高清監控鏡頭的實現源于光學技術的進步

文/顧成剛

高清監控鏡頭的實現源于光學技術的進步

文/顧成剛

高清監控鏡頭的界定

目前在安防監控高清鏡頭內，比較流行的說法為“百萬像素高清監控鏡頭”。那么，具體的，什么是百萬像素鏡頭？百萬像素鏡頭與高清鏡頭之間能否直接以“=”相連呢？

首先來看行業對百萬像素的認識。單從鏡頭來看，各個鏡頭品牌對百萬像素鏡頭的定義也是不同的，以300萬像素鏡頭為例，部分中高端品牌定義：從畫面的中心到畫面的四周，有70%的畫面面積能達到300萬像素，其他部分能達到100萬像素，這樣的鏡頭就叫300萬像素的鏡頭；也有的廠商定義為：65%的場高范圍能達到300萬像素，其他部分能到100萬像素就叫300萬像素的鏡頭；而大量的低端品牌認為只要中心區域能到達300萬像素，就稱為300萬像素的鏡頭，而對邊緣的清晰度無任何界定。因此，總體來看，百萬像素鏡頭目前還沒有一個統一認識。

此外，目前市面上的百萬像素監控鏡頭包含了100萬像素、130萬像素、200萬像素、300萬像素、500萬像素、800萬像素乃至1000萬像素的產品。那么，超過百萬像素的監控鏡頭設備是否均可以籠統地劃為“高清”范疇呢？

“高清”的標準一直是行業內爭論的話題。作為一個完整的監控系統，高清是無法通過某一環節的技術突破來實現的，它應該是一個完整的技術概念，包括前端的拍攝，中間的傳輸與存儲以及后續的制作、顯示與發行的完整流程。而最直觀的高清效果則通過最終的顯示體現出來。目前比較成熟的是針對“高清顯示”系統的定義。根據美國先進電視系統委員會（簡稱ATSC）對高清顯示設備定義為以下三種：720P（1280×720逐行掃描）簡稱“標清”，1080I（1920×1080 隔行掃描），1080P（1920×1080 逐行掃描）簡稱“高清”。從分辨率上來看，720P的物理像素約為100萬像素，1080P對應的是約200萬像素。因此，按照這一標準，通常我們所說的100萬或130萬像素對應的監控鏡頭嚴格來講僅僅屬于標清鏡頭范疇，而只有高于200萬像素的監控鏡頭才真正邁入“高清鏡頭”門檻。

光學技術的發展與材料、工藝的創新

同其它行業一樣，高清監控鏡頭技術的實現源于光學技術的進步，源于對高清監控鏡頭產品設計、生產工藝、生產方式、生產設備的更新以及新型材料的采用。

光學設計。鏡頭的設計效果決定了鏡頭的分辨率的高低和使用效果，所以在百萬像素鏡頭開發前，進行周密的光學設計非常重要，為滿足產品的高分辨率，在光學設計時會考慮選擇加工難度較低、易于保證加工精度的玻璃材質，以盡可能地降低鏡片加工誤差對成像質量的影響。在光圈設計上，要選擇更接近于圓形的光圈，因為光圈越接近于圓，成像效果越佳。在模擬鏡頭中，一般都是2片光圈組成的四邊形，而高清鏡頭常?？梢砸姷搅呅蔚墓馊?，在工業級鏡頭上一般都是8片葉片組成的8邊形或更好的10邊形。

鍍膜工藝。在低端監控鏡頭的應用過程中經常會遇到兩種現象：鏡頭實際的通光量遠遠小于鏡頭所標注的技術參數，并且很容易產生“鬼影”“眩光”等不良光學現象，嚴重影響了監控效果。這主要是由于鏡片的鍍膜工藝較差引起的。鏡片的鍍膜工藝和鍍膜層數決定著鏡頭的透光率，而透光率是鏡頭最重要的光學指標之一。高超的鍍膜工藝可以增加光線透過率，降低反射，減少光線損失，有效降低不良光學現象。通常，在中高端品牌百萬像素監控鏡頭中，一般都采用全光譜復合多層鍍膜技術；低端鏡頭往往只有藍色膜，稍好些的鏡頭加了紅膜、黃膜等，而只有各色齊全尤其鍍了綠膜的才是全光譜鍍膜鏡頭。我們可以通過以下方式判斷一個鏡頭的鍍膜水平：將鏡頭的前端對著自己的臉，在相同光照條件下，若能看清自己的臉部，則說明鏡頭反射能力較強，鏡頭鍍膜水平較差；反之，若不能看清臉部，則說明光線的通透性很好，只有很少的反光，鍍膜的效果比較好。

非球面技術。非球面技術是影響鏡頭清晰度另一個因素，尤其是影響邊緣部分清晰度的重要因素。非球面鏡片的使用可以有效降低球面相差對監控效果的不利影響，有效提升鏡頭邊緣部分的解像力。然而，非球面鏡片的生產對技術能力要求極高，世界范圍內只有很少數的光學生產廠商具備這一技術及生產能力。因此，在實際應用中，迫于較高的生產成本和技術所限，非球面鏡片并非所有廠家都用,尤其低端價廉的鏡頭中的不使用并，這可以通過其邊緣部分的成像效果看出來。而高清鏡頭要達到使用要求不可離開非球面的設計。這是未來眾多低端廠家和大品牌的技術分水嶺。

其它技術。浮點式光學結構設計和采用ED（低折射率高色散系數）鏡片校正色差等都在高清鏡頭上得到大量使用，同時由于攝像機成像介質的變化也對鏡頭的設計帶來影響，眾所周知模擬時代，很少使用CMOS作為成像介質，但由于CMOS技術的成熟，在百萬和高清攝像機中得到大量使用，而CMOS的OLPF(低通濾光片)和保護玻璃的厚度和CCD截然不同，鏡頭的設計卻沿用了對應于CCD的OLPF和保護玻璃的設計，對應于CCD的設計在CMOS攝像機上使用效果會有明顯的差異，因此常常會出現一款知名度很高的品牌的高清鏡頭用在CMOS的攝像機上沒有很好的光學表現的情況，如鳳凰的新品百萬鏡頭PVT29D14IR-M和PVT26D14IR-M既采用了對應于CMOS的OLPF和保護玻璃的設計，使其在CMOS攝像機上有更好的表現。

結構部件精度?；貞浽缙阽R頭普遍使用的是單個加工的金屬部件，原因是量不大，或無法支付昂貴的模具費用，但每個零件單獨加工，往往在個體之間存在誤差，因此鏡頭品質的一致性較差，在模擬時代，這些問題并不嚴重影響使用效果，但進入高清時代，細微的問題都得到明顯的放大，因此，成規模的大廠一般都采用大投資大制作，使用模具壓出的工程塑料部件，作為鏡筒鏡身，保持了鏡頭良好的一致性，所以現在百萬或高清鏡頭（除機器視覺使用的工業鏡頭以外），基本都是工程塑料制作的部件。但在要求高清晰度低誤差的場合使用的高像素工業級鏡頭又通常使用金屬部件，但這里用的金屬部件和低端鏡頭的金屬部件已經完全不是相同概念，高像素工業鏡頭的金屬加工往往精度非常高，誤差極小，材質也很好，所以才能滿足高像素、高精度的要求，因此在工業鏡頭上往往見到采用金屬部件。這就像辯證唯物法的螺旋式上升波浪式前進的道理。

生產控制與新材料的應用。在生產環節，無塵車間裝配是最基本要求，正規工廠生產的鏡頭通常在1000級或更高要求的環境下進行生產，而眾多家庭作坊無法大量投資建立無塵車間，生產環境也限制了眾多作坊式小廠進入高清領域。裝配技術及過程控制是確保鏡頭質量性能穩定的重要因素，例如為保證更好的產品一致性，鳳凰光學發明了專利技術——裝配的結構調芯技術，以保證同型號的鏡頭的更好的一致性；此外，高清鏡頭的光學性能的穩定性也對部件材質提出了更高的要求。以潤滑油為例，鳳凰的高清鏡頭采用的是溫度范圍在零下40度～80度的潤滑油，以保證低溫不凝固，高溫不漏油，同時有良好的手感。

生產設備。生產設備作為硬件對最終產品的影響是巨大的，家庭作坊的設備無法做出技術性能及質量穩定的好鏡頭。所有生產高清鏡頭從制作磨制鏡片的“皿”到磨制設備、芯取設備、鍍膜設備、非球面鏡片生產設備、模具生產設備都決定了產品的最終品質，只有所有這些設備都裝備精良才會有生產出好的產品，所以鏡頭高清化一定會帶來CCTV鏡頭市場的大洗牌，最后在高清鏡頭市場生存下來的都是擁有實力的知名品牌的大廠。

技術成長方向。全畫面解像力的大幅度提升：除了中心部分的解像力，畫面邊緣部分的清晰度來源于非球面鏡片的良好應用；未來的設計將使畸變更?。还馊χ笜酥饾u提升：保證鏡頭解像力的同時逐漸增加鏡頭通光量；照顧到景深，考慮使用便利的設計，良好的手感、外觀標示刻度更完善；成像靶面更寬泛；紅外、透霧等功能的配備：逐步實現不同環境下的全天候監控需求。

小結

綜上所述，從技術上來看，國內監控鏡頭領域已經由模擬、標清向高清階段過渡，鏡頭的重要性將得到提升。當然，監控系統不僅僅是前端的鏡頭與攝像機，還包含了后端的NVR、顯示屏以及監控平臺等。整個系統能力的發揮遵循著木桶原理：單個環節技術的進步并不能保證整個系統性能的等比提升。因此，高清對監控系統的其他環節同樣提出了更高的要求：高清的攝像機、更大的存儲、更快的傳輸系統以及分辨率更高的顯示系統。而目由于某些環節的技術水準未達到，更好的監控、顯示及存儲性能意味著更高額的成本，高清普及的時代還未到來。未來在一個階段內，仍將呈現模擬、標清與高清并存的狀態，但隨著電子產品的價格下降趨勢，光學產品的性能提升，鏡頭的成本在整個系統中的占比會越來越高，無論是甲方還是工程商對鏡頭會越來越重視。

作者單位：鳳凰光學（上海）有限公司