高清鏡頭技術(shù)及應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)分析

摘要：高清鏡頭，也稱百萬(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(qiáng)、光譜矯正能力高等性能優(yōu)勢(shì)。而隨著行業(yè)高清發(fā)展態(tài)勢(shì)的日趨激烈，各類高清鏡頭及攝像機(jī)產(chǎn)品的應(yīng)用也日益廣泛，百萬(wàn)像素鏡頭成為行業(yè)應(yīng)用的焦點(diǎn)之一。

隨著高清概念發(fā)展的日趨明顯，安防行業(yè)技術(shù)慢慢走向成熟。對(duì)監(jiān)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(jī)的出現(xiàn)給安防系統(tǒng)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(jī)，3M、5M分辨率的工業(yè)高清攝像機(jī)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(xiàn)。

　　高清鏡頭，也稱百萬(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(qiáng)、光譜矯正能力高等性能優(yōu)勢(shì)。而隨著高清發(fā)展態(tài)勢(shì)的日趨激烈，各類高清鏡頭及攝像機(jī)產(chǎn)品的應(yīng)用也日益廣泛，百萬(wàn)像素鏡頭已成為行業(yè)應(yīng)用的焦點(diǎn)之一。

　　攝像機(jī)鏡頭是視頻監(jiān)視系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備之一，它的質(zhì)量(指標(biāo))將直接影響攝像機(jī)的整機(jī)指標(biāo)，攝像機(jī)鏡頭的選擇是否恰當(dāng)既關(guān)系到系統(tǒng)質(zhì)量，又關(guān)系到工程造價(jià)。但面對(duì)形態(tài)各異的高清監(jiān)控產(chǎn)品與千變?nèi)f化的應(yīng)用場(chǎng)景，百萬(wàn)高清監(jiān)控鏡頭在各類場(chǎng)景的復(fù)雜光線環(huán)境下，都要為攝像機(jī)帶來(lái)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(shù)含量。

　　非球面鏡片技術(shù)是百萬(wàn)高清鏡頭一項(xiàng)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(tǒng)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(xiàn)象，極大地影響攝像機(jī)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(jī)鏡頭的光學(xué)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)化，這樣在光學(xué)通路和機(jī)械結(jié)構(gòu)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(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，就能讓更多的光線投射到CCD或CMOS的感光面上，也即增加了攝像機(jī)的靈敏度。并且，因?yàn)橐黄乔蛎骁R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(guò)的鏡片少，因而使透光率大大增強(qiáng)，圖像畫面也變得細(xì)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(duì)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(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(shè)計(jì)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(xì)膩，通常用于廣角和超廣角鏡頭中，適合廣場(chǎng)、停車場(chǎng)等大范圍監(jiān)控場(chǎng)所。

　　百萬(wàn)像素鏡頭技術(shù)中“透光率”的大小直接影響著鏡頭的清晰度高低，是高清畫質(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(jiān)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。

　　隨著加工技術(shù)的進(jìn)步和使用范圍的不斷擴(kuò)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(xiàn)防光線反射，促進(jìn)光線增透，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(dá)局面。

　　最近多組透鏡構(gòu)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(dá)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(píng)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)廠家的技術(shù)會(huì)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(fù)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(jī)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(yīng)用上應(yīng)注意以下幾大問(wèn)題。

　　采用ED鏡片是關(guān)鍵

　　常用的安防監(jiān)控市場(chǎng)，更多地采用的是定焦或者手動(dòng)變焦的鏡頭，因?yàn)楸O(jiān)控距離較近，一般采用的鏡頭焦距在50mm以內(nèi)。這種場(chǎng)景對(duì)鏡頭的防色散性能幾乎沒有要求。但一旦采用了電動(dòng)變焦鏡頭來(lái)對(duì)較遠(yuǎn)目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控，色散問(wèn)題就凸顯出來(lái)(色散是可見光中的各種波長(zhǎng)的光經(jīng)過(guò)鏡頭折射后會(huì)出現(xiàn)焦點(diǎn)偏移，表現(xiàn)在圖像上就是物體邊緣有藍(lán)色或者紅色的色條)。原來(lái)在模擬監(jiān)控系統(tǒng)，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(xiàn)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(duì)鏡頭有了更高的要求。配合的攝像機(jī)清晰度越高，鏡片材質(zhì)對(duì)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(zhǎng)焦距遠(yuǎn)距離監(jiān)控時(shí)，可以為攝像機(jī)提供更加清晰的畫面效果。

　　選擇大口徑設(shè)計(jì)鏡頭

　　采用ED鏡片的鏡頭并不能完全解決遠(yuǎn)距離監(jiān)控問(wèn)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(chǎng)的自由選擇，大多采用的是1080P的輸出格式。在遠(yuǎn)距離監(jiān)控領(lǐng)域，用戶希望用高清監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)提高畫面的像素，進(jìn)而更加清晰地觀看遠(yuǎn)距離目標(biāo)，而現(xiàn)實(shí)結(jié)果卻差強(qiáng)人意，其中因由也不難揣測(cè)。我們現(xiàn)在采用的高清攝像機(jī)大多采用的是CMOS芯片，照度性能只能達(dá)到0.5Lux。而長(zhǎng)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(zhǎng)，光通量越小。當(dāng)焦距拉長(zhǎng)到最大值時(shí)，光通量減到最弱。雖然是白天，但對(duì)于攝像機(jī)來(lái)說(shuō)，相當(dāng)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(jī)就會(huì)因?yàn)檎斩炔粔虺霈F(xiàn)畫面質(zhì)量衰減。解決這種問(wèn)題可以從兩方面入手。

　　1、采用針對(duì)遠(yuǎn)距離監(jiān)控設(shè)計(jì)的高清攝像機(jī)，例如高清SDI攝像機(jī)，這種攝像機(jī)除了最低照度做到0.3Lux的同時(shí)，還針對(duì)遠(yuǎn)距離監(jiān)控領(lǐng)域加入了針對(duì)色彩還原和低照度圖像增強(qiáng)技術(shù)，使得在光通量下降時(shí)也能得到清晰的畫面。

　　2、提高焦距拉長(zhǎng)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(zhǎng)焦距時(shí)光通量性能較好的產(chǎn)品。根據(jù)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，得到的畫面效果越好。

　　IR功能不能被忽視

　　用戶關(guān)注高清系統(tǒng)，不只是關(guān)注白天能否得到清晰的畫面，夜晚的監(jiān)控性能也是關(guān)注的要點(diǎn)。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(rèn)可。尤其是電動(dòng)變焦系統(tǒng)，IR功能至關(guān)重要。對(duì)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(duì)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(shù)細(xì)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(shí)隨著需求的旺盛，將反過(guò)來(lái)推動(dòng)產(chǎn)品的不斷升級(jí)和發(fā)展。

　　隨著視頻監(jiān)控領(lǐng)域高清化趨勢(shì)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(luò)攝像機(jī)更是款型豐富，外圍配套設(shè)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(yīng)用能力，使視頻圖像分辨率大幅提升，并具有高度的易擴(kuò)展性和集中管理等優(yōu)勢(shì)，成為目前高清視頻監(jiān)控應(yīng)用方案的主流。

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

　　為了使百萬(wàn)像素?cái)z像機(jī)能夠得到最好的表現(xiàn)，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(jī)的“眼球”，百萬(wàn)像素鏡頭可以為整個(gè)圖像提供高對(duì)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(xiàn)百萬(wàn)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(biāo)包括分辨率和反差。分辨率是指鏡頭再現(xiàn)被攝景物細(xì)節(jié)的能力，分辨率越高，畫面越清晰細(xì)膩;反差是指再現(xiàn)被攝景物的反差細(xì)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(zhì)感強(qiáng)烈、影調(diào)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(diào)平淡，給人感覺反而不清晰，這也是導(dǎo)致國(guó)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(dá)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(jī)鏡頭還具有以下發(fā)展趨勢(shì)。

　　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(zhì)的表現(xiàn)。小型化是指鏡頭結(jié)構(gòu)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(guó)外的百萬(wàn)像素監(jiān)控鏡頭，其非球面技術(shù)的應(yīng)用成熟，往往同一款鏡頭，其焦距足、口徑大、結(jié)構(gòu)小，清晰度高。國(guó)內(nèi)各大鏡頭廠家大多在慢慢探索，爭(zhēng)取早日成熟地應(yīng)用于百萬(wàn)像素監(jiān)控鏡頭新產(chǎn)品的開發(fā)上，與國(guó)外廠家一爭(zhēng)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，這類產(chǎn)品相對(duì)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(bǔ)光，而很多國(guó)家不允許使用閃光燈，國(guó)內(nèi)也開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，用戶對(duì)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(shù))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(jī)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(nèi)壁和隔圈的消光處理完美消除。鬼像是指光線在鏡頭內(nèi)部鏡片之間多次反射在畫面的二次成像，鬼像與強(qiáng)光物體輪廓類似，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(xiàn)優(yōu)越的高清百萬(wàn)監(jiān)控鏡頭，其在噪聲光的消除上應(yīng)該要有優(yōu)良的表現(xiàn)才能在強(qiáng)光環(huán)境下表現(xiàn)優(yōu)質(zhì)，匹配其百萬(wàn)高清監(jiān)控鏡頭的美稱。

　　如今，高清化趨勢(shì)已成為監(jiān)控行業(yè)的發(fā)展共識(shí)。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(xiàn)出高速的市場(chǎng)增長(zhǎng)，隨著技術(shù)和市場(chǎng)的發(fā)展，對(duì)鏡頭也將提出更高的要求。市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)逼使企業(yè)創(chuàng)新意識(shí)增強(qiáng)，國(guó)內(nèi)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(wěn)定性有突破性提高。