鏡頭的作用是把被攝景物準(zhǔn)確成像在攝像器件的靶面上，并構(gòu)成一幅清晰的光學(xué)圖像，以便轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行后期信息處理。鏡頭質(zhì)量的好壞以及鏡頭與攝像器件是否配置合理，都將影響成像的質(zhì)量。

實(shí)際的攝像機(jī)鏡頭都是由許多單元透鏡組合而成的。最基本的兩種透鏡就是凸透鏡和凹透鏡。凸透鏡的作用是“聚光成像”，它可以使入射的平行光束，經(jīng)折射后會(huì)聚在一起，即在折射面的另一側(cè)形成一個(gè)焦點(diǎn)F，通常稱為實(shí)焦點(diǎn)。凹透鏡的作用是“散光不成像”，即平行光束通過(guò)凹透鏡之后折射的光線是發(fā)散的，但其光線延長(zhǎng)線交于入射光一側(cè)，在主光軸上形成一個(gè)焦點(diǎn)，稱為虛焦點(diǎn)。

需要指出的是，透鏡成像總是存在著“像差”、“色差”以及幾何失真，這是因?yàn)椋旱谝?，透鏡表面上各點(diǎn)的曲率半徑很難做到完全一致，導(dǎo)致聚焦不好，產(chǎn)生“像差”;第二，透鏡表面對(duì)不同波長(zhǎng)光的折射率也有所差異，導(dǎo)致“色差”;第三，物體離光軸的距離不同時(shí)，透鏡對(duì)它的放大率是不一樣的，這樣垂直于光軸的物體各處的放大率隨與光軸的距離不同而不同，因而造成了幾何畸變(如桶形失真和枕形失真等)。

為了消除像差、色差和幾何畸變，在實(shí)際鏡頭中，總是把凸透鏡和凹透鏡適當(dāng)?shù)慕M合在一起。由于正負(fù)透鏡的作用剛好相反，所以可以提高鏡頭性能，改善成像質(zhì)量。

視頻攝像機(jī)的鏡頭一般可視為等效于象凸透鏡這樣的匯聚透鏡，因此成像原理也遵循凸透鏡成像的規(guī)律，只不過(guò)鏡頭的焦距f是各個(gè)透鏡焦距的合成焦距，如下圖所示。

圖 凸透鏡成像原理

根據(jù)光學(xué)原理，可以得到凸透鏡成像的一般公式：

其中，S為物距，S’為像距，f為焦距。對(duì)于視頻攝像來(lái)講，在實(shí)際應(yīng)用中，往往物距遠(yuǎn)大于像距(即S>>S’)，所以可以近似地認(rèn)為f≈S’，也就是說(shuō)，視頻攝像的像平面與焦平面近乎重合。設(shè)物高為h，像高為h’，則鏡頭的線放大率m計(jì)算如下：

　　因此，像高h(yuǎn)’計(jì)算如下：

從上式中可以看到，景物在攝像器件上成像的大小，與物距、焦距和景物的大小有關(guān)。當(dāng)焦距f固定時(shí)，物距越小，成像尺寸越大。當(dāng)景物和攝像機(jī)的相對(duì)位置固定時(shí)，即式中h、S不變時(shí)，通過(guò)調(diào)整焦距f，也同樣可以改變成像的大小。成像的大小與焦距f成正比，即f越大，成像也就越大。

在不同的攝像器件上，多大的成像尺寸才能呈現(xiàn)出清晰可分辨的圖像?我們可以從圖像在攝像器件上所呈現(xiàn)的像素點(diǎn)數(shù)量來(lái)做一個(gè)大致的判斷。從下面分辨率標(biāo)準(zhǔn)和傳感器上的像素點(diǎn)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，我們可以得到一個(gè)對(duì)于分辨率實(shí)際意義的大概指示。這一對(duì)應(yīng)關(guān)系又稱為約翰遜標(biāo)準(zhǔn)。通常使用的標(biāo)準(zhǔn)是：

偵測(cè) 2 pixels per target

定位 3 pixels per target

瞄準(zhǔn) 5 pixels per target

識(shí)別 8 pixels per target

鑒別 12-16 pixels per target

識(shí)別(50%準(zhǔn)確度) 15 pixels per target

識(shí)別(90%準(zhǔn)確度) 24 pixels per target

上述標(biāo)準(zhǔn)是對(duì)物體識(shí)別率的一個(gè)大致評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，下面還有一個(gè)對(duì)于人體成像的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)的要求相對(duì)更高一些：

<8 pixels per target：很難分辨人

5-12 pixels per target：粗略可以猜到這個(gè)人的年齡和性別

15-24 pixels per target：更高可能猜到這個(gè)人的頭發(fā)、飾物等

25-50 pixels per target：可以看到模糊的臉，如果你認(rèn)識(shí)這個(gè)人，你可以分辨出來(lái)這個(gè)人是誰(shuí)

50-80 pixels per target：可以看到清晰的臉，并且可以分辨一個(gè)陌生人

>80 pixels per target：像電視一樣的質(zhì)量，可以看到臉和身體非常清晰的細(xì)節(jié)

上述評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)并不是一個(gè)絕對(duì)值，它與目標(biāo)亮度、背景、以及傳感器的信噪比都有關(guān)系。盡管如此，它可以在大多數(shù)情況下很好地反映圖像的質(zhì)量，除非圖像很亮、很暗或者壓縮過(guò)度，這也使其成為一個(gè)越來(lái)越流行的評(píng)定圖像質(zhì)量的方法。

一個(gè)物體在傳感器上成像所獲得的像素點(diǎn)數(shù)可以通過(guò)下述公式計(jì)算得到：

其中，PPT代表Pixel Per Target即每個(gè)目標(biāo)的像素?cái)?shù)，h’代表物體在傳感器靶面上的成像高度，H代表傳感器靶面的垂直寬度， 代表傳感器的垂直方向像素?cái)?shù)。h’與H的比值最大為1，如果h’大于H，那也只能按照H來(lái)取值，超出的部分是無(wú)法成像的。

在 的前提下，我們進(jìn)而可以得到下述公式：

其中， 代表傳感器的像素大小。通過(guò)上式我們可以看到，PPT與焦距和物體大小成正比，與物距和傳感器像素點(diǎn)的大小成反比。通過(guò)上述公式，我們就可以大致計(jì)算出來(lái)在不同焦距下，攝像機(jī)所呈現(xiàn)出來(lái)的圖像質(zhì)量。

以MT9M034機(jī)型為例，它的靶面尺寸為4.8mm x 3.6mm，有效像素點(diǎn)為1280 x 960 pixels，每個(gè)像素點(diǎn)的大小為3.75um。如果我們采用2.8mm的鏡頭，看20m遠(yuǎn)處的人臉，假設(shè)人臉長(zhǎng)度為20cm，那么在傳感器上的成像高度如下：

沒(méi)有超過(guò)傳感器的垂直寬度3.6mm，進(jìn)而可以計(jì)算出人臉在傳感器上的PPT為：

從PPT和圖像質(zhì)量的對(duì)應(yīng)關(guān)系中我們可以看到，當(dāng)PPT<8時(shí)，圖像是很難分辨人的，實(shí)際情況也確實(shí)如此，如下圖所示：< p="">

　　從上圖中可以看到，遠(yuǎn)處紅圈中的人基本已無(wú)法分辨了。

如果我們將鏡頭焦距設(shè)為12mm，同樣看20m遠(yuǎn)處的人臉，那么人臉在傳感器上的成像高度為：

　　PPT計(jì)算如下：

從PPT和圖像質(zhì)量的對(duì)應(yīng)關(guān)系中我們可以看到，此時(shí)應(yīng)該可以看到模糊的臉，如果你認(rèn)識(shí)這個(gè)人，你可以分辨出來(lái)這個(gè)人是誰(shuí)，實(shí)測(cè)圖像如下：

　　從上圖中我們可以看到，已經(jīng)大致可以分辨遠(yuǎn)處人的一些細(xì)節(jié)。

如果我們采用20mm焦距的鏡頭，同樣看20m遠(yuǎn)處的人臉，那么人臉在傳感器上的成像高度為：

　　PPT計(jì)算如下：

從PPT和圖像質(zhì)量的對(duì)應(yīng)關(guān)系中我們可以看到，此時(shí)應(yīng)該可以看到清晰的臉，并且可以分辨一個(gè)陌生人，實(shí)際情況也確實(shí)如此：

再以IMX185為例，有效像素點(diǎn)為1920 x 1200 pixels，每個(gè)像素點(diǎn)的大小為3.75um，那么傳感器靶面的大小應(yīng)為7.2mm x 4.5mm。采用3.6mm鏡頭獲得的圖像如下。

從圖中可以看出，人臉的像高肯定小于傳感器靶面的高度，因此我們可以直接通過(guò)PPT的計(jì)算公式得到不同距離上人臉?biāo)鶎?duì)應(yīng)的PPT值：

2米處，成像效果非常好，可以分辨人臉的所有細(xì)節(jié)，此時(shí)計(jì)算人臉的PPT如下：

5米處，成像效果較好，可以分辨人臉，但損失了一些細(xì)節(jié)，此時(shí)計(jì)算人臉的PPT如下：

10米處，成像效果一般，人臉基本可辨，但看不到更多的細(xì)節(jié)，此時(shí)計(jì)算人臉的PPT如下：

13米處，成像效果較差，人臉辨識(shí)困難，基本看不到什么細(xì)節(jié)，此時(shí)計(jì)算人臉的PPT如下：

在同樣條件下，如果我們采用IMX222，它的像素點(diǎn)大小為2.8um，采用3mm的鏡頭獲得的圖像如下：

　　根據(jù)PPT計(jì)算公式可以得到：

5米處：

　　10米處：

相對(duì)于IMX185，它的成像效果應(yīng)該相對(duì)更好一些，但由于PPT相差不大，所以在實(shí)際圖像上看不出非常明顯的差異。

通過(guò)計(jì)算PPT值，我們可以對(duì)以下情況進(jìn)行定量分析：

1) 在實(shí)際場(chǎng)景中，我們的攝像機(jī)需要配多大焦距的鏡頭，才能在相應(yīng)距離上獲得清晰可分辨的人臉圖像。從PPT與圖像質(zhì)量的對(duì)應(yīng)關(guān)系中我們可以看到，如果要獲得清晰可分辨的人臉，至少需要25PPT以上的圖像，通過(guò)下式

　　我們可以得到

仍以MT9M034為例，如果要看清5m外的人臉，需要配備多大焦距的鏡頭呢?通過(guò)上式計(jì)算如下：

對(duì)于監(jiān)控鏡頭而言，焦距和視場(chǎng)一般是成反比的，也就是說(shuō)焦距越大視場(chǎng)越小，所以我們?cè)跒閿z像機(jī)選擇鏡頭的時(shí)候，應(yīng)該在保證指定范圍內(nèi)圖像清晰度的前提下，盡量選擇焦距更短的鏡頭，從而獲得更大的視場(chǎng)角。

2) 在實(shí)際場(chǎng)景中，我們的攝像機(jī)所配備的鏡頭可以在多遠(yuǎn)的距離上獲得清晰可分辨的人臉圖像?可以通過(guò)下式來(lái)計(jì)算：

仍以MT9M034為例，如果配2.8mm的鏡頭，可以看清多遠(yuǎn)距離的人臉呢?通過(guò)上式計(jì)算如下：

通過(guò)上面的定量計(jì)算，我們?cè)诂F(xiàn)場(chǎng)安裝攝像機(jī)時(shí)，就可以針對(duì)被監(jiān)控的目標(biāo)范圍大致確定需要配多大焦距的鏡頭，反之我們也可以根據(jù)鏡頭焦距大致估算出攝像機(jī)可清晰覆蓋的監(jiān)控范圍，從而為視頻監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)施工提供一個(gè)可靠的理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

【1】 IP Camera Specification Guide，John Honovich，IPVM，2013.8.19

【2】 安全技術(shù)防范基礎(chǔ)，北京藍(lán)盾世安信息咨詢有限公司

【3】 MT9M034 datasheet，Aptina

【4】 IMX185 datasheet, SONY

【5】 Enhanced Surveillance System Based on Panomorph Panoramic Lenses，Simon Thibault，ImmerVision

【作者單位：北京藍(lán)色星際軟件技術(shù)發(fā)展有限公司】