高清鏡頭技術及應用發(fā)展趨勢分析

摘要：高清鏡頭，也稱百萬像素鏡頭，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。而隨著行業(yè)高清發(fā)展態(tài)勢的日趨激烈，各類高清鏡頭及攝像機產(chǎn)品的應用也日益廣泛，百萬像素鏡頭成為行業(yè)應用的焦點之一。

隨著高清概念發(fā)展的日趨明顯，安防行業(yè)技術慢慢走向成熟。對監(jiān)控領域而言，百萬高清發(fā)展更是如火如荼。高清攝像機的出現(xiàn)給安防系統(tǒng)的圖像質量帶來了大幅度的提升，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上也如雨后春筍般大量出現(xiàn)。

　　高清鏡頭，也稱百萬像素鏡頭，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。而隨著高清發(fā)展態(tài)勢的日趨激烈，各類高清鏡頭及攝像機產(chǎn)品的應用也日益廣泛，百萬像素鏡頭已成為行業(yè)應用的焦點之一。

　　攝像機鏡頭是視頻監(jiān)視系統(tǒng)關鍵設備之一，它的質量(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系到系統(tǒng)質量，又關系到工程造價。但面對形態(tài)各異的高清監(jiān)控產(chǎn)品與千變萬化的應用場景，百萬高清監(jiān)控鏡頭在各類場景的復雜光線環(huán)境下，都要為攝像機帶來出色的成像效果，這就需要高清監(jiān)控鏡頭具備一定的技術含量。

　　非球面鏡片技術是百萬高清鏡頭一項非常重要的技術，也是鏡頭獲得高清效果的重要保證。傳統(tǒng)的球面鏡片具有球面像差的先天缺陷，從而帶來了無法克服的光斑現(xiàn)象，極大地影響攝像機成像質量。

　　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結構相對簡化，這樣在光學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與中央部分的光線都能穿過鏡片而聚焦到同一個平面，從而能清晰有效地利用整個鏡片的表面，使整個鏡片都能正確聚焦，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，又因光線經(jīng)過的鏡片少，因而使透光率大大增強，圖像畫面也變得細致明亮。

　　非球面鏡片的重要特點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(xiàn)球差和圖像失真，尤其光線在球面鏡頭邊緣經(jīng)過折射會引成桶形失真，而將非球面鏡頭用于高倍率的變焦鏡頭時，由于非球面鏡頭將邊緣入射的光線按球面鏡頭失真的反方向進行了修正，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(xiàn)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、停車場等大范圍監(jiān)控場所。

　　百萬像素鏡頭技術中“透光率”的大小直接影響著鏡頭的清晰度高低，是高清畫質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。所謂鏡頭鍍膜是利用真空蒸汽沉積技術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，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(jiān)控條件下，照度的高低是一個夜間鏡頭品質的決定因素。

　　隨著加工技術的進步和使用范圍的不斷擴大，產(chǎn)生了高度技術化的多層鍍膜技術，使用多層鍍膜技術可實現(xiàn)防光線反射，促進光線增透，提升鏡頭的整體通光量，最終提高成像質量?？梢赃@么說，沒有多層鍍膜技術的飛躍發(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，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。重新評價經(jīng)改進的膜層，研制在各種鏡頭中引入最適宜的鍍膜最新技術，是各廠家一直研究的重要課題。

　　鏡片鍍膜看似是一道“后加工”步驟，其鍍膜涂料依每個廠家的技術會有差異，所有監(jiān)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鏡頭的性能。透鏡涂層的主要類型包括納米涂層、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(jiān)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。

　　作為在成像過程中起到關鍵作用的鏡頭，其應用上應注意以下幾大問題。

　　采用ED鏡片是關鍵

　　常用的安防監(jiān)控市場，更多地采用的是定焦或者手動變焦的鏡頭，因為監(jiān)控距離較近，一般采用的鏡頭焦距在50mm以內。這種場景對鏡頭的防色散性能幾乎沒有要求。但一旦采用了電動變焦鏡頭來對較遠目標進行監(jiān)控，色散問題就凸顯出來(色散是可見光中的各種波長的光經(jīng)過鏡頭折射后會出現(xiàn)焦點偏移，表現(xiàn)在圖像上就是物體邊緣有藍色或者紅色的色條)。原來在模擬監(jiān)控系統(tǒng)，由于像元尺寸較大，色散的問題不是很突出，只有在配置300mm焦距以上的情況下才會表現(xiàn)出來。而進入高清時代，在常用的120mm焦距段的電動變焦鏡頭，已經(jīng)比較明顯地可看到這個問題，這就在材質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，鏡片材質對成像效果的影響越發(fā)明顯。高清電動變焦鏡頭采用ED鏡片，在長焦距遠距離監(jiān)控時，可以為攝像機提供更加清晰的畫面效果。

　　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(jiān)控問題。通常把720P以上清晰度輸出的圖像稱為高清圖像。而根據(jù)市場的自由選擇，大多采用的是1080P的輸出格式。在遠距離監(jiān)控領域，用戶希望用高清監(jiān)控系統(tǒng)來提高畫面的像素，進而更加清晰地觀看遠距離目標，而現(xiàn)實結果卻差強人意，其中因由也不難揣測。我們現(xiàn)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。而長焦鏡頭在焦距變化的過程中，光通量也會隨之變化，焦距越長，光通量越小。當焦距拉長到最大值時，光通量減到最弱。雖然是白天，但對于攝像機來說，相當于面前被遮擋，只留了很小的孔透過光。在這種情況下，普通高清攝像機就會因為照度不夠出現(xiàn)畫面質量衰減。解決這種問題可以從兩方面入手。

　　1、采用針對遠距離監(jiān)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，還針對遠距離監(jiān)控領域加入了針對色彩還原和低照度圖像增強技術，使得在光通量下降時也能得到清晰的畫面。

　　2、提高焦距拉長時鏡頭的光通量。鏡頭一旦生產(chǎn)出來，光通量的范圍即確定下來，不可更改。因此必須在選擇鏡頭時挑選那些長焦距時光通量性能較好的產(chǎn)品。根據(jù)鏡頭的光學關系：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，得到的畫面效果越好。

　　IR功能不能被忽視

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

　　相對于成熟的模擬監(jiān)控系統(tǒng)，高清成像系統(tǒng)還有很多不為人重視的技術細節(jié)。但隨著高清系統(tǒng)的逐漸普及，高清鏡頭的選擇必將更加理性，同時隨著需求的旺盛，將反過來推動產(chǎn)品的不斷升級和發(fā)展。

　　隨著視頻監(jiān)控領域高清化趨勢愈演愈烈，成為監(jiān)控行業(yè)最熱門話題，業(yè)界各大主流廠商都紛紛推出自己的高清產(chǎn)品，尤其是高清網(wǎng)絡攝像機更是款型豐富，外圍配套設備比較齊全，涌現(xiàn)出各種IP高清系統(tǒng)解決方案，極大地提高了視頻數(shù)據(jù)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(jiān)控應用方案的主流。

　　網(wǎng)絡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，最高畫質不超過D1，另一種為數(shù)字高清網(wǎng)絡攝像機，它的特點是直接將數(shù)字視頻處理并經(jīng)網(wǎng)絡傳輸，避免了普通模擬攝像機易受干擾的問題，可以做到畫面干凈，畫質清晰細膩，信噪比高。

　　為了使百萬像素攝像機能夠得到最好的表現(xiàn)，使用高品質的百萬像素的鏡頭將顯得非常重要。光學圖像的質量是整體圖像質量的一個關鍵因素，作為百萬像素網(wǎng)絡攝像機的“眼球”，百萬像素鏡頭可以為整個圖像提供高對比度、高銳度和明銳度，而非百萬像素鏡頭就無法完全展現(xiàn)百萬像素傳感器的高分辨率，特別在圖片的邊緣。

　　據(jù)一些專家介紹，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(xiàn)被攝景物細節(jié)的能力，分辨率越高，畫面越清晰細膩;反差是指再現(xiàn)被攝景物的反差細節(jié)、明暗層次的能力，反差越高，畫面景物輪廓鮮明、邊緣銳利、層次豐富、質感強烈、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，給人感覺反而不清晰，這也是導致國產(chǎn)百萬高清鏡頭市場冷淡的一大原因，所以反差和分辨率都達到一定高度時，才是真正理想的百萬高清鏡頭。

　　此外，百萬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面亮度相比小口徑鏡頭有更優(yōu)質的表現(xiàn)。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。相比國外的百萬像素監(jiān)控鏡頭，其非球面技術的應用成熟，往往同一款鏡頭，其焦距足、口徑大、結構小，清晰度高。國內各大鏡頭廠家大多在慢慢探索，爭取早日成熟地應用于百萬像素監(jiān)控鏡頭新產(chǎn)品的開發(fā)上，與國外廠家一爭高下。

　　日夜不離焦

　　在智能交通行業(yè)，成像器靶面越來越大，采用1"的CMOS的產(chǎn)品越來越多，這類產(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，國內也開始探討不用閃光燈的解決方案。

　　同時，在保證日間像質的前提下，用戶對夜間像質的要求也越來越高。在保證日間像質的前提下，可以利用紅外濾片功能，ED(低折射率高色散系數(shù))玻璃較好地校正色差，提高日夜成像的共焦能力和像質。近年來，各大玻璃廠商也在竭力推廣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，雜散光可以通過鏡頭內壁和隔圈的消光處理完美消除。鬼像是指光線在鏡頭內部鏡片之間多次反射在畫面的二次成像，鬼像與強光物體輪廓類似，無法完全消除，只能通過鍍多層增透膜來盡量減輕。一款綜合表現(xiàn)優(yōu)越的高清百萬監(jiān)控鏡頭，其在噪聲光的消除上應該要有優(yōu)良的表現(xiàn)才能在強光環(huán)境下表現(xiàn)優(yōu)質，匹配其百萬高清監(jiān)控鏡頭的美稱。

　　如今，高清化趨勢已成為監(jiān)控行業(yè)的發(fā)展共識。高清發(fā)展的同時，作為核心部件之一的百萬高清鏡頭也表現(xiàn)出高速的市場增長，隨著技術和市場的發(fā)展，對鏡頭也將提出更高的要求。市場競爭逼使企業(yè)創(chuàng)新意識增強，國內鏡頭制造商要極度重視技術革新和產(chǎn)品創(chuàng)新，才能使產(chǎn)品的品質和穩(wěn)定性有突破性提高。