监控摄像机图像采集部分(镜头和图像传感器)调研

监控摄像机图像采集部分（镜头和图像传感器）1监控摄像机典型结构图一是个监控摄像机的典型结构，将光线转换为数字信号，并进行传输或保存；其中负责光电转换的就是图像传感器（ImageSensor）；图二是个监控摄像机（枪机）的实物图，主要有：镜头、图像采集板（光电转换和图像ISP处理等）、电源板、主控板（图像编码、存储、传输等）；光线景物闪光灯或红外灯镜头变焦、光圈IR-CUT拜耳滤光片感光片放大ADCRAW数据彩色插值效果处理RGB或YUV数据进一步处理压缩编码网络传输本地存储图一监控摄像机结构框图图像传感器（ImageSensor）图像传感器（ImageSensor）下面主要说一下监控摄像机上成像的物理（硬件）因素：镜头和图像传感器；2镜头理论上,镜头可以只由一个镜片组成,但由于光学原因,单个镜片的成像不可避免的存在色差、球差、彗差、像散等等一系列像差问题,尤其在边缘部分,成像很差。所以实际镜头都是多个（最多能有20多个）镜片的组合，可以在一定程度上校正像差。另外，变焦镜头的变焦和聚焦也是改变镜片的间距来实现的；镜头的主要参数有接口类型、成像尺寸、分辨率、焦距与视野角度、光圈等；2.1镜头接口镜头的接口就是镜头与相机连接的装置，一般的单反相机的接口各家大多不同（如尼康的F接口，徕卡接口），监控摄像机使用的大多是C/CS接口（标准镜头）或M20/M14/M12（小镜头）等；C/CS接口都是国际标准接口，为1X1/32(即25.4mmX0.8mm)英制螺纹连接口，区别在于C型接口的后截距为17.5mm，CS型接口的后截距为12.5mm。所以CS型接口的摄像机可以和C口及CS口的镜头连接使用，只是使用C口镜头时需要加一个5mm的接圈；M20/M14/M12常用在半球机、单板机等小型监控上，M后面是代表接口直径；2.2镜头成像尺寸镜头一般分为1〃，2/3〞，1/2〞，1/4〞等几种规格（表一），它们分别对应着不同的成像尺寸，选用镜头时应使镜头的成像尺寸摄像机中CCD成像靶面大小相吻合或略大于CCD的成像靶，否则成像画面会被镜筒挡住，画面四周出现暗角（图三）。补充内容：图像传感器的尺寸（如1〃、1/2〃等），既不是任何一条边的尺寸，也不是其对角线尺寸，看着这样的尺寸，往往难以形成具体尺寸大小的概念。那么，这个尺寸到底是怎么来的呢，事实上，这种表示方法来源于早期的摄像机成像器件——光导摄像管。在CCD出现之前，摄像机是利用一种叫做“光导摄像管（VidiconTube）”的成像器件感光成像的，这是一种特殊设计的电子管，其直径的大小，决定了其成像面积的大小。因此，人们就用光导摄像管的直径尺寸来表示不同感光面积的产品型号。CCD出现之后，最早被大量应用在摄像机上，也就自然而然沿用了光导摄像管的尺寸表示方法，进而扩展到所有类型的图像传感器的尺寸表示方法上。例如，型号为1/1.8〃的CCD或CMOS，就表示其成像面积与一根直径为1/1.8英寸的光导摄像管的成像靶面面积近似。光导摄像管的直径与CCD/CMOS成像靶面面积之间没有固定的换算公式，从实际情况来说，CCD/CMOS成像靶面的对角线长度大约相当于光导摄像管直径长度的2/3。2.3镜头的分辨率镜头的分辨率是指在成像平面上1毫米间距内能分辨开的黑白相间的线条对数，单位是“线对/毫米”（lp/mm，line-pairs/mm）；镜头对黑白等宽的测试线对图并不是无限可分辨的。当黑白等宽的测试线对密度不高的时候，成像平面处黑白线条是很清晰的。当黑白等宽的测试线对密度提高时，在成像平面处还是可以分辨出黑白线条，但是白线已不是那么白了，黑线也不是那么黑了，白线黑线的对比度就会下降。当黑白等宽的测试线对密度提高到某一程度，在成像平面处黑白线的对比度非常小，黑白线条都变成了灰的中间色了，这就到了镜头分辨的极限。参见图五。用数线条的方法确定分辨率是一种方法，还有一种更为客观的方法是测量镜头的MTF（modulationtransferfunction调制传递函数）函数。被测的黑白条纹图（分辨率图版）白线最亮处与黑线最暗处的差别，反映了被测图形的反差（或称对比度）。设白线最大亮度为Imax，黑线最小亮度为Imin，我们用调制度（Modulation）来表示反差的大小。调制度M定义如下：M=(Imax－Imin)/(Imax＋Imin)同样通过镜头成像的图形白线最亮处与黑线最暗处的差别，反映了成像图形的反差(对比度)。设白线最大亮度为I*max，黑线最小亮度为I*min，调制度M*如下：M*=（I*max－I*min)/（I*max＋I*min）如果原来图像的调制度M和经过镜头后成像的调制度M*，那么MTF值为：MTF=M*/M当然我们希望原来图像的调制度M和经过镜头后成像的调制度M*能“原汁原味”M*=M，即MTF=1。这时经过镜头后成像的反差（对比度）和原图像一样，但实际情况是经过镜头成像的M*要小于原来图像的M。当被测的黑白条纹图密度不高时，M*和M几乎相等。随着被测的黑白条纹图密度逐渐提高时，I*max和I*min会逐渐接近，M*会逐渐变小，直到为0，MTF也同样逐渐变小，直到为0。当我们改变测试图的黑白条纹图密度时，所成图像的条纹密度即所代表的分辨率或称每毫米线对（lp/mm）也在改变。将lp/mm值作为横坐标将镜头MTF值作纵坐标连成图，我们就得到了MTF-lp/mm图，参见图六。在图六中最上面是一组逐渐变密的黑白测试线条，中间是一组通过镜头成像的线条，下图中红色曲线就是镜头所成图像的亮度变化曲线，蓝色曲线就是MTF-lp/mm曲线。当黑白线条很粗时（分辨率很低10lp/mm）测试图和成像的黑白线条的亮度一样，都很黑或很白，体现在红色曲线就是曲线上下幅度很大，蓝色这部分MTF-lp/mm曲线都接近100%。当测试线条变密，通过镜头成像的白线条就会变暗，黑线条也不怎么黑了，看40lp/mm处，代表黑白亮度的红线幅度变小，即反差变小（I*max-I*min），调制度M*变小，所以蓝色的MTF值下降到50%。进一步提高黑白测试线条密度，如上图的接尾处200lp/mm代表黑白亮度的红线幅度变得非常小，趋于黑白的中间值，成像的黑白线已经很不分明而成了中间的灰色，蓝色曲线的MTF=3%，到了这个镜头的分辨率极限。人眼对反差5%时尚能察觉，对反差低于2%时就不能察觉了。所以一般选定MTF值为3%时的lp/mm值作为镜头的目视分辨率。上面的MTF图是镜头中心处的MTF值随分辨率lp/mm变化的曲线图。但MTF还和很多因素有关。测试时镜头的光圈，测试点偏离中心的距离。另外测试黑白线条是平行于径线（弧矢方向），还是垂直径线即切线方向（子午方向meridional一般标M），MTF值都不一样。镜头公司往往会以一个固定光圈，用10lp/mm分辨率的黑白线条，在偏离镜头中心不同距离处测试MTF值，来表示镜头中心外其他各点反差特性。也会用30lp/mm在偏离镜头中心不同距离处测试MTF值，来表示镜头中心外其他各点的分辨率特性。所以镜头公司会提供有两组曲线，一组是10lp/mm用粗线表示，另一组是30lp/mm用细线表示。每组曲线有两条，弧矢方向（测试黑白线条是平行于径线）测得的MTF曲线一般用实线表示，子午方向（测试黑白线条是垂直于径线）测得的MTF曲线一般用虚线表示，总共4条曲线。如图八；图八是某镜头距中心不同距离（mm）处的MTF图。由图中线条我们可以看出，代表反差（10lp/mm）的蓝色粗线很高，接近于0.97，说明该镜头有着非常好的透光性（反差很大）。代表分辨率（30lp/mm）的蓝色细线也在0.86以上，说明该镜头的分辨率也很好。蓝色曲线直到距离中心18毫米左右依然平直、仅在边缘略有下降，说明该镜头在整个成像范围内有着一致的特性，边角分辨率略有一点下降。实线与虚线距离很近，反映出该镜头像散也很小。1mm内有N条黑白线对，那么就有N条白线和N条黑线总共2N条线。以摄像机的一个感光元对应以一条白线或黑线，那么摄像机在1mm内需要有2N个感光元来对应N条白线和N条黑线，摄像机的感光元密度就是2N/mm；这时摄像机感光元件的分辨率和镜头的分辨率正好匹配，谁都没有浪费。下面是个例子：有一个2百万像素摄像机，像素数为1600×1200=1920000，感光面尺寸是1/2英寸。我们知道1/2英寸的感光面的水平尺寸是6.4mm、垂直尺寸是4.8mm，它的水平像素密度是1600/6.4=250pixel/mm，垂直像素密度是1200/4.8=250pixel/mm，感光像元尺寸是4um×4um。水平像素密度和垂直像素密度一样，像素是正方形的，如果像素不是正方形的镜头分辨率应参考像素密度高的。在这里水平像素密度和垂直像素密度都是250pixel/mm，所以镜头分辨率应选125lp/mm。如果一个2百万像素摄像机感光面尺寸是1/3英寸，1/3英寸感光面的水平尺寸是4.8mm，垂直尺寸是3.6mm，它的水平像素密度是1600/4.8=333.3pixel/mm，垂直像素密度是1200/3.6=333.3pixel/mm，所以镜头分辨率应选167lp/mm。有时摄像机的指标会给出感光像元的尺寸L（mm），那么所对应镜头分辨率的黑白线宽应该都是L（mm），所以黑白两条线对应的一条线对的宽度是2L(mm)，那么其倒数1/(2L)（lp/mm）就是镜头的分辨率。比如一个摄像机标出感光元的尺寸是4um,那么所选镜头的极限分辨率线宽（白线或黑线）也应该是4um,一对黑线白线的宽度2×0.004mm，镜头的分辨率就是1/（2×0.004）=125lp/mm。MTF曲线一般高端的镜头（如单反用镜头）才会提供，出于成本考虑，监控用的镜头大多只会测试中心和边缘几个点的MTF值，往往只有标出成像尺寸和分辨率（几百万），使用时要注意成像尺寸和分辨率的对应（如上面的例子，都是200万镜头，但成像尺寸不一样，对应的分辨率也不同）；2.4镜头焦距与视野角度焦距是镜头中心和感光元件之间的距离，通过改变镜头的焦距，可以改变镜头的放大倍数，改变拍摄图像的大小。在工程实际中，我们常用水平视场角来反映画面的拍摄范围。焦距f越大，视场角越小，在感光元件上形成的画面范围越小；反之，焦距f越小，视场角越大，在感光元件上形成的画面范围越大。实际使用中，是根据所使用摄像机的成像尺寸，和被监控物体的尺寸大小、监控摄像机与被监控物体的距离，来确定所选镜头的焦距；例如，需要在4米远的墙上，安装监控摄像机（使用的感光元件大小1/3英寸，宽4.8mm，高3.6mm），监控进出大门（3米X2米）的人员；水平方向需要的焦距f=400*4.8/300=6.4mm，垂直方向需要的焦距f=400*3.6/200=7.2mm，一般选择比计算值小的，这样视角还会大一些，所以应选择的镜头焦距要小于等于6.4mm，实际的监控范围是3米X2.25米（焦距6.4mm）；要注意的是上述计算是基于理想镜头，实际镜头会与计算值有细微差异（因为实际的镜头往往会存在折射现象，光线没有走直线，特别是广角镜头与公式计算的差异会比较大）；工程中，可以通过镜头、场景计算软件—ViewDesigner来确定摄像机的安装位置和参数；补充：等效焦距在数码相机的镜头上，常常会看到等效焦距，还会根据等效焦距，把镜头分为鱼眼（等效焦距小于14mm）、广角（等效焦距16-28mm）、普通（等效焦距28-80mm）、长焦（等效焦距大于80mm）等，如下图；因为相机的感光元件（CCD或CMOS）的尺寸是随相机的不同而不同（如有1/2.5英寸，1/1.8英寸等），所以同样焦距的镜头在不同尺寸感光元件的数码相机上，成像的视角也是不同；所以仅仅以镜头的真实焦距，无法比较不同相机的拍摄范围（成像视角）。但对于用户来说，真正有意义的正是相机的拍摄范围（视角大小）。而由于一直以来大家通常以135胶片相机（35mm相机，成像单元尺寸36mmX24mm）的镜头焦距来界定拍摄视角（135胶片相机的感光面是固定不变的），所以大家也习惯于将不同尺寸感光元件上成像的