视频监控系统中镜头的选择

文｜大连职业技术学院 董春利

在视频监控系统的构建中，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；因为镜头的选择直接影响到系统组成后末端监视器上显示的被监视面画的效果能否达到系统的设计要求（就画面范围或图像细节而言），正确地选用摄像机镜头可以使系统的设计实现最优化并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。下面就参考使用环境方面的问题，谈一谈如何正确选用摄像机镜头。

1 镜头的选择步骤

对镜头的选择实际上就是对镜头参数的确定、对镜头形式的确认。镜头的主要参数包括焦距、光圈、与CCD靶面尺寸相关的规格，镜头的形式包括自动或手动对焦、自动或手动光圈，以及镜头的尺寸。

（1）焦距的选择

镜头可根据焦距分为短焦距（广角）镜头、中焦距（标准）镜头、长焦距（远距）镜头。

一般而言，选择镜头的焦距是需要计算的。一种方法是根据摄像机感光面到被监视目标的距离来选择镜头的焦距；另一种方法是根据摄像机的水平视觉度数及垂直视觉度数与摄像机CCD靶面尺寸及镜头焦距之间的关系，确定摄像机镜头的焦距。

（2）光圈的选择

对自动光圈、手动光圈的选择要以被监视目标所受光照的情况为依据。一般来说，自动光圈用于被监视目标所受光照情况变化较多的场合，手动光圈用于被监视目标所受光照情况稳定的场合。

（3）镜头尺寸的选择

镜头尺寸的选择须根据摄像机的镜头规格与摄像机CCD靶面尺寸的对应关系进行。如果镜头尺寸与摄像机CCD靶面尺寸不一致，将使得观察角度不符合设计要求，或者发生画面在焦点以外等问题。

2 手动、自动光圈镜头的选用

如前文所述，应选用手动或自动光圈镜头，取决于被监视目标所受光照情况或使用环境的照度是否恒定。

（1）手动光圈镜头的选用

被监视目标所受光照情况稳定的场合，或照度恒定的使用环境，如电梯轿箱、封闭走廊、无阳光直射的房间等，均可选用手动光圈镜头——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（获得亮度适宜的画面即可）。

（2）自动光圈镜头的选用

被监视目标所受光照情况变化较多的场合，或照度经常变化的使用环境，如照度随日照时间的推移而有较大变化的门厅、窗口及大堂等，均需选用自动光圈镜头，以实现画面亮度的自动调节，获得良好的、亮度较为稳定的监视画面。需要注意的是这种镜头配套的摄像机必须带有自动光圈镜头插座。

（3）自动光圈镜头的控制

自动光圈镜头的控制方式有直流电压控制和视频控制两种，在摄像机的操作选择上通常标为“DC”和“VIDEO”。摄像机自动光圈镜头插座的连接方式，以及自动光圈镜头控制（或驱动）方式的选择开关需协调配合好。

3 定焦、变焦镜头的选用

对镜头焦距的选择是根据摄像机感光面到被监视目标的距离，或者摄像机的水平视觉度数及垂直视觉度数（镜头视场角可分为图像水平视场角和图像垂直视场角，受视野的影响，前者一般大于后者，因此通常所说的视场角是指镜头的图像水平视场角）与摄像机CCD靶面尺寸及镜头焦距之间的关系来进行的。也就是说，对镜头焦距的选择实质上取决于被监视场景范围的大小，或对被监视场景画面清晰程度的要求。

（1）镜头焦距、镜头规格与镜头视场角

目前流行的镜头规格（即摄像机CCD靶面尺寸，或称光电传感器光敏区）一般为1/3″、1/4″，乃至1/2″和2/3″，也有个别的已经做到了1/5″。以h、w来表示摄像机CCD靶面的高与宽（单位为mm），则1/3″（8mm）摄像机的h、w分别为3.6mm、4.8mm，1/4″（6mm）摄像机的h、w分别为2.7mm、3.6mm，1/2″（12mm）摄像机的h、w分别为4.8mm、6.4mm，2/3″（16mm）摄像机的h、w分别为6.6mm、8.8mm。

一般而言，在镜头规格一定的情况下，镜头焦距越长，镜头的视场角就越小；而在镜头焦距一定的情况下，镜头规格越大，镜头的视场角也越大。

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将越来越小，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将增大，但其画面细节越来越模糊。

另外，由于CS型接口接颈短，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。

（2）定焦与变焦镜头的选用

对于一般定焦镜头而言，可以根据需要选择短焦距、中焦距、长焦距镜头；焦距不同，镜头的最大视场角也就不同。

对于一般变焦镜头而言，由于透镜组方面的原因，变焦镜头的最小焦距通常为6.0mm左右，故其最大视场角为45°左右。

监视狭小环境时，如果使用变焦镜头，监视死角必然增大。虽然可以通过对云台、焦距进行操作控制缩小监视死角；但是系统需增加解码器、云台、防护罩等设备，因此系统的工程造价必然会增加，系统操控的复杂性也会提高。所以在这种环境中不宜采用变焦（倍）镜头。

监视开阔环境时，如果仅仅要求被监视区域是否出现异常情况，并不要求看清被监视对象的细节，就没有必要选择变焦镜头，只需根据监控范围的大小计算出视场角，据此选择镜头（一般是广角镜头）即可；如果要求监看被监视对象的细节，就必须使用变焦镜头，因为只有使用这种镜头才能将处于开阔环境中的被监视对象清晰地呈现在末端显示器上。选择变焦镜头焦距范围的方法是：以环境的开阔程度、用户对系统末端监视器上显示的被监视对象清晰程度的要求，以及被监视对象的中心点到摄像机镜头之间的直线距离为参考依据，计算出在一个直线距离范围内，满足画面范围能够覆盖整个被监视场景这一前提条件的焦距变化范围。通常尽量选用具有电子对焦功能和电子光圈功能的长焦距电动可变焦镜头，即电动三可变镜头。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。当然，在这种环境中也可考虑选用一体化变倍镜头——可根据系统的设计要求以及性能价格比决定。

需要注意的是：在调节至最短焦距时应能满足覆盖主要被监视场景的要求，在调节至最长焦距时应能满足观察被监视场景画面细节的要求。

一般情况下，处于室内的办公空间、车间厂房、仓库、展场等环境可以经计算选用6～10倍的变焦镜头，处于室外的机场、车站、码头、库区、广场等环境可根据实际要求和计算选用10～22倍的镜头。通常，镜头倍数越大，价格越高。所以要在综合考虑系统造价的前提下，适当选用高倍数变焦镜头。

4 焦距的计算

对镜头焦距的选用实质上取决于被监视场景范围的大小或是对被监视场景画面清晰程度的要求，因此焦距的计算就是要求满足上述两方面要求的焦距值。

（1）满足被监视场景范围要求的镜头焦距的计算。

如果用户要求对某个被监视场景的进行监控，就需要利用摄像机视场角计算焦距。

摄像机的光电传感器目前通常还是4∶3的矩形，镜头的水平视角、垂直视角可通过下式计算：

式中，w、h分别为摄像机CCD传感器的宽和高，ωw、ωh分别为镜头的水平视角和垂直视角。

图1为水平方向视角的示意图。

对于有一定被监视场景范围要求或是视场角要求的摄像机来说，其焦距的计算式为：

图1 水平方向视角示意图

例如，某银行欲用两台1/3″的摄像机（配合1/3″镜头）监视银行正门外广场上的来往人员，每台摄像机在水平方向上要监视60°的监控范围，则其焦距为：

也就是说，只要选择焦距小于4.15mm的镜头，摄像机即可在水平方向上监视60°的范围。

实际上，监控的视场角是镜头与摄像机组合后得到的综合视场角，其大小是和选用的摄像机的尺寸有关的。比如说，1/2″的镜头装在1/3″的摄像机上，实际的综合视场角比计算的镜头视角要小。

（2）满足看清被监视对象外部轮廓的镜头焦距的计算。

如果用户要求能够看清被监视对象的外部轮廓，就要根据光学的焦距计算公式计算出所需焦距：

式中，fh、fw分别为根据被监视物体的高度和宽度选择的镜头焦距，单位是mm；L为物距，即被监视对象与镜头间的距离，单位为m；H、W分别为被监视对象的高度和宽度，单位是m；h、w分别为摄像机光电传感器光敏区的高与宽，单位为mm。

由于视频监视器的扫描光栅通常有10%～15%的过扫描，或者10%的欠扫描，因此要加入一个修正系数k来消除过扫描或欠扫描的影响，即：

一般当监视器处于过扫描工作方式时，k取1.1～1.2；当监视器处于欠扫描工作方式时，k取0.9。

例如，某银行欲用5台1/3″的摄像机监视营业柜台窗口，柜员桌子的宽度为1m，从桌面到窗口上部的距离为0.6m，摄像机和窗口的距离为2.4m，要求在监视器上显示整个营业窗口活动范围，则有：

也就是说，保证营业窗口活动范围在高度上得到完整监控的焦距为12mm，在宽度上得到完整监控的焦距为9.6mm。由于焦距越短，能够监视的范围越大；为保证营业窗口活动范围在高度与宽度上都处于监视画面内，焦距应小于二者中的最小值（即9.6mm），可取8mm。

（3）根据被摄物体的细节尺寸来选择镜头焦距。

除了上述两种情况，在一些特殊情况下，用户会要求能够在系统末端监视器上显示的图像中清晰地辨认被监视对象的细节，比如钞票的颜色与图案、门票的真伪等。这时，一般按如下公式来计算镜头焦距：

式中，f为所选镜头焦距，单位为mm；L为物距，单位为m；B为被摄物体细节尺寸，单位为mm；R为镜头光学分辨率，单位为lp/mm（Line Pair/mm，每毫米内线条对数）。

通常，2/3″镜头的光学分辨率为27lp/mm，1/2″镜头的光学分辨率为38lp/mm，1/3″镜头的光学分辨率为50lp/mm。

例如，某银行欲用两台1/3″的摄像机监视营业柜台窗口，银行出纳柜台办公桌距摄像机2m，要求看清10元以上纸币的票面（根据票面数字的大小，取细节尺寸为2mm），则有：

也就是说，可选焦距为10mm的1/3″的镜头。

当观察被摄物体的细节时，摄像效果与被摄物体所受光照的照度、被摄物体的对比度、摄像机的灵敏度与分辨率、监视器的分辨率等多种因素有关，按照公式计算得出的镜头焦距只能作为参考。例如，在上面的例子中，计算结果要求焦距大于10mm，但一般来说实际上应取焦距为15～25mm的镜头，才保证能在各种外部因素变化的情况下看清票面。

5 结束语

目前在实际工程实践中，视频监控系统的镜头往往都是由设计者或工程技术人员按照经验选择，甚至是任意选用的。其原因主要是工程技术人员对镜头的重要性不了解、对镜头应用的技术问题不熟悉，甚至是对工作责任的漠视；造成的后果往往是因焦距不合适使得图像聚焦不准、模糊不清、监视场景过大或过小等，无法达到业主的初始要求。有鉴于此，在建设视频监控系统的工作中，一定要对镜头的选择提起重视。