高清鏡頭技術(shù)及應用發(fā)展趨勢分析

摘要：高清鏡頭，也稱(chēng)百萬(wàn)像素鏡頭，與普通工業(yè)鏡頭相比具有清晰度高、光譜透射能力強、光譜矯正能力高等性能優(yōu)勢。而隨著(zhù)行業(yè)高清發(fā)展態(tài)勢的日趨激烈，各類(lèi)高清鏡頭及攝像機產(chǎn)品的應用也日益廣泛，百萬(wàn)像素鏡頭成為行業(yè)應用的焦點(diǎn)之一。

隨著(zhù)高清概念發(fā)展的日趨明顯，安防行業(yè)技術(shù)慢慢走向成熟。對監控領(lǐng)域而言，百萬(wàn)高清發(fā)展更是如火如荼。高清攝像機的出現給安防系統的圖像質(zhì)量帶來(lái)了大幅度的提升，如720P、1080P的IP高清攝像機，3M、5M分辨率的工業(yè)高清攝像機等，與之配套的高清鏡頭在市場(chǎng)上也如雨后春筍般大量出現。

　　高清鏡頭，也稱(chēng)百萬(wàn)像素鏡頭，與普通工業(yè)鏡頭相比具有清晰度高、光譜透射能力強、光譜矯正能力高等性能優(yōu)勢。而隨著(zhù)高清發(fā)展態(tài)勢的日趨激烈，各類(lèi)高清鏡頭及攝像機產(chǎn)品的應用也日益廣泛，百萬(wàn)像素鏡頭已成為行業(yè)應用的焦點(diǎn)之一。

　　攝像機鏡頭是視頻監視系統關(guān)鍵設備之一，它的質(zhì)量(指標)將直接影響攝像機的整機指標，攝像機鏡頭的選擇是否恰當既關(guān)系到系統質(zhì)量，又關(guān)系到工程造價(jià)。但面對形態(tài)各異的高清監控產(chǎn)品與千變萬(wàn)化的應用場(chǎng)景，百萬(wàn)高清監控鏡頭在各類(lèi)場(chǎng)景的復雜光線(xiàn)環(huán)境下，都要為攝像機帶來(lái)出色的成像效果，這就需要高清監控鏡頭具備一定的技術(shù)含量。

　　非球面鏡片技術(shù)是百萬(wàn)高清鏡頭一項非常重要的技術(shù)，也是鏡頭獲得高清效果的重要保證。傳統的球面鏡片具有球面像差的先天缺陷，從而帶來(lái)了無(wú)法克服的光斑現象，極大地影響攝像機成像質(zhì)量。

　　非球面鏡片具有良好的透光性和低折射率，使用一片非球面鏡片可以代替一組球面鏡片，從而使攝像機鏡頭的光學(xué)結構相對簡(jiǎn)化，這樣在光學(xué)通路和機械結構上容易獲得更大的通光口徑。并且，非球面鏡頭能使邊緣部分的光線(xiàn)與中央部分的光線(xiàn)都能穿過(guò)鏡片而聚焦到同一個(gè)平面，從而能清晰有效地利用整個(gè)鏡片的表面，使整個(gè)鏡片都能正確聚焦，并使有效通光口徑變大。

　　非球面鏡頭的有效通光口徑增大，就能讓更多的光線(xiàn)投射到CCD或CMOS的感光面上，也即增加了攝像機的靈敏度。并且，因為一片非球面鏡片能頂替好幾片或一組的球面鏡片，從而使攝像鏡頭的體積縮小、重量也減輕，又因光線(xiàn)經(jīng)過(guò)的鏡片少，因而使透光率大大增強，圖像畫(huà)面也變得細致明亮。

　　非球面鏡片的重要特點(diǎn)是可以改善鏡片邊緣部分對光的折射率，使鏡頭的邊緣成像變好。而球面鏡片，尤其高倍率球面鏡頭，更容易出現球差和圖像失真，尤其光線(xiàn)在球面鏡頭邊緣經(jīng)過(guò)折射會(huì )引成桶形失真，而將非球面鏡頭用于高倍率的變焦鏡頭時(shí)，由于非球面鏡頭將邊緣入射的光線(xiàn)按球面鏡頭失真的反方向進(jìn)行了修正，從而有效地消除了桶形失真。非球面的設計修正了影像不清、視界歪曲、視野狹小等不良現象，使成像更清晰、更細膩，通常用于廣角和超廣角鏡頭中，適合廣場(chǎng)、停車(chē)場(chǎng)等大范圍監控場(chǎng)所。

　　百萬(wàn)像素鏡頭技術(shù)中“透光率”的大小直接影響著(zhù)鏡頭的清晰度高低，是高清畫(huà)質(zhì)不可或缺的重要條件。“透光率”是指鏡頭鏡片的透光能力，主要決定因素是鍍膜技術(shù)。所謂鏡頭鍍膜是利用真空蒸汽沉積技術(shù)在鏡頭表面鍍上一層極薄的透明的膜，防反射的膜層能產(chǎn)生增透效果，透光率越高，透光量就越大，照度要求也就越低。在逆光攝影時(shí)，由于膜層影響，能使易產(chǎn)生的幻像和光暈降低到最小程度，尤其在夜間監控條件下，照度的高低是一個(gè)夜間鏡頭品質(zhì)的決定因素。

　　隨著(zhù)加工技術(shù)的進(jìn)步和使用范圍的不斷擴大，產(chǎn)生了高度技術(shù)化的多層鍍膜技術(shù)，使用多層鍍膜技術(shù)可實(shí)現防光線(xiàn)反射，促進(jìn)光線(xiàn)增透，提升鏡頭的整體通光量，最終提高成像質(zhì)量?？梢赃@么說(shuō)，沒(méi)有多層鍍膜技術(shù)的飛躍發(fā)展，高倍、大孔徑變焦鏡頭不可能有今天的發(fā)達局面。

　　最近多組透鏡構成的變焦鏡頭已成世界鏡頭發(fā)展的主流，采用多層鍍膜，到達膠片面的光線(xiàn)，其衍生的雜散光部分大大減小，使鏡頭鑒別率(解析率)不至于降低，也不損壞色彩還原。重新評價(jià)經(jīng)改進(jìn)的膜層，研制在各種鏡頭中引入最適宜的鍍膜最新技術(shù)，是各廠(chǎng)家一直研究的重要課題。

　　鏡片鍍膜看似是一道“后加工”步驟，其鍍膜涂料依每個(gè)廠(chǎng)家的技術(shù)會(huì )有差異，所有監控鏡頭涂層都不能保證完全一致，因此，了解涂料將直接影響著(zhù)鏡頭的性能。透鏡涂層的主要類(lèi)型包括納米涂層、集成涂層、復合涂層和透明涂層，還有一些高性能涂層BBAR和高保真涂層，目前監控鏡頭以BBAR跟納米涂層方式較多，其余大多用于DSC或單反相機鏡頭較多。

　　作為在成像過(guò)程中起到關(guān)鍵作用的鏡頭，其應用上應注意以下幾大問(wèn)題。

　　采用ED鏡片是關(guān)鍵

　　常用的安防監控市場(chǎng)，更多地采用的是定焦或者手動(dòng)變焦的鏡頭，因為監控距離較近，一般采用的鏡頭焦距在50mm以?xún)?。這種場(chǎng)景對鏡頭的防色散性能幾乎沒(méi)有要求。但一旦采用了電動(dòng)變焦鏡頭來(lái)對較遠目標進(jìn)行監控，色散問(wèn)題就凸顯出來(lái)(色散是可見(jiàn)光中的各種波長(cháng)的光經(jīng)過(guò)鏡頭折射后會(huì )出現焦點(diǎn)偏移，表現在圖像上就是物體邊緣有藍色或者紅色的色條)。原來(lái)在模擬監控系統，由于像元尺寸較大，色散的問(wèn)題不是很突出，只有在配置300mm焦距以上的情況下才會(huì )表現出來(lái)。而進(jìn)入高清時(shí)代，在常用的120mm焦距段的電動(dòng)變焦鏡頭，已經(jīng)比較明顯地可看到這個(gè)問(wèn)題，這就在材質(zhì)和鍍膜精度上對鏡頭有了更高的要求。配合的攝像機清晰度越高，鏡片材質(zhì)對成像效果的影響越發(fā)明顯。高清電動(dòng)變焦鏡頭采用ED鏡片，在長(cháng)焦距遠距離監控時(shí)，可以為攝像機提供更加清晰的畫(huà)面效果。

　　選擇大口徑設計鏡頭

　　采用ED鏡片的鏡頭并不能完全解決遠距離監控問(wèn)題。通常把720P以上清晰度輸出的圖像稱(chēng)為高清圖像。而根據市場(chǎng)的自由選擇，大多采用的是1080P的輸出格式。在遠距離監控領(lǐng)域，用戶(hù)希望用高清監控系統來(lái)提高畫(huà)面的像素，進(jìn)而更加清晰地觀(guān)看遠距離目標，而現實(shí)結果卻差強人意，其中因由也不難揣測。我們現在采用的高清攝像機大多采用的是CMOS芯片，照度性能只能達到0.5Lux。而長(cháng)焦鏡頭在焦距變化的過(guò)程中，光通量也會(huì )隨之變化，焦距越長(cháng)，光通量越小。當焦距拉長(cháng)到最大值時(shí)，光通量減到最弱。雖然是白天，但對于攝像機來(lái)說(shuō)，相當于面前被遮擋，只留了很小的孔透過(guò)光。在這種情況下，普通高清攝像機就會(huì )因為照度不夠出現畫(huà)面質(zhì)量衰減。解決這種問(wèn)題可以從兩方面入手。

　　1、采用針對遠距離監控設計的高清攝像機，例如高清SDI攝像機，這種攝像機除了最低照度做到0.3Lux的同時(shí)，還針對遠距離監控領(lǐng)域加入了針對色彩還原和低照度圖像增強技術(shù)，使得在光通量下降時(shí)也能得到清晰的畫(huà)面。

　　2、提高焦距拉長(cháng)時(shí)鏡頭的光通量。鏡頭一旦生產(chǎn)出來(lái)，光通量的范圍即確定下來(lái)，不可更改。因此必須在選擇鏡頭時(shí)挑選那些長(cháng)焦距時(shí)光通量性能較好的產(chǎn)品。根據鏡頭的光學(xué)關(guān)系：F(光通量的反比)=f(焦距)/D(鏡頭前有效口徑)。F值是光通量反比，這個(gè)值越小，光通量性能越好。那么在f相同的情況下，選擇有效口徑越大的鏡頭，得到的畫(huà)面效果越好。

　　IR功能不能被忽視

　　用戶(hù)關(guān)注高清系統，不只是關(guān)注白天能否得到清晰的畫(huà)面，夜晚的監控性能也是關(guān)注的要點(diǎn)。在高清系統里面，IR功能被普遍淡忘。但隨著(zhù)高清系統感光性能的提高，全天候監控系統中，IR功能逐漸得到用戶(hù)的認可。尤其是電動(dòng)變焦系統，IR功能至關(guān)重要。對于配合激光照明器等輔助光源的系統，IR功能是否具備，將直接影響到該系統的使用便捷性和可用性。

　　相對于成熟的模擬監控系統，高清成像系統還有很多不為人重視的技術(shù)細節。但隨著(zhù)高清系統的逐漸普及，高清鏡頭的選擇必將更加理性，同時(shí)隨著(zhù)需求的旺盛，將反過(guò)來(lái)推動(dòng)產(chǎn)品的不斷升級和發(fā)展。

　　隨著(zhù)視頻監控領(lǐng)域高清化趨勢愈演愈烈，成為監控行業(yè)最熱門(mén)話(huà)題，業(yè)界各大主流廠(chǎng)商都紛紛推出自己的高清產(chǎn)品，尤其是高清網(wǎng)絡(luò )攝像機更是款型豐富，外圍配套設備比較齊全，涌現出各種IP高清系統解決方案，極大地提高了視頻數據承載和應用能力，使視頻圖像分辨率大幅提升，并具有高度的易擴展性和集中管理等優(yōu)勢，成為目前高清視頻監控應用方案的主流。

　　網(wǎng)絡(luò )攝像機通常分為兩種：一種是前端基于模擬攝像機置入視頻與網(wǎng)絡(luò )處理模塊，因此與模擬攝像機有相同的弊端：圖像解析度不高，最高畫(huà)質(zhì)不超過(guò)D1，另一種為數字高清網(wǎng)絡(luò )攝像機，它的特點(diǎn)是直接將數字視頻處理并經(jīng)網(wǎng)絡(luò )傳輸，避免了普通模擬攝像機易受干擾的問(wèn)題，可以做到畫(huà)面干凈，畫(huà)質(zhì)清晰細膩，信噪比高。

　　為了使百萬(wàn)像素攝像機能夠得到最好的表現，使用高品質(zhì)的百萬(wàn)像素的鏡頭將顯得非常重要。光學(xué)圖像的質(zhì)量是整體圖像質(zhì)量的一個(gè)關(guān)鍵因素，作為百萬(wàn)像素網(wǎng)絡(luò )攝像機的“眼球”，百萬(wàn)像素鏡頭可以為整個(gè)圖像提供高對比度、高銳度和明銳度，而非百萬(wàn)像素鏡頭就無(wú)法完全展現百萬(wàn)像素傳感器的高分辨率，特別在圖片的邊緣。

　　據一些專(zhuān)家介紹，清晰度的兩大重要指標包括分辨率和反差。分辨率是指鏡頭再現被攝景物細節的能力，分辨率越高，畫(huà)面越清晰細膩;反差是指再現被攝景物的反差細節、明暗層次的能力，反差越高，畫(huà)面景物輪廓鮮明、邊緣銳利、層次豐富、質(zhì)感強烈、影調明朗。分辨率高而反差低的鏡頭，影像輪廓不清晰，反差灰暗，影調平淡，給人感覺(jué)反而不清晰，這也是導致國產(chǎn)百萬(wàn)高清鏡頭市場(chǎng)冷淡的一大原因，所以反差和分辨率都達到一定高度時(shí)，才是真正理想的百萬(wàn)高清鏡頭。

　　此外，百萬(wàn)像素高清攝像機鏡頭還具有以下發(fā)展趨勢。

　　大口徑小型化

　　為了提高鏡頭的通光量就要加大鏡頭的口徑，其在環(huán)境昏暗和夜間模式下的畫(huà)面亮度相比小口徑鏡頭有更優(yōu)質(zhì)的表現。小型化是指鏡頭結構緊湊，可以適用不同產(chǎn)品安裝和減小產(chǎn)品的體積。相比國外的百萬(wàn)像素監控鏡頭，其非球面技術(shù)的應用成熟，往往同一款鏡頭，其焦距足、口徑大、結構小，清晰度高。國內各大鏡頭廠(chǎng)家大多在慢慢探索，爭取早日成熟地應用于百萬(wàn)像素監控鏡頭新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)上，與國外廠(chǎng)家一爭高下。

　　日夜不離焦

　　在智能交通行業(yè)，成像器靶面越來(lái)越大，采用1"的CMOS的產(chǎn)品越來(lái)越多，這類(lèi)產(chǎn)品相對于2/3"CMOS，具有更好的低照度效果。目前較多的產(chǎn)品都不具備夜視齊焦的功能，需要依靠閃光燈補光，而很多國家不允許使用閃光燈，國內也開(kāi)始探討不用閃光燈的解決方案。

　　同時(shí)，在保證日間像質(zhì)的前提下，用戶(hù)對夜間像質(zhì)的要求也越來(lái)越高。在保證日間像質(zhì)的前提下，可以利用紅外濾片功能，ED(低折射率高色散系數)玻璃較好地校正色差，提高日夜成像的共焦能力和像質(zhì)。近年來(lái)，各大玻璃廠(chǎng)商也在竭力推廣ED玻璃。

　　噪聲光消除

　　噪聲光主要包括雜散光和鬼像。雜散光是指機械部件的反光造成的彩虹狀雜光等，雜散光可以通過(guò)鏡頭內壁和隔圈的消光處理完美消除。鬼像是指光線(xiàn)在鏡頭內部鏡片之間多次反射在畫(huà)面的二次成像，鬼像與強光物體輪廓類(lèi)似，無(wú)法完全消除，只能通過(guò)鍍多層增透膜來(lái)盡量減輕。一款綜合表現優(yōu)越的高清百萬(wàn)監控鏡頭，其在噪聲光的消除上應該要有優(yōu)良的表現才能在強光環(huán)境下表現優(yōu)質(zhì)，匹配其百萬(wàn)高清監控鏡頭的美稱(chēng)。

　　如今，高清化趨勢已成為監控行業(yè)的發(fā)展共識。高清發(fā)展的同時(shí)，作為核心部件之一的百萬(wàn)高清鏡頭也表現出高速的市場(chǎng)增長(cháng)，隨著(zhù)技術(shù)和市場(chǎng)的發(fā)展，對鏡頭也將提出更高的要求。市場(chǎng)競爭逼使企業(yè)創(chuàng )新意識增強，國內鏡頭制造商要極度重視技術(shù)革新和產(chǎn)品創(chuàng )新，才能使產(chǎn)品的品質(zhì)和穩定性有突破性提高。