監控相機鏡頭評價指標及測試方法初探
一、前言
監控是ccd成像器件誕生後最早進入現實應用的領域之一。早期，由於監控目的和成本約束，對成像解析度和像質要求均比較低。隨著ccd器件發展以及周邊電子產品（記錄、存貯、處理等）效能提公升和**平抑，高品質的監控需求逐步實現技術可行，從標準**格式到標清格式，再到目前的高畫質格式，高畫質監控已經成為主流發展趨勢。
解析度不斷提高帶來的好處是可以看到更多細節，為後期的處理、識別等應用帶來更多資訊素材，但同時也要求與之密切相關的光學系統提公升才能得以保障。光學系統主要指成像鏡頭。在高畫質監控應用中，由於解析度大幅提公升，傳統的cctv鏡頭已經很難實現匹配，新應用中的鏡頭在重要光學引數上已經接近專業攝影鏡頭的要求。
儘管如此，由於監控相機的特性，鏡頭的要求與傳統攝影鏡頭又有所區別。
根據監控的基本要求以及當前監控相機的引數特點，對監控鏡頭的要求主要應從以下幾個方面考慮。
1） 焦距與視場角：監控的一項重要指標是工作距離與監控範圍，相機一旦選定，上述指標主要由鏡頭的焦距和視場角決定。
2） 清晰度與mtf：影象能否捕捉到足夠的細節資訊，與相機的解析度關係很大，而鏡頭則是保障成像質量的重要約束。
3） 場曲和像散：同上，視場邊緣位置的mtf相對中心位置的退化，即邊緣清晰度下降。
4） 自動變焦和自動對焦：當改變視場範圍和對重點監控區域改變解析度時，需要自動變焦來實現，此過程中自動對焦必不可少。
5） 色散：不同光譜的光線經過鏡頭後像點的分離，彩色監控中控制色散尤為重要。
6） 自動光圈（f數）：全天候監控時，環境光強度變化時，鏡頭應具備自動調節能力。
7） 抗逆光：區域性強光，如日光反射、強光燈等會導致影象的像質下降，需要鏡頭具備一定的抗逆光能力。
8） 其他（偏振、濾光）：一些特殊要求下，需要特定光譜或抗眩光成像時，需要考慮鏡頭鍍濾光膜或偏光膜。
上述針對監控的一些通用要求列出了對監控鏡頭的需要關注的功能、引數、指標，在具體操作時應當如何控制、選擇、評價，本文以高畫質監控為例，在下面進行詳細**。
二、監控鏡頭指標評測方法
1． 焦距與視場角
監控的一項重要指標是工作距離與監控範圍（視場）。工作距離也就是物距，物體到鏡頭的距離u，視場角則是鏡頭能夠接收到達成像面上的光線的角度2θ，如上圖所示。則當工作距離一定時，鏡頭的視場角越大，能夠監測的視場範圍也越大。
視場可用如下公式描述：
fov = 2 * u * tanθ；
相應的，像場大小公式為：
foi （field of image）= 2 * v * tanθ；
在實際選型時，鏡頭的視場角應保證像場大於或等於ccd像面尺寸，因此監控範圍的大小最終是由ccd像面尺寸與鏡頭視場角共同決定的。一般情況下，鏡頭會標明支援ccd的尺寸，如1/2」—2/3」。有些情況下，則給出視場角為某一角度，此時可用上面的公式計算。
舉例說明，由於一般監控的工作距離較大，而鏡頭焦距f 較小，即u >> f，此時v ≈ f。例如選用焦距 f = 25mm的鏡頭，視場角2θ = 30°，則鏡頭可支援最大像面尺寸為 13.4mm，略大於2/3」的ccd尺寸（對角線11mm）而小於1」的ccd尺寸（對角線16mm）。
下表給出了常用ccd 晶元的尺寸對比。
對角線 (in) 1/4 1/3 1/2 2/3 1
長邊 （mm） 3.2 4.8 6.4 8.8 12.8
短邊 （mm） 2.4 3.6 4.8 6.6 9.6
2． 像質、解析度（mtf）、場曲、畸變
像質就是指鏡頭的成像質量，用於評價乙個鏡頭的成像優劣。傳函（調製傳遞函式的簡稱，用mtf表示）和畸變就是用於評價像質的兩個重要引數。
● mtf：在成像過程中的對比度衰減因子，主要描述了鏡頭對細節的表現能力。
高畫質監控相機通常為1/2」—2/3」，像元尺寸為4.5~5.5μm，對應空間頻率為110lp/mm~90lp/mm。如下圖所示，為某個鏡頭中心視場的mtf曲線。
圖中橫座標是空間頻率，縱座標就是mtf值。由於實際成像中總有像差存在，成像的對比度總是下降的，作為對比度衰減因子的mtf也總是小於1的。像面上任何位置的mtf值都是空間頻率的函式。
一般地，空間頻率越高，mtf值越低，意味著高頻資訊對比度衰減更快。例如圖中80 lp/mm的空間頻率對應的mtf=0.52，意即對於中心視場來說，空間頻率為80 lp/mm的訊號成像對比度要下降大約一半(相對於實際目標來說)。
監控應用主要供人眼觀察，系統的mtf>0.22即可滿足人眼觀察的要求，因此對鏡頭來說，mtf>0.3即可滿足要求。
需要注意的是，對於同一款鏡頭，不同的視場位置以及不同光圈下，mtf的數值是不同的。
光圈變小會導致衍射效應增大，從而導致mtf下降。
由於鏡頭自身像差通常在視場中心最小，在邊緣較大，因此視場邊緣的mtf通常比中心低。場曲就是乙個典型的像差形式。
● 場曲：在乙個平坦的影象平面上, 影像的清晰度從**向外發生變化,聚焦形成弧型, 就叫場曲。
場曲導致視場邊緣相對中心清晰度下降，也即mtf下降。以下圖為例。
中心影象邊緣影象
用乙個全黑環境下的點狀led光源來演示鏡頭在實拍時場曲造成的影響。當處於畫面的邊角位置，最大光圈時，點狀光源的形狀已經完全被破壞了。當光圈收縮到f2.
5時，表現得到了大幅改觀。而中心影象則完全可以接受，光圈變化差異不大。
鑑於上述因素，對乙個監控鏡頭，應當根據應用需求全面關注其mtf的分布，例如全天候監控要求光圈可變的鏡頭，就要注意光圈較小時的mtf，而對全視場均要求較高解析度的場合就需要對視場邊緣的mtf有所約束。
下圖是某鏡頭mtf測試資料圖表，橫座標為光圈的f數，縱座標為mtf值的百分數。在mtf=50%的情況下，這支鏡頭最大光圈時中心解析度達到35線對/公釐（lp/mm)，邊緣解析度接近25線對/公釐。**解析度在f4時達到最佳，而邊緣解析度則在f5.
6時最佳：分別為45.6線對/公釐和35線對/公釐。
mtf的測試可用標準測試靶標來進行。並通過對比度來計算mtf值。靶標如下圖所示：
● 畸變：畸變可以看作是像面上不同區域性的放大率不一致引起的，是一種放大率像差。
理想成像中，物像應該是完全相似的，就是成像沒有帶來區域性變形，如下圖1。但是實際成像中，往往有所變形，如圖2、圖3。畸變的產生源於鏡頭的光學結構，成像特性使然。
圖1 無畸變圖2 正畸變圖3 負畸變
一般情況下，監控類應用不承擔高精度測量任務，因此對畸變可容忍度較高。但畸變過大會影響觀察效果，因此畸變率控制在5%~10%以內通常可以滿足絕大部分監控需求了。
3． 色散
色散是由於的鏡頭對不同波長的光線聚焦不在同乙個焦平面（不同波長的光線的焦距是不同的），或者和鏡頭對不同波長的光線放大的程度不同而形成的。
理論上色散在影像**及邊緣都可以發生，不過由於邊緣的光程較長，因此色散也就特別明顯。由於短波長的折射率較高，因此紫色對色差也特別敏感。由色差而形成的紫邊，通常可以在畫面邊緣看到，而由於紫色折射得較多，所以紫邊一般都是由內向外擴散。
此外，遠攝鏡頭的光程長，色散的現像也就特別容易看到。
色散現像在鏡頭邊緣較為明顯，而紫邊一般都是由內向外擴散。
影像**的色散紫邊較少
在一幅**中，紫邊比其他色散現象更加顯而易見。特別當逆光拍攝或拍攝對比極強烈的物體時，紫邊尤其容易出現。高光溢位也是導致紫邊清晰可見的原因之一。
燈光紫邊非常明顯紫邊控制很好
為解決色差問題，鏡頭廠商就想盡辦法從鏡片的構造入手，包括採用不同折射、散射特性的鏡片組合以及低色散材料。例如canon 以人工螢石晶體(caf2)的低色散特性大大減少鏡頭色差，並於 1969 年推出首支採用螢石鏡片的超遠攝鏡頭 fl-f300mm f/5.6。
色散評測可以採用如下方法，對高反差靶標（見下圖）成像，測量中心視場、邊緣視場高反差過渡帶的rgb分量變化曲線，過渡頻寬以及rgb分離較大說明色散嚴重。
高反差靶標色差現象的實拍表現
下面為某變焦鏡頭測試曲線圖：
廣角中心色散廣角邊緣色散
長焦中心色散長焦邊緣色散
4． 自動變焦、自動對焦、後焦調整，自動光圈
自動變焦：監控通常要求全景大視場和區域性區域放大兩種兼而備之，及所謂鏡頭的廣角端和長焦端，故而監控鏡頭需要通過大範圍變焦來實現廣角和長焦，也就是通過自動改變鏡頭焦距，在短焦時實現大視場，在長焦時實現高解析度。
景深與自動對焦：鏡頭在長焦端時，景深較小。通過下面的公式可以作出解釋。
公式中f為光圈數，δ為像元尺寸，l是工作距離，f是鏡頭焦距。以f=22，f = 300mm，δ=4.65μm，目標距離l=200m為例，景深範圍約為（200+59=259m，200-37=163m），景深約為96m；當目標距離l=100m時，景深範圍則變為（100+13=113m，100-10=90m），景深僅為23m。
通過上面計算可以看出，長焦端監控時，對近距離目標和遠距離目標不能同時保證清晰成像，因此需要自動對焦，即對不同的目標通過調整像距來改變聚焦面與ccd靶面的距離，達到清晰成像。
後焦調整：一般鏡頭的自動對焦只能在一定範圍改變像面位置，當調整到極限位置仍然不能保證像面與ccd靶面重合，此時就需要調整後焦，也就是人為改變ccd與鏡頭之間的距離，使成像清晰。
後焦調整的原因是，鏡頭大範圍變焦時，像距變化範圍也很大，對於廣角端，例如鏡頭焦距10mm，對30m~∞成像，像距約為10mm ~ 10.003mm，變化範圍很小；當長焦端焦距300mm，對30m~300m清晰成像，則像距為300.3mm ~303mm，變化範圍2.
7mm，變化範圍較大，由於景深原因，當長焦端對焦清晰後，變焦到廣角端時，後焦可能超出廣角端的像距範圍，因此需要調整後焦保證廣角端清晰。反覆重複這個過程，使長焦端和廣角端都能夠清晰成像，就是後焦調整。
自動光圈（f數）：全天候監控時，環境光強度變化時，鏡頭自動調節光圈使通光量改變以保證成像亮度。需要注意的是，當光圈改變後，景深也隨之變化，低照度環境下大光圈採集影象，景深是比較小的，此時必須通過自動對焦才能保證不同距離目標的清晰成像。
5． 抗逆光
攝影鏡頭的抗逆光能力的大小，也是乙個衡量鏡頭效能的重要指標之一。監控鏡頭設計要求能夠適應各種環境下的拍攝，對鏡頭抗逆光的能力提出了很高的要求。
通常在逆光條件下往往在拍攝到的**上會發現意外形成的光斑或者鬼影，取景時特別是太陽出現在畫面內或者畫面周邊，光斑的產生一直困擾著我們。它們產生的原因主要來至於鏡片表面的反射以及鏡頭內部側壁的反射。目前，為了消除這樣的不必要的反射，通常採用的手法就是對鏡片進行多層鍍膜以及對內壁進行消光處理。
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