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时间:2019-08-17
《监控相机镜头评价和测试方法-赵严》由会员上传分享,免费在线阅读,更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、监控相机镜头评价指标及测试方法初探一、前言监控是CCD成像器件诞生后最早进入现实应用的领域之一。早期,由于监控目的和成本约束,对成像分辨率和像质要求均比较低。随着CCD器件发展以及周边电子产品(记录、存贮、处理等)性能提升和价格平抑,高品质的监控需求逐步实现技术可行,从标准视频格式到标清格式,再到目前的高清格式,高清监控已经成为主流发展趋势。分辨率不断提高带来的好处是可以看到更多细节,为后期的处理、识别等应用带来更多信息素材,但同时也要求与之密切相关的光学系统提升才能得以保障。光学系统主要指成像镜头。在高清监控应用中,由于分辨率大幅提升,传统的CCT
2、V镜头已经很难实现匹配,新应用中的镜头在重要光学参数上已经接近专业摄影镜头的要求。尽管如此,由于监控相机的特性,镜头的要求与传统摄影镜头又有所区别。根据监控的基本要求以及当前监控相机的参数特点,对监控镜头的要求主要应从以下几个方面考虑。1)焦距与视场角:监控的一项重要指标是工作距离与监控范围,相机一旦选定,上述指标主要由镜头的焦距和视场角决定。2)清晰度与MTF:图像能否捕捉到足够的细节信息,与相机的分辨率关系很大,而镜头则是保障成像质量的重要约束。3)场曲和像散:同上,视场边缘位置的MTF相对中心位置的退化,即边缘清晰度下降。4)自动变焦和自动对焦
3、:当改变视场范围和对重点监控区域改变分辨率时,需要自动变焦来实现,此过程中自动对焦必不可少。5)色散:不同光谱的光线经过镜头后像点的分离,彩色监控中控制色散尤为重要。6)自动光圈(F数):全天候监控时,环境光强度变化时,镜头应具备自动调节能力。7)抗逆光:局部强光,如日光反射、强光灯等会导致图像的像质下降,需要镜头具备一定的抗逆光能力。8)其他(偏振、滤光):一些特殊要求下,需要特定光谱或抗眩光成像时,需要考虑镜头镀滤光膜或偏光膜。上述针对监控的一些通用要求列出了对监控镜头的需要关注的功能、参数、指标,在具体操作时应当如何控制、选择、评价,本文以高清
4、监控为例,在下面进行详细探讨。二、监控镜头指标评测方法1.焦距与视场角监控的一项重要指标是工作距离与监控范围(视场)。工作距离也就是物距,物体到镜头的距离u,视场角则是镜头能够接收到达成像面上的光线的角度2θ,如上图所示。则当工作距离一定时,镜头的视场角越大,能够监测的视场范围也越大。视场可用如下公式描述:FOV=2*u*tanθ;相应的,像场大小公式为:FOI(FieldofImage)=2*v*tanθ;在实际选型时,镜头的视场角应保证像场大于或等于CCD像面尺寸,因此监控范围的大小最终是由CCD像面尺寸与镜头视场角共同决定的。一般情况下,镜头会
5、标明支持CCD的尺寸,如1/2”—2/3”。有些情况下,则给出视场角为某一角度,此时可用上面的公式计算。举例说明,由于一般监控的工作距离较大,而镜头焦距f较小,即u>>f,此时v≈f。例如选用焦距f=25mm的镜头,视场角2θ=30°,则镜头可支持最大像面尺寸为13.4mm,略大于2/3”的CCD尺寸(对角线11mm)而小于1”的CCD尺寸(对角线16mm)。下表给出了常用CCD芯片的尺寸对比。对角线(in)1/41/31/22/31长边(mm)3.24.86.48.812.8短边(mm)2.43.64.86.69.61.像质、分辨率(MTF)、场曲
6、、畸变像质就是指镜头的成像质量,用于评价一个镜头的成像优劣。传函(调制传递函数的简称,用MTF表示)和畸变就是用于评价像质的两个重要参数。lMTF:在成像过程中的对比度衰减因子,主要描述了镜头对细节的表现能力。高清监控相机通常为1/2”—2/3”,像元尺寸为4.5~5.5μm,对应空间频率为110lp/mm~90lp/mm。如下图所示,为某个镜头中心视场的MTF曲线。图中横坐标是空间频率,纵坐标就是MTF值。由于实际成像中总有像差存在,成像的对比度总是下降的,作为对比度衰减因子的MTF也总是小于1的。像面上任何位置的MTF值都是空间频率的函数。一般地
7、,空间频率越高,MTF值越低,意味着高频信息对比度衰减更快。例如图中80Lp/mm的空间频率对应的MTF=0.52,意即对于中心视场来说,空间频率为80Lp/mm的信号成像对比度要下降大约一半(相对于实际目标来说)。监控应用主要供人眼观察,系统的MTF>0.22即可满足人眼观察的要求,因此对镜头来说,MTF>0.3即可满足要求。需要注意的是,对于同一款镜头,不同的视场位置以及不同光圈下,MTF的数值是不同的。n光圈变小会导致衍射效应增大,从而导致MTF下降。由于镜头自身像差通常在视场中心最小,在边缘较大,因此视场边缘的MTF通常比中心低。场曲就是一个
8、典型的像差形式。l场曲:在一个平坦的影象平面上,影像的清晰度从中央向外发生变化,聚焦形成弧型,就叫场曲。场曲
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