
　　


　　第二節(jié)、鏡頭
　　
　　攝像機(jī)鏡頭的作用是把被觀察目標(biāo)的光像呈現(xiàn)在攝像機(jī)的靶面上，也稱光學(xué)成像。將各種不同形狀、不同介質(zhì)（塑料、玻璃或晶體）的光學(xué)零件（反射鏡、透射鏡、棱鏡）按一定方式組合起來，使得光線經(jīng)過這些光學(xué)零件的透射或反射以后，按照人們的需要改變光線的傳輸方向而被接收器件接收，即完成了物體的光學(xué)成像過程。
　　
　　光學(xué)鏡頭應(yīng)滿足成像清晰、透光率強(qiáng)、像面照度分布均勻、圖像畸變小、光圈可調(diào)等要求。
　　
　　一般來說每個鏡頭都由多組不同曲面曲率的透鏡按不同間距組合而成。間距和鏡片曲率、透光系數(shù)等指標(biāo)的選擇決定了該鏡頭的焦距。
　　
　　一、鏡頭分類
　　
　　攝像機(jī)鏡頭按其功能和操作方法分為常用鏡頭和特殊鏡頭兩大類。
　　
　　常用鏡頭又分為定焦鏡頭（自動和手動光圈）和變焦鏡頭（自動和手動光圈）。
　　
　　特殊鏡頭是根據(jù)特殊工作環(huán)境而專門設(shè)計的，一般有廣角鏡頭等。
　　
　　鏡頭
　　
　　隨著我國智能建筑行業(yè)的發(fā)展，安保技術(shù)在智能建筑中的地位與作用也與日俱增。閉路監(jiān)控電視（簡稱CCTV）系統(tǒng)作為一種安保技術(shù)，在賓館、涉外辦公樓、銀行、政府機(jī)關(guān)等場所越來越發(fā)揮著它的重要作用，包括現(xiàn)在的智能小區(qū)亦將CCTV系統(tǒng)作為安保及物業(yè)管理的一個重要手段。為了讓CCTV技術(shù)在智能建筑中發(fā)揮更好的作用，在每項閉路電視監(jiān)控工程中，如何正確選擇攝像機(jī)鏡頭，對于經(jīng)濟(jì)指標(biāo)與技術(shù)性能都是十分重要的。
　　
　　鏡頭的分類
　　
　　根據(jù)民用建筑的應(yīng)用場合鏡頭的種類大致可分為：
　　
　　（1）廣角鏡頭：視角在90度以上，一般用于電梯轎箱內(nèi)、大廳等小視距大視角場所；
　　
　?。?）標(biāo)準(zhǔn)鏡頭：視角在30度左右，一般用于走道及小區(qū)周界等場所；
　　
　?。?）長焦鏡頭：視角在20度以內(nèi)，焦距的范圍從幾十毫米到上百毫米，用于遠(yuǎn)距離監(jiān)視
　　
　?。?）變焦鏡頭：鏡頭的焦距范圍可變，可從廣角變到長焦，用于景深大，視角范圍廣的區(qū)域；鏡頭焦距的確定
　　
　　在選擇鏡頭時，有以下五個因素確定鏡頭標(biāo)準(zhǔn)：
　　
　?。?）監(jiān)控現(xiàn)場的大??；
　　
　?。?）被攝物體的大小；
　　
　?。?）物距；
　　
　?。?）焦距；
　　
　?。?）CCD靶面尺寸。
　　
　　前4點可由現(xiàn)場測量并通過計算來確定鏡頭的焦距標(biāo)準(zhǔn)，其計算方法如下：
　　
　　u1/3″CCDF=4.8×L/W或F=3.6×L/H
　　
　　u1/2″CCDF=6.4×L/W或F=4.8×L/H
　　
　　其中，W為被攝物體的寬度；H為被攝物體的高度；L為鏡頭到被攝物體間的距離；F為鏡頭焦距。
　　
　　那么為何在鏡頭的選用中考慮CCD靶面的尺寸呢?
　　
　　為了從1/3″與1/2″CCD攝像機(jī)中獲取同樣的視角，1/3″CCD攝像機(jī)鏡頭焦距必須縮短；相反如果在1/3″CCD與1/2″CCD攝像機(jī)中采用相同焦距的鏡頭，情況又如何呢?1/3″CCD攝像機(jī)視角將比1/2″CCD攝像機(jī)明顯地減小，同時1/3″CCD攝像機(jī)的圖像在監(jiān)視器上將比1/2″CCD的圖像放大，產(chǎn)生了使用長焦距鏡頭的效果。
　　
　　另外我們在選擇鏡頭時還要注意這樣一個原則：即小尺寸靶面的CCD可使用大尺寸靶面CCD攝像機(jī)的鏡頭，反之則不行。原因是：如1/2″CCD攝像機(jī)采用1/3″鏡頭，則進(jìn)光量會變小，色彩會變差，甚至圖像也會缺損；反之，則進(jìn)光量會變大，色彩會變好，圖像效果肯定會變好。當(dāng)然，綜合各種因素，攝像機(jī)還是選擇與其相匹配的鏡頭。
　　
　　手動光圈及自動光圈的選擇
　　
　　鏡頭光圈分手動和自動兩種。以往由于攝像機(jī)的使用在室外或其它特殊場合等緣故，所以較多選用自動光圈鏡頭。在目前的監(jiān)控工程中，由于智能建筑大量使用CCTV系統(tǒng)，室內(nèi)監(jiān)控點占較高的比例。而許多工程商在做工程設(shè)備報價時，也同樣喜歡采用自動光圈鏡頭。雖然自動光圈鏡頭對監(jiān)控點的光線變化適應(yīng)性較強(qiáng)，但其價格也明顯高于相同焦距的手動定焦鏡頭。而現(xiàn)在大多數(shù)的攝像機(jī)都有電子快門，室內(nèi)的光源也較為穩(wěn)定，因此，智能建筑項目中大量采用自動光圈鏡頭沒有太大的必要；另一方面，現(xiàn)在市場上用的自動光圈鏡頭分為二大類：a.電源驅(qū)動自動光圈鏡頭；b.視頻驅(qū)動自動光圈鏡頭。
　　
　　電源驅(qū)動自動光圈鏡頭是通過四根線控制鏡頭的，其中兩根為DC12V或DC24V電源來驅(qū)動鏡頭中的馬達(dá)，另兩根控制線通過鏡頭內(nèi)的光感應(yīng)點感應(yīng)外部光源的照度來控制光圈的大小；視頻驅(qū)動自動光圈鏡頭則是通過三根線來控制鏡頭的，其中一根為視頻觸發(fā)信號來起動光圈，并控制光圈大小，另二根為DC12V或DC24V電源線驅(qū)動電機(jī)馬達(dá)。目前市場上大多黑白或彩色攝像機(jī)雖然有自動光圈鏡頭接口，但除了少數(shù)可以兼容二種鏡頭以外，大多數(shù)攝像機(jī)不能兼容，只能使用電源驅(qū)動自動光圈鏡頭或視頻驅(qū)動自動光圈鏡頭。如果在使用中當(dāng)一些攝像機(jī)損壞時，新購入的攝像機(jī)就有與原來的自動光圈鏡頭是否兼容的問題。但當(dāng)工程中的監(jiān)控點在室外時，采用帶自動光圈的鏡頭是必要的，因為室外的光線的動態(tài)范圍變化較大，夏日陽光下環(huán)境照度達(dá)50000Lx－100000Lx；夜間路燈時僅為10Lx，變化幅度相當(dāng)大。在這種情況下攝像機(jī)無論是否具有自動調(diào)整靈敏度功能即通過攝像機(jī)本身的電子快門已不可能適應(yīng)這么寬的照度范圍，也就無法達(dá)到控制圖像效果的作用。
　　
　　在電視監(jiān)控系統(tǒng)中如何根據(jù)現(xiàn)場被監(jiān)視環(huán)境，正確選用攝像機(jī)鏡頭是非常重要的，因為它直接影響到系統(tǒng)組成后在系統(tǒng)末端監(jiān)視器上所看到的被監(jiān)視面畫的效果能否滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求（就畫面范圍或圖像細(xì)節(jié)而言），所以正確的選用攝像機(jī)鏡頭可以使系統(tǒng)得到*化設(shè)計并可獲得良好的監(jiān)視效果。
　　
　　攝像機(jī)鏡頭就光圈而言可分為手動光圈鏡頭及自動光圈鏡頭兩種，就焦距而言又可分為定焦鏡頭及變焦鏡頭兩種。
　　
　　下面就以使用環(huán)境的不同談如何正確選用攝像機(jī)鏡頭。
　　
　　1、手動、自動光圈鏡頭的選用
　　
　　手動、自動光圈鏡頭的選用取決于使用環(huán)境的照度是否恒定。
　　
　　對于在環(huán)境照度恒定的情況下，如電梯轎箱內(nèi)、封閉走廊里、無陽光直射的房間內(nèi)，均可選用手動光圈鏡頭，這樣可在系統(tǒng)初裝調(diào)試中根據(jù)環(huán)境的實際照度，一次性整定鏡頭光圈大小，獲得滿意亮度畫面即可。
　　
　　對于環(huán)境照度處于經(jīng)常變化的情況，如隨日照時間而照度變化較大的門廳、窗口及大堂內(nèi)等，均需選用自動光圈鏡頭（必須配以帶有自動光圈鏡頭插座的攝像機(jī)），這樣便可以實現(xiàn)畫面亮度的自動調(diào)節(jié)，獲得良好的較為恒定亮度的監(jiān)視畫面。
　　
　　對于自動光圈鏡頭的控制信號又可分為DC及VIDEO控制兩種，即直流電壓控制及視頻信號控制。這在自動光圈鏡頭的類型選用上，攝像機(jī)自動光圈鏡頭插座的連接方式上，以及選擇自動光圈鏡頭的驅(qū)動方式開關(guān)上，三者注意協(xié)調(diào)配合好即可。
　　
　　2、定焦、變焦鏡頭的選用
　　
　　定焦、變焦鏡頭的選用取決于被監(jiān)視場景范圍的大小，以及所要求被監(jiān)視場景畫面的清晰程度。
　　
　　鏡頭規(guī)格（鏡頭規(guī)格一般分為1/3″、1/2″和2/3″等）一定的情況下，鏡頭焦距與鏡頭視場角的關(guān)系為：鏡頭焦距越長，其鏡頭的視場角就越小（見圖1所示）；在鏡頭焦距一定的情況下，鏡頭規(guī)格與鏡頭視場角的關(guān)系為：鏡頭規(guī)格越大，其鏡頭的視場角也越大。所以由以上關(guān)系可知：在鏡頭物距一定的情況下，隨著鏡頭焦距的變大，在系統(tǒng)末端監(jiān)視器上所看到的被監(jiān)視場景的畫面范圍就越小，但畫面細(xì)節(jié)越來越清晰；而隨著鏡頭規(guī)格的增大，在系統(tǒng)末端監(jiān)視器上所看到的被監(jiān)視場景的畫面范圍就增大，但其畫面細(xì)節(jié)越來越模糊。在鏡頭規(guī)格及鏡頭焦距一定的前提下，CS型接*頭的視場角將大于C型接*頭的視場角。
　　
　　鏡頭視場角可分為圖像水平視場角以及圖像垂直視場角，且圖像水平視場角大于圖像垂直視場角，通常我們所講的視場角一般是指鏡頭的圖像水平視場角。在狹小的被監(jiān)視環(huán)境中如電梯轎箱內(nèi)，狹小房間均應(yīng)采用短焦距廣角或超廣角定焦鏡頭，如選用鏡頭規(guī)格為1/2″，CS型接口，鏡頭焦距為3.6mm或2.6mm鏡頭，這些鏡頭視場角均不小于99°或127°，這對于攝像機(jī)在狹小空間里一般標(biāo)高為2.5m左右時，其鏡頭的視場角范圍足以覆蓋整個近距離狹小被監(jiān)視空間。也可根據(jù)現(xiàn)場實際情況選用手動變焦鏡頭如日產(chǎn)ComputarT2Z2814CS－2鏡頭，這種鏡頭為1/3″CS型接口手動光圈鏡頭，其焦距2倍可調(diào)（手動調(diào)焦）。調(diào)焦范圍為2.8～6.0mm，視場角變化范圍為96°～47.2°，這種鏡頭非常適合在狹小的被監(jiān)視環(huán)境中使用，在使用時可方便地根據(jù)實際需要，靈活實現(xiàn)對被監(jiān)視場景的“點”或“面”的監(jiān)視效果。
　　
　　對于一般變焦（倍）鏡頭而言，由于其zui小焦距通常為6.0mm左右，故其變焦（倍）鏡頭的zui大視場角為45°左右，如將此種鏡頭用于這種狹小的被監(jiān)視環(huán)境中，其監(jiān)視死角必然增大，雖然可通過對前端云臺進(jìn)行操作控制，以減少這種監(jiān)視死角，但這樣必將會增加系統(tǒng)的工程造價（系統(tǒng)需增加前端解碼器、云臺、防護(hù)罩等），以及系統(tǒng)操控的復(fù)雜性，所以在這種環(huán)境中，不宜采用變焦（倍）鏡頭。
　　
　　在開闊的被監(jiān)視環(huán)境中，首先應(yīng)根據(jù)被監(jiān)視環(huán)境的開闊程度，用戶要求在系統(tǒng)末端監(jiān)視器上所看到的被監(jiān)視場景畫面的清晰程度，以及被監(jiān)視場景的中心點到攝像機(jī)鏡頭之間的直線距離為參考依據(jù)，在直線距離一定且滿足覆蓋整個被監(jiān)視場景畫面的前提下，應(yīng)盡量考慮選用長焦距鏡頭，這樣可以在系統(tǒng)末端監(jiān)視器上獲得一幅具有較清晰細(xì)節(jié)的被監(jiān)視場景畫面。在這種環(huán)境中也可考慮選用變焦（倍）鏡頭（電動三可變鏡頭），這可根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計要求以及系統(tǒng)的性能價格比決定，在選用時也應(yīng)考慮兩點：（1）在調(diào)節(jié)至zui短焦距時（看全景）應(yīng)能滿足覆蓋主要被監(jiān)視場景畫面的要求；（2）在調(diào)節(jié)至zui長焦距時（看細(xì)節(jié)）應(yīng)能滿足觀察被監(jiān)視場景畫面細(xì)節(jié)的要求。通常情況下，在室內(nèi)的倉庫、車間、廠房等環(huán)境中一般選用6倍或者10倍鏡頭即可滿足要求，而在室外的庫區(qū)、碼頭、廣場、車站等環(huán)境中，可根據(jù)實際要求選用10倍、16倍或20倍鏡頭即可（一般情況下，鏡頭倍數(shù)越大，價格越高，可在綜合考慮系統(tǒng)造價允許的前提下，適當(dāng)選用高倍數(shù)變焦鏡頭）。
　　
　　3、正確選用鏡頭焦距的理論計算
　　
　　攝取景物的鏡頭視場角是極為重要的參數(shù)，鏡頭視場角隨鏡頭焦距及攝像機(jī)規(guī)格大小而變化（其變化關(guān)系如前所述），覆蓋景物鏡頭的焦距可用下述公式計算：
　　
　　（1）f=u•D/U
　　
　?。?）f=h•D/H
　　
　　f：鏡頭焦距、U：景物實際高度、H：景物實際寬度、D：鏡頭至景物實測距離、u：圖像高度、h：圖像寬度
　　
　　舉例說明：
　　
　　當(dāng)選用1/2″鏡頭時，圖像尺寸為u=4.8mm，h=6.4mm。鏡頭至景物距離D=3500mm，景物的實際高度為U=2500mm（景物的實際寬度可由下式算出H=1.333•U，這種關(guān)系由攝像機(jī)取景器CCD片決定）。
　　
　　將以上參數(shù)代入公式（1）中，可得f=4.8•3500/2500=6.72mm，故選用6mm定焦鏡頭即可。
　　
　　攝像部分一般安裝在現(xiàn)場,它包括攝像機(jī)、鏡頭、防護(hù)罩、支架和電動云臺。它的作用是對監(jiān)視區(qū)域進(jìn)行攝像并將其轉(zhuǎn)換成電信號。
　　
　　一、像機(jī)分為彩色和黑白兩種，一般黑白攝像機(jī)要比彩色的靈敏度高，比較適合用于光線不足的地方，如果使用的目的只是監(jiān)視景物的位置和移動，可采用黑白攝像機(jī)；如果要分辨被攝像物體的細(xì)節(jié)，比如分辨衣服和景物的顏色，則采用彩色的比較好。
　　
　　攝像機(jī)的規(guī)格可分為1/3〃、1/2〃和2/3〃等，安裝方式有固定和帶云臺二種。
　　
　　二、鏡頭
　　
　　常用的鏡頭種類包括：手動/自動光圈定焦鏡頭和自動光圈變焦鏡頭兩種。
　　
　　定焦鏡頭分為標(biāo)準(zhǔn)鏡頭和廣角鏡頭兩種。定焦鏡頭的適用范圍如下：
　　
　　手動光圈鏡頭：所需監(jiān)視的環(huán)境照度變化不大，如室內(nèi)。
　　
　　自動光圈鏡頭：所需監(jiān)視的環(huán)境照度變化大，如室外。
　　
　　廣角鏡頭：監(jiān)視的角度較寬，距離較近。
　　
　　標(biāo)準(zhǔn)鏡頭：監(jiān)視的角度和距離適中。
　　
　　變焦鏡頭分為10倍、6倍和2倍變焦鏡頭，另一種分法是：手動變焦和電動變焦（電動光圈和自動光圈）兩種。
　　
　　變焦鏡頭在規(guī)則上可以劃分為：1/3〃、1/2〃和1〃等。
　　
　　選擇變焦鏡頭的原則是：鏡頭的規(guī)格不應(yīng)小于攝像機(jī)的規(guī)格，也就是說1/2〃的鏡頭可以與1/3〃的攝像機(jī)一起使用，但是1/3〃的鏡頭就不能夠在1/2〃的攝像機(jī)上使用。
　　
　　二、鏡頭參數(shù)
　　
　?、逑鄬讖?br />　　
　　光圈的主要作用是通過控制鏡頭光量的大小滿足成像所需的合適照度。光圈越大，靶面成像照度越大，攝像機(jī)輸出信號強(qiáng)度越大，信噪比越高。
　　
　　若光圈的實際孔徑為ψ，由于光線通過透鏡后的折射使鏡頭的有效孔徑D比實際孔徑大，光圈的相對孔徑等于有效孔徑與鏡頭焦距之比，即：A=D/f，f為鏡頭的焦距。
　　
　?、婀馊ο禂?shù)
　　
　　通常將表征鏡頭光圈大小的參數(shù)定義成光圈系數(shù)，用F表示。光圈系數(shù)為鏡頭光圈相對孔徑的倒數(shù)。F值的規(guī)律是后一個值正好是前一個數(shù)值的√2倍，這是由于成像面中心亮度與（1/F）2成正比。F值越小相應(yīng)靈敏度越大。常用值為1.4、2、2.8、4、5.6、8、11、16、22等幾個等級。
　　
　?、缫晥鼋?br />　　
　　我們常用視場角來表征觀察景物的范圍。所謂視場角是指在視場角內(nèi)的景物可全部落入成像尺寸內(nèi)，而視場角以外的景物將不被攝取。因此，鏡頭的視場角與攝像機(jī)的靶面及鏡頭的焦距有關(guān)。
　　
　　根據(jù)幾何原理可以得到視場角的計算公式如下：
　　
　　ωH＝2tg-1（h/2f）ωV＝2tg-1（v/2f）
　　
　　式中ωH為水平視場角，ωV為垂直視場角，f為鏡頭的焦距，h為攝像機(jī)靶面的水平寬度，v為攝像機(jī)靶面的垂直高度。具體數(shù)值可參閱攝像機(jī)一節(jié)。
　　
　　當(dāng)成像尺寸確定后，焦距越短，視場角越大。因此可將鏡頭分為長角鏡頭（視場角小于45°）、標(biāo)準(zhǔn)鏡頭（視場角為45°～50°）、廣角鏡頭（視場角大于50°）、超廣角鏡頭（視場角接近180°）、魚眼鏡頭（視場角大于180°）等。
　　
　　另外，我們還可以得到如下公式以計算其中任一未知項數(shù)據(jù)。
　　
　　f/v＝D/Vf/h＝D/H
　　
　　其中：f───鏡頭焦距；D───鏡頭至景物距離；
　　
　　h───靶面寬度；H───靶面高度。
　　
　　三、鏡頭接口
　　
　　鏡頭的安裝方式有C型安裝和CS型安裝兩種。C型安裝接口指從鏡頭安裝基準(zhǔn)面到焦點的距離為17.526mm，而CS型接口的鏡頭安裝基準(zhǔn)面到焦點距離為12.5mm。因此將C型鏡頭安裝到CS接口攝像機(jī)時需要加裝一個5mm厚的接圈。
　　
　　四、鏡頭的發(fā)展
　　
　　鏡頭是影響圖像品質(zhì)的重要關(guān)鍵，如果鏡頭品質(zhì)不佳，自然難拍攝出清晰的畫面，傳統(tǒng)的攝像機(jī)鏡頭所采用的鏡片，可以通稱為球面鏡頭，這是以鏡頭內(nèi)鏡片的表面曲線為球面形狀來命名的。顧名思義，非球面鏡頭就是采用了不同于球面曲線的技術(shù)，也就是鏡片研磨的形狀為拋物線、二次曲線、三次曲線或高次曲線，這將依據(jù)設(shè)計功能上的不同而會有不同形狀的曲線，因此統(tǒng)稱為非球面鏡頭。
　　
　　傳統(tǒng)球面鏡頭為了校正相差、色差、球差、彗差、畸變、相散等問題，必須采用多片鏡片來校正，這使得鏡頭的體積變的較大，由于每個鏡片多少會有精度上的誤差，因此要達(dá)到理想值并不容易，非球面鏡頭由于在設(shè)計時便已經(jīng)考量到校正的因素，因此可以減少鏡片的數(shù)量，使得鏡頭的精度更佳、清晰度更好、色彩還原更為準(zhǔn)確，鏡頭內(nèi)的光線反射得以降低，鏡頭體積也可以縮小。
　　
　　以往非球面鏡頭多應(yīng)用在儀器、機(jī)械加工設(shè)備上，但隨著加工技術(shù)的提升，使得品質(zhì)、效能提升，因此應(yīng)用越來越廣。目前非球面鏡頭除了具備高清晰度，錄制的圖像能夠當(dāng)作法律證據(jù)外，新推出的非球面鏡頭還具備變倍高、物距短、光圈大的特性，變倍高可以簡化鏡頭的種類，物距短可以應(yīng)用在近距離攝像的場合，光圈大則可以適應(yīng)光線較暗的場所，使得應(yīng)用領(lǐng)域日漸寬廣。而在CCTV應(yīng)用領(lǐng)域中也推出了非球面鏡頭，可以使用于一些如銀行這類對于攝像品質(zhì)要求較高的場所。