視頻監控系統中鏡頭的選擇

文｜大連職業技術學院 董春利

在視頻監控系統的構建中，如何根據現場被監視環境正確選用攝像機鏡頭是非常重要的；因為鏡頭的選擇直接影響到系統組成后末端監視器上顯示的被監視面畫的效果能否達到系統的設計要求（就畫面范圍或圖像細節而言），正確地選用攝像機鏡頭可以使系統的設計實現最優化并獲得良好的監視效果。

攝像機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。下面就參考使用環境方面的問題，談一談如何正確選用攝像機鏡頭。

1 鏡頭的選擇步驟

對鏡頭的選擇實際上就是對鏡頭參數的確定、對鏡頭形式的確認。鏡頭的主要參數包括焦距、光圈、與CCD靶面尺寸相關的規格，鏡頭的形式包括自動或手動對焦、自動或手動光圈，以及鏡頭的尺寸。

（1）焦距的選擇

鏡頭可根據焦距分為短焦距（廣角）鏡頭、中焦距（標準）鏡頭、長焦距（遠距）鏡頭。

一般而言，選擇鏡頭的焦距是需要計算的。一種方法是根據攝像機感光面到被監視目標的距離來選擇鏡頭的焦距；另一種方法是根據攝像機的水平視覺度數及垂直視覺度數與攝像機CCD靶面尺寸及鏡頭焦距之間的關系，確定攝像機鏡頭的焦距。

（2）光圈的選擇

對自動光圈、手動光圈的選擇要以被監視目標所受光照的情況為依據。一般來說，自動光圈用于被監視目標所受光照情況變化較多的場合，手動光圈用于被監視目標所受光照情況穩定的場合。

（3）鏡頭尺寸的選擇

鏡頭尺寸的選擇須根據攝像機的鏡頭規格與攝像機CCD靶面尺寸的對應關系進行。如果鏡頭尺寸與攝像機CCD靶面尺寸不一致，將使得觀察角度不符合設計要求，或者發生畫面在焦點以外等問題。

2 手動、自動光圈鏡頭的選用

如前文所述，應選用手動或自動光圈鏡頭，取決于被監視目標所受光照情況或使用環境的照度是否恒定。

（1）手動光圈鏡頭的選用

被監視目標所受光照情況穩定的場合，或照度恒定的使用環境，如電梯轎箱、封閉走廊、無陽光直射的房間等，均可選用手動光圈鏡頭——可在系統初裝調試中，根據環境的實際照度一次性整定鏡頭光圈大小（獲得亮度適宜的畫面即可）。

（2）自動光圈鏡頭的選用

被監視目標所受光照情況變化較多的場合，或照度經常變化的使用環境，如照度隨日照時間的推移而有較大變化的門廳、窗口及大堂等，均需選用自動光圈鏡頭，以實現畫面亮度的自動調節，獲得良好的、亮度較為穩定的監視畫面。需要注意的是這種鏡頭配套的攝像機必須帶有自動光圈鏡頭插座。

（3）自動光圈鏡頭的控制

自動光圈鏡頭的控制方式有直流電壓控制和視頻控制兩種，在攝像機的操作選擇上通常標為“DC”和“VIDEO”。攝像機自動光圈鏡頭插座的連接方式，以及自動光圈鏡頭控制（或驅動）方式的選擇開關需協調配合好。

3 定焦、變焦鏡頭的選用

對鏡頭焦距的選擇是根據攝像機感光面到被監視目標的距離，或者攝像機的水平視覺度數及垂直視覺度數（鏡頭視場角可分為圖像水平視場角和圖像垂直視場角，受視野的影響，前者一般大于后者，因此通常所說的視場角是指鏡頭的圖像水平視場角）與攝像機CCD靶面尺寸及鏡頭焦距之間的關系來進行的。也就是說，對鏡頭焦距的選擇實質上取決于被監視場景范圍的大小，或對被監視場景畫面清晰程度的要求。

（1）鏡頭焦距、鏡頭規格與鏡頭視場角

目前流行的鏡頭規格（即攝像機CCD靶面尺寸，或稱光電傳感器光敏區）一般為1/3″、1/4″，乃至1/2″和2/3″，也有個別的已經做到了1/5″。以h、w來表示攝像機CCD靶面的高與寬（單位為mm），則1/3″（8mm）攝像機的h、w分別為3.6mm、4.8mm，1/4″（6mm）攝像機的h、w分別為2.7mm、3.6mm，1/2″（12mm）攝像機的h、w分別為4.8mm、6.4mm，2/3″（16mm）攝像機的h、w分別為6.6mm、8.8mm。

一般而言，在鏡頭規格一定的情況下，鏡頭焦距越長，鏡頭的視場角就越小；而在鏡頭焦距一定的情況下，鏡頭規格越大，鏡頭的視場角也越大。

由以上關系可知：在鏡頭物距一定的情況下，隨著鏡頭焦距的變大，在系統末端監視器上所看到的被監視場景的畫面范圍將越來越小，但畫面細節越來越清晰；而隨著鏡頭規格的增大，在系統末端監視器上所看到的被監視場景的畫面范圍將增大，但其畫面細節越來越模糊。

另外，由于CS型接口接頸短，在鏡頭規格及鏡頭焦距一定的前提下，CS型接口鏡頭的視場角將大于C型接口鏡頭的視場角。

（2）定焦與變焦鏡頭的選用

對于一般定焦鏡頭而言，可以根據需要選擇短焦距、中焦距、長焦距鏡頭；焦距不同，鏡頭的最大視場角也就不同。

對于一般變焦鏡頭而言，由于透鏡組方面的原因，變焦鏡頭的最小焦距通常為6.0mm左右，故其最大視場角為45°左右。

監視狹小環境時，如果使用變焦鏡頭，監視死角必然增大。雖然可以通過對云臺、焦距進行操作控制縮小監視死角；但是系統需增加解碼器、云臺、防護罩等設備，因此系統的工程造價必然會增加，系統操控的復雜性也會提高。所以在這種環境中不宜采用變焦（倍）鏡頭。

監視開闊環境時，如果僅僅要求被監視區域是否出現異常情況，并不要求看清被監視對象的細節，就沒有必要選擇變焦鏡頭，只需根據監控范圍的大小計算出視場角，據此選擇鏡頭（一般是廣角鏡頭）即可；如果要求監看被監視對象的細節，就必須使用變焦鏡頭，因為只有使用這種鏡頭才能將處于開闊環境中的被監視對象清晰地呈現在末端顯示器上。選擇變焦鏡頭焦距范圍的方法是：以環境的開闊程度、用戶對系統末端監視器上顯示的被監視對象清晰程度的要求，以及被監視對象的中心點到攝像機鏡頭之間的直線距離為參考依據，計算出在一個直線距離范圍內，滿足畫面范圍能夠覆蓋整個被監視場景這一前提條件的焦距變化范圍。通常盡量選用具有電子對焦功能和電子光圈功能的長焦距電動可變焦鏡頭，即電動三可變鏡頭。這樣可以在系統末端監視器上獲得一幅具有較清晰細節的被監視場景畫面。當然，在這種環境中也可考慮選用一體化變倍鏡頭——可根據系統的設計要求以及性能價格比決定。

需要注意的是：在調節至最短焦距時應能滿足覆蓋主要被監視場景的要求，在調節至最長焦距時應能滿足觀察被監視場景畫面細節的要求。

一般情況下，處于室內的辦公空間、車間廠房、倉庫、展場等環境可以經計算選用6～10倍的變焦鏡頭，處于室外的機場、車站、碼頭、庫區、廣場等環境可根據實際要求和計算選用10～22倍的鏡頭。通常，鏡頭倍數越大，價格越高。所以要在綜合考慮系統造價的前提下，適當選用高倍數變焦鏡頭。

4 焦距的計算

對鏡頭焦距的選用實質上取決于被監視場景范圍的大小或是對被監視場景畫面清晰程度的要求，因此焦距的計算就是要求滿足上述兩方面要求的焦距值。

（1）滿足被監視場景范圍要求的鏡頭焦距的計算。

如果用戶要求對某個被監視場景的進行監控，就需要利用攝像機視場角計算焦距。

攝像機的光電傳感器目前通常還是4∶3的矩形，鏡頭的水平視角、垂直視角可通過下式計算：

式中，w、h分別為攝像機CCD傳感器的寬和高，ωw、ωh分別為鏡頭的水平視角和垂直視角。

圖1為水平方向視角的示意圖。

對于有一定被監視場景范圍要求或是視場角要求的攝像機來說，其焦距的計算式為：

圖1 水平方向視角示意圖

例如，某銀行欲用兩臺1/3″的攝像機（配合1/3″鏡頭）監視銀行正門外廣場上的來往人員，每臺攝像機在水平方向上要監視60°的監控范圍，則其焦距為：

也就是說，只要選擇焦距小于4.15mm的鏡頭，攝像機即可在水平方向上監視60°的范圍。

實際上，監控的視場角是鏡頭與攝像機組合后得到的綜合視場角，其大小是和選用的攝像機的尺寸有關的。比如說，1/2″的鏡頭裝在1/3″的攝像機上，實際的綜合視場角比計算的鏡頭視角要小。

（2）滿足看清被監視對象外部輪廓的鏡頭焦距的計算。

如果用戶要求能夠看清被監視對象的外部輪廓，就要根據光學的焦距計算公式計算出所需焦距：

式中，fh、fw分別為根據被監視物體的高度和寬度選擇的鏡頭焦距，單位是mm；L為物距，即被監視對象與鏡頭間的距離，單位為m；H、W分別為被監視對象的高度和寬度，單位是m；h、w分別為攝像機光電傳感器光敏區的高與寬，單位為mm。

由于視頻監視器的掃描光柵通常有10%～15%的過掃描，或者10%的欠掃描，因此要加入一個修正系數k來消除過掃描或欠掃描的影響，即：

一般當監視器處于過掃描工作方式時，k取1.1～1.2；當監視器處于欠掃描工作方式時，k取0.9。

例如，某銀行欲用5臺1/3″的攝像機監視營業柜臺窗口，柜員桌子的寬度為1m，從桌面到窗口上部的距離為0.6m，攝像機和窗口的距離為2.4m，要求在監視器上顯示整個營業窗口活動范圍，則有：

也就是說，保證營業窗口活動范圍在高度上得到完整監控的焦距為12mm，在寬度上得到完整監控的焦距為9.6mm。由于焦距越短，能夠監視的范圍越大；為保證營業窗口活動范圍在高度與寬度上都處于監視畫面內，焦距應小于二者中的最小值（即9.6mm），可取8mm。

（3）根據被攝物體的細節尺寸來選擇鏡頭焦距。

除了上述兩種情況，在一些特殊情況下，用戶會要求能夠在系統末端監視器上顯示的圖像中清晰地辨認被監視對象的細節，比如鈔票的顏色與圖案、門票的真偽等。這時，一般按如下公式來計算鏡頭焦距：

式中，f為所選鏡頭焦距，單位為mm；L為物距，單位為m；B為被攝物體細節尺寸，單位為mm；R為鏡頭光學分辨率，單位為lp/mm（Line Pair/mm，每毫米內線條對數）。

通常，2/3″鏡頭的光學分辨率為27lp/mm，1/2″鏡頭的光學分辨率為38lp/mm，1/3″鏡頭的光學分辨率為50lp/mm。

例如，某銀行欲用兩臺1/3″的攝像機監視營業柜臺窗口，銀行出納柜臺辦公桌距攝像機2m，要求看清10元以上紙幣的票面（根據票面數字的大小，取細節尺寸為2mm），則有：

也就是說，可選焦距為10mm的1/3″的鏡頭。

當觀察被攝物體的細節時，攝像效果與被攝物體所受光照的照度、被攝物體的對比度、攝像機的靈敏度與分辨率、監視器的分辨率等多種因素有關，按照公式計算得出的鏡頭焦距只能作為參考。例如，在上面的例子中，計算結果要求焦距大于10mm，但一般來說實際上應取焦距為15～25mm的鏡頭，才保證能在各種外部因素變化的情況下看清票面。

5 結束語

目前在實際工程實踐中，視頻監控系統的鏡頭往往都是由設計者或工程技術人員按照經驗選擇，甚至是任意選用的。其原因主要是工程技術人員對鏡頭的重要性不了解、對鏡頭應用的技術問題不熟悉，甚至是對工作責任的漠視；造成的后果往往是因焦距不合適使得圖像聚焦不準、模糊不清、監視場景過大或過小等，無法達到業主的初始要求。有鑒于此，在建設視頻監控系統的工作中，一定要對鏡頭的選擇提起重視。