监控系统工程摄像机镜头选用及安装要点

思考的牛

由于应用环境各异及认知的缺失，部分工程商不仅在镜头选择上费尽周折，在其安装施工过程中也遭遇不少棘手的难题。本文即以笔者经验，就镜头在监控系统工程上的应用心得与业界同仁探讨与分享。

　　镜头(Lens)是摄像机的眼睛，其性能的优劣直接关系到摄像机成像画面是否清晰。因而若要实现摄像机的效能最大化，除了摄像机自身摄像组件与电路设计优良外，还需为其选配一款适当的镜头。镜头是由一组或多组光学玻璃镜片所组成，其透过机械的结构以光学原理形成物像。不同的镜片组合，成像距离也各有长短。为满足用户对不同视觉距离与角度范围的需求，厂商相应产出不同类型的监控摄像机镜头。然而由于镜头应用环境各异及对其认知的缺失，部分工程商不仅在镜头选择上费尽周折，在其安装施工过程中也遭遇不少棘手的难题。本文即以笔者经验，就镜头在监控系统工程上的应用心得与业界同仁探讨与分享。

　　监控摄像机镜头应用类型

　　因镜头的重要性，在进行监控工程设计规划前，只有先摸清镜头的类型及其应用方式，并了解其搭配应用的特性，才能发挥镜头最佳成像。以目前国内分类方式来说，镜头大致可以分为如下十种类型。

　　· 固定光圈镜头：定焦且固定光圈，主要用于环境光线固定的场所；

　　· 手动光圈镜头：定焦但光圈可调，主要用于环境光线固定但明暗不定的场所；

　　· 自动光圈镜头(DC-drive)：固定焦距，使用DC电压驱动用于环境光线变化性的固定范围场所；

　　· 自动光圈镜头(Video-drive)：固定焦距，使用视频信号驱动用于环境光线变化性的固定范围场所；

　　· 手动光圈变焦镜头：主要用于室内环境光线程度不定且范围大小不一的场所；

　　· 自动光圈变焦镜头：主要用于室外环境光线程度不定且范围大小不一的场所；

　　· 板机镜头(on-Board)：以搭配红外线摄像机为主，室内外均适用；

　　· 鱼眼全景镜头：主要用于室内环境光线程度不定且范围大小特定的场所；

　　· 电动变焦镜头：可遥控焦距景深及光圈，主要用于室内外环境光线程度不定而且景深范围大小可依要求调整的场所；

　　· 针孔镜头(Pin-Hole)： 主要用于隐匿监控及环境光线不定且范围特定的场所。

　　由以上镜头分类可看出，各类镜头的区别主要在其用途及应用环境需求上。因此在实际应用上，如何完美地搭配镜头，对工程商来说也是一大考验。

    镜头选型与视频画质关系

　　无论何种监控工程的应用中，视频画质效果皆是考核镜头优劣的核心因素。好的摄像机如果配上不好的镜头，就不能得到高质量的监控画面。同理，如果好的镜头却配上不好的摄像机，那也不会有好的视频画面呈现。高质量镜头不但在成像清晰度、对比度及亮度、色彩还原度具备尚佳表现，而且画面畸变率变形小。在与摄像机搭配上，镜头选型应考虑的因素包含下列几项。

　　· F值越小表示光通量越高。如果摄像机自身设有的照度计对通光量F值有一定要求，那么工程人员就更需要意识到镜头的光通量一定要大于摄像机的通光量，如摄像机是F1.4，则至少要选用F1.4或F1.2的镜头才能与之匹配；

　　· 镜头座的匹配。也就是C与CS Mount必须相互匹配。当然，在目前大部分采用5mm配接环下此问题不大，不过在安装环节故障层出不穷(该部分将在安装章节上向读者说明)；

　　· 光圈范围大，即f值由小到大的数值范围越大越好，由此能使搭配的摄像机对环境光线条件的适应足够应付任何光照条件变化；

　　· 镜片镀膜要均匀。目前质量较高的镜片的镀膜都是多层复合型镀膜。复合型镀膜可有效地抑制逆光及光线散射，以使摄像机避开光线造成的画面不良影响；

　　· 非球面的镜头搭配应用，无论百万还是非百万摄像机应用，搭配非球面镜对摄像机画面光线的整体平均度皆有很大改善。因为非球的镜头，在清晰度、对比度、画面亮度上较之球面镜头皆有较好的效果；

　　· 最好选用有焦距、景深或光圈都有固定锁定的调节螺丝。因为镜头应用在各种不同环境及固定条件下，如果有此装置可以避免已调节好的画面因摄像机震动而发生画质变动；

　　· 选用与镜头安装方便及大小结构适合的摄像机，过大或过小的镜头都会给摄像机安装调整或施工上带来不便，尤其是结构较为复杂的镜头更需谨慎采用；

　　· 红外线镜头的选用不是绝对的，在(Day & Night)日夜型摄像机与(Low-Light)低照度摄像机匹配上要慎之又慎。而ICR(彩转黑)摄像机对IR镜头没有偏好，相反，在黑白条件下，IR镜头反而可能是一种过度的功能浪费；

　　· 透过摄像机对红外线波场的感应范围来选择(LD低散射光学镜片)镜头。一般IR的红外线感应波长约是在300-750nm范围，但如果存在透雾的需求，那么摄像机及镜头在红外线感应波长上都必须要达到700-950nm的范围，因为只有波长达到该范围，才能发挥透雾的功效；

　　· 镜头在摄像机的搭配上还必须注意口径上的搭配，过去单纯的1/2、1/3及1/4英寸口径已经不是定律，随着CMOS感光芯片的发展，越来越多的大小取像口径尺寸出现，镜头的搭配口径大于摄像机的口径这一原则依旧不变，然而该原则在工程中也时有造成错误的选型应用。

　　对于工程人员来说，以上所述的镜头在与摄像机搭配选型时的数项重要参考因素内容至关重要。同样，在镜头工程施工安装上常常出现的问题与错误施作亦不容小视。

    镜头安装与施工常见问题

　　镜头施工与安装技艺并非高深莫测，然而在施工过程中，由于种种原因，镜头施工安装错误屡见不鲜，以致镜头结构或电路受损。那么，这些常见问题主要包含哪些呢？

　　镜头配接环组装顺序错误

　　镜头配接环组装顺序是工程人员在镜头安装上的最大盲点，由此带来的直接后果是镜头损坏。由于C与CS配接环在镜头安装上时有应用，而众多工程人员往往先把配接环与摄像机先组合锁紧，尔后再将镜头锁入配接环上，而部分镜头在设计上会以一种滑动结构配合摄像机背焦(Back Focus)的调整或是摄像机上松脱螺丝的机械背焦调整，这些调整下需要镜头能在配接环上转动或与配接环一起传动才能获得最佳焦距清晰点。但因为工程人员组装时出现排序错误，使得配接环死锁在镜头一侧。如此一来，在缺少自动背焦(ABF)功能情形下，松脱配接环，不但无法合理调整背焦，甚至出现因使力不当造成镜头螺牙磨损或镜头上塑料材质的螺牙座扭断。

　　镜头组装未带手套致使镀膜损坏

　　在镜头组装过程中，工程人员最常发生的施工故障即是未带手套或保护致使镀膜损坏。部分工程人员由于缺乏保护镜头(装上镜头保护盖进行安装)及施工时对精密设备或光学部件有保护及谨慎施作的意识，因而在镜头组装好时经常发现镜片面上残留有自己的指纹或其它污垢。经验老道的工程人员会取来适当的二氧化氯及拭镜布或鹿皮进行擦拭，然仍然有部分人员出于简便，选择用衣服一抹或用不当的纸巾擦拭，其不但对镜头镜片表面镀膜产生破坏，而且也伤及视频画面及镜头“元气”。

　　镜头装于保护罩中未适当留下窗口间距

　　安装电动镜头时，最容易被疏忽的是镜头装于保护罩中未适当留下窗口间距。工程人员在施工后做景深或焦距调整时，有时会发现，画面居然可看到摄像机或镜头本身在保护罩上反射的图像。此时即便通过操作景深(ZOOM)或调整焦距(FOCUS)仍无法改变画面扭动。经验不足的工程师会误以为摄像机自身没有调整好，然实为镜头在保护罩内安装错误间距所致。

　　镜头在无适当保护下进行组装

　　在镜头组装过程中，大部分工程人员都会小心翼翼地组装镜头。镜头价格不菲，稍有不慎造成镜头损坏，难逃其咎。然而，部分工程人员在组装摄像机与镜头时疏于保护，甚至选择在现场位置上进行。在缺少保护软垫等其他防范措施情形下，极易造成镜头外表损坏、内部光圈快门页片受损或风沙附着在镜片上。

    镜头组装自动光圈连接线路焊接错误

　　在镜头厂家的努力下，大多类型镜头已实现预置线路及接头的处理，如此一来，类似线路焊接错误造成的镜头伺服马达烧毁不复存在。然而部分电动镜头由于供货或现场保护罩配合上存在一定瑕疵，因而工程人员仍需了解并熟练这些接线与细微电路焊接技术。笔者曾发现，在一个工程中出现所有镜头的自动光圈驱动线路接头焊接短路的事故，这给工程施作带来莫大损失及成本消耗，身为工程商不得不预防此类问题发生。

　　镜头的目标摄像推算方式

　　镜头取像成像的公式及推算方式很多，下面介绍说明其中一种相对简易的方式。当然方式公式都不尽相同，以下仅供参考。

　　焦距的计算

　　1、公式计算法：视界大小和焦距的计算。视界大小是指被摄像物体的大小，视界的大小则是以镜头至被摄像物体距离，镜头焦距及所要看到的成像大小确定的。

　　2、镜头的焦距视界大小及镜头到被摄像物体的距离的计算如下。

　　基本公式：f=wL/W 另一反推`f=hL/H；

　　其中f：镜头焦距(mm)；

　　小写w：影像的宽度(被摄像体在摄像机CCD上成像的宽度mm)；

　　大写W：被摄像体的实体宽度；

　　L：被摄像体到摄像机镜头的距离；

　　小写h：影像高度(被摄像体在摄像机CCD上成像高度)；

　　视界高度(可看到的摄取场景)；

　　H：被摄物体的高度；

　　CCD规格尺寸：单位mm 规格。

　　镜头的工程应用发展趋势

　　在监控系统发展衍进过程中，摄像机镜头应用也在不断向前推进，其技术演变大致包含以下部分。

　　首先是P-Iris。先前如果镜头要光圈大，容易产生浅景深效应使得整个监控画面背景变模糊，景深清晰与光圈范围很大两者不可兼得，因此才有了这种P-Iris光圈控制型式产生，但这种方式不是每一家摄像机及镜头厂商都可以在摄像机内做到或镜头上电路做到，因此还有很多的争议，只是它可以改善景深背景与光圈大小的问题，这是镜头发展的一大趋势；其次，高清镜头占有率大幅提升但不会垄断，高清虽然已成为监控摄像机发展的潮流，但要大规模的高清摄像机及镜头应用仍需时日；最后则是国内自有CCTV镜头品牌渐成工程应用主流。与国际品牌相比，国内镜头产品不论质量还是价格上都在日趋贴近，中国的光学行业发展虽则晚于日韩诸国，然而在光学加工业中，中国镜头企业并不疏于国外竞争对手，在某些环节甚至强于国际厂商。