简析摄像机镜头安装与观察效果的关系

蔡世芸

摘要：镜头是摄像机的眼睛，其性能直接关系到摄像机成像画面的清晰度。因此，为了最大限度提高摄像机效能，除对其自身的元器件和电路进行优化设计外，还需选择合适的镜头。

关键词：摄像机镜头;安装;观察;关系

在实际工程的安装调试中，参考成像原理获得的数据时，应考虑摄像机的安装高度和目标物体的高度。拍摄目标不同的安装高度及角度、摄像机镜头的水平和垂直盲区等因素都会影响其镜头的选择。基于此，本文重点论述了摄像机镜头安装与观察效果的关系。

一、摄像机镜头主要特点

镜头由多个光学透镜、光圈、镜筒组成的光学器件，相对于相机镜头，镜头右侧有一个摄像握手，握手上有多个按钮用于控制镜头。摄像机镜头是一种光学器件，是视频系统中最重要的设备，其功能是能将图像聚焦，成像在光电器材（CCD、CMOS）上。摄像机镜头质量优势（指标）直接影响摄像机的整体指标，镜头相当于人眼晶状体。若无镜头，摄像头输出图像即白茫茫一片，无清晰的图像输出。

1、镜头倍数（～x zoom）。光学变焦、数码变焦镜头的结合能实现最大放大倍数。

2、分辨率（～TV Lines）。此值表示摄像机处理细节的能力。分辨率测试是通过增加线簇密度的测试图完成。分辨率值是密集线线从摄像机图像中分辨出单独线条的区域的最大值，分辨率通常由电视扫描线表示，该值越高，摄像机拍摄图像质量越好。

3、焦距。指穿过镜头的平行光源与镜头透镜间的距离。

4、变焦（ZOOM）。用于缩放被摄物体。

5、聚焦（FOCUS）。用于微调被摄物体，以获得更好的可视化效果。

二、摄像机镜头的分类

摄像机镜头一般分为固定焦距、变焦距镜头：①固定焦距根据镜头与机身连接方式分为可换式和不可换式。②变焦距根据变焦模式分为光学、机械补偿，根据变焦距设置模式分为旋转式与推拉式。根据驱动方式可分为手动和电机驱动式，根据微距功能类型分为单焦距型和全焦距型，根据镜头与机身的连接方式分为可更换式和不可更换式，根据可更换镜头接口类型分为PK型、MD型、CY型、AI型等。根据焦距分为短焦镜头、标准镜头、长焦镜头。镜头具有许多特征参数，包括焦距、光圈、视角、镜头安装界面、景深等。镜头的选择通常取决于焦距和光圈参数，这不仅决定了镜头的聚光能力和放大率，还决定了其形状。

光圈是镜头焦距与其有效直径之比，使用时，可通过调整光圈口径改变相对孔径。光圈值决定镜头的聚光质量。镜头光通量与光圈平方成反比，自动可变光圈镜头可根据场景亮度自动调整，光圈值越大，相对孔径越大。但应根据工程实际情况选择孔径较小镜头。相对孔径越大，边缘光量引起的像差越大。为校正像差，需增加镜头重量和体积，从而增加成本。

焦距通常从镜头中心到主焦点距离，普通摄像机焦距有：2.8mm、3.5mm、4mm、4.8mm、6mm、6.5mm、8mm、9mm、9.5mm、10mm、12mm、16mm、25mm、50mm、75mm、100mm、130mm、150mm等。

摄像机靶面通常有1in、2/3in、1/1.8in、1/2in、1/3in、1/4in或其他规格。

根据透角划分镜头，长角镜头小于45°，标准镜头45°～50°，广角镜头90°，超广角视场角接近180°，鱼眼镜头大于180°。广角、标准、长角镜头是CCTV监控系统中常用镜头。根据运动方式，可分为旋转式云台和固定式。

本文从定焦距镜头和视场角度分析镜头安装角度与观察效果的关系。

三、摄像机常用成像公式

根据物理学知识，摄像机焦距与物距成反比，与垂直和水平角的视场高度成反比。比例关系为：

式中：-摄像机的焦距，mm;-像高度，mm;-物与摄像机镜头的距离，m;-像宽度，mm;-物高度，m;-物宽度，m;-水平视角;——垂直视角。

四、摄像机安装方法

第一步拿出支架，准备好工具和零件：涨塞、螺丝、改锥、小锤、电钻等必要工具，按事先确定的安装位置，检查好涨塞和自攻螺丝的大小型号，试一试支架螺丝和摄像机底座的螺口是否合适，预埋的管线接口是否处理好，测试电缆是否畅通，就绪后进入安装程序。

第二步拿出摄像机，按事先确定的摄像机镜头型号和规格，仔细装上镜头（红外一体式摄像机不需安装镜头），注意不要用手碰镜头和CCD（图中标注部分），确认固定牢固后，接通电源，连通主机或现场使用监视器、小型电视机等调整好光圈焦距。

第三步拿出支架、涨塞、螺丝、改锥、小锤、电钻等工具，按事先确定的位置，装好支架。检查牢固后，将摄像机按约定方向装上。

第四步若需安装护罩，在第二步后，直接从此开始安装护罩。①打开护罩上盖板和后挡板。②抽出固定金属片，将摄像机固定好。③将电源适配器装入护罩内;④复位上盖板和后挡板，理顺电缆，固定好，装到支架上。

第五步把焊接好的视频电缆BNC插头插入视频电缆插座内，确认固定牢固。

第六步将电源适配器的电源输出插头插入监控摄像机的电源插口，并确认牢固度。

第七步把电缆另一头接入控制主机或监视器，确保牢固。

第八步接通监控主机和摄像机电源，通过监视器调整摄像机角度到预定范围。

五、考虑安装角度后的公式修正

实际安装不是理想的水平投射，在实际成像中，由于摄像机具有一定安装高度，所以摄像机与水平线存在一定角度，因此可将物体投影到与镜头平行的平面上，这样可获得由实际摄像机捕获的目标的实际距离。

此外，目前像高或像宽不再用于表示成像大小，特别是在高清和智能视频分析应用中。通常，使用特定区域中的像素数量来描述成像，并通常为特定区域选择矩形区域。若仅涉及纵向高度（重力方向），则A×B被定义为传感器光面阵宽高尺寸，若面阵为F2×F1，则纵向像素数p可换算为：

六、镜头的选取

根据上述公式，可推断目标在传感器上呈现的纵向像素为：

根据上述公式，可计算出传感器中不同距离对应的纵向目标像素，并可忽略角度对横向像素的影响。一般情况下，横向像素最小值为60像素，纵向最小值为200像素，能清楚识别目标，并根据安装地点的具体距离、角度和目标选择合适焦距，使计算的纵、横像素大于最小值。

七、镜头盲区

选择镜头后，根据场区视角位置考虑盲点。主要有两种情况：①当大空间中无遮挡时，对于固定摄像机，盲区在水平和垂直视角的额定范围外。②当镜头受安装位置限制时，如狭长走廊等，盲区不仅要考虑额定角度，还要考虑墙体和天花板遮挡问题。

八、结论

选择摄像机镜头时，先按已知的现场条件计算目标在传感器上呈现的纵向像素P2，提取对应于200多个像素的焦距和感光面纵向高度B，获得已知条件下镜头焦距和感光面纵向高度B，选择相应镜头。俯角为10°和20°、高2.5（3.5）m、目标高Ho 1.7m、纵向额定像素F21080像素，而且当水平面上从目标中心到镜头中心的投影距离L已知时，无需计算，可直接选择与200像素以上的纵向像素对应的焦距和感光面纵向高度B对应的摄像机镜头即可。同时，结合现场条件，按横向盲区最大距离L1、纵向盲区最大距离L2考虑盲区对监测点的影响。此外，根据被监控位置大小、形状确定摄像机镜头视角宽及运动模式。旋转平台通常用于宽场地的多向目标监控，而固定监控通常用于狭窄场地，根据摄像机的视角。

参考文献：

[1]雷玉堂.安防视频監控实用技术[M].北京：电子工业出版社，2015.

[2]王磊.简析摄像机镜头安装与观察效果的关系[J].建筑电气，2020（01）.