监控相机镜头评价和测试方法-赵严

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CCTV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：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 （Field of Image）= 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) 1/4 1/3 1/2 2/3 1

长边（mm） 3.2 4.8 6.4 8.8 12.8

短边（mm） 2.4 3.6 4.8 6.6 9.6

2．像质、分辨率（MTF）、场曲、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。

●MTF：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，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80 Lp/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80 Lp/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。

⏹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。场曲就是一个典型的像差形式。

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。

场曲导致视场边缘相对中心清晰度下降，也即MTF下降。以下图为例。

中心图像边缘图像

用一个全黑环境下的点状LED光源来演示镜头在实拍时场曲造成的影响。当处于画面的边角位置，最大光圈时，点状光源的形状已经完全被破坏了。当光圈收缩到F2.5时，表现得到了大幅改观。而中心图像则完全可以接受，光圈变化差异不大。

鉴于上述因素，对一个监控镜头，应当根据应用需求全面关注其MTF的分布，例如全天候监控要求光圈可变的镜头，就要注意光圈较小时的MTF，而对全视场均要求较高分辨率的场合就需要对视场边缘的MTF有所约束。

下图是某镜头MTF测试数据图表，横坐标为光圈的F数，纵坐标为MTF值的百分数。在MTF=50%的情况下，这支镜头最大光圈时中心分辨率达到35线对/毫米（lp/mm)，边缘分辨率接近25线对/毫米。中央分辨率在F4时达到最佳，而边缘分辨率则在F5.6时最佳：分别为45.6线对/毫米和35线对/毫米。