焦距

焦距，也稱為焦長，是光學(xué)系統(tǒng)中衡量光的聚集或發(fā)散的度量方式，指從透鏡中心到光聚集之焦點(diǎn)的距離。

在安防攝像機(jī)中，即是從鏡片光學(xué)中心到CMOS sensor成像平面的距離。

安防攝像機(jī)使用的鏡頭是凸透鏡，因此焦距是正值，一束光線經(jīng)過凸透鏡后將會聚焦在CMOS sensor一個點(diǎn)上。

視角

在攝影學(xué)中，視角(angle of view)是在一般環(huán)境中，攝像機(jī)可以接收圖像的角度范圍，也可以常被稱為視野。

視角描述的是攝像機(jī)鏡頭所可以拍攝的圖像角度，一般來說鏡頭的成像圈都夠大到足以完全覆蓋感光元件sensor（不能覆蓋的情況下面會講）。

因?yàn)閷?shí)際拍攝的目標(biāo)是三維的，所以攝像機(jī)的視角可以分別表述為垂直視角，水平視角和對角線視角。

視角

視角計(jì)算公式

視角計(jì)算

其中，θ是視角，L是圖像傳感器尺寸，f是焦距。圖像傳感器有邊長，寬長，對角線長，對應(yīng)的計(jì)算出來的視角就是水平視角，垂直視角和對角線視角。

從以上公式可以看出，一個給定方案（即sensor尺寸確定）的攝像機(jī)可視角度只與鏡頭的焦距有關(guān)。很多時候我們認(rèn)為和攝像機(jī)分辨率有關(guān)，其實(shí)一點(diǎn)關(guān)系都沒有。

根據(jù)以上公式，我們來計(jì)算一個1/3'，2.8mm鏡頭的攝像機(jī)的可視距離。

1/3'sensor對應(yīng)的—靶面尺寸為寬4.8mm*高3.6mm，對角線6mm。代入公式，計(jì)算可得：

?？礫1]（HIK Design tool[2]），安訊士[3]，三星[4]等廠商都有提供鏡頭視角的計(jì)算工具，可以使用參考。

實(shí)際安防項(xiàng)目中，除了考慮鏡頭的可視角度，另外一個可視距離更重要。針對不同的監(jiān)控目的，比如看清楚人臉，看清楚車牌，識別男女性別等，我們?nèi)绾芜x擇攝像機(jī)，如何從像素密度選擇合適的攝像機(jī)，可以參考這篇文章：從像素密度考慮攝像機(jī)選型[5]。

根據(jù)公式，我們可以算出不同焦距攝像機(jī)的可視角度。

不同焦距鏡頭的視角（水平視角）(°)

（注意：數(shù)據(jù)僅供參考，鏡頭尺寸和攝像機(jī)sensor尺寸一致的理想情況。實(shí)際中，攝像機(jī)可能達(dá)不到理想狀況，例如鏡頭的靶面比sensor靶面大。）

從以上計(jì)算我們可以看出，靶面越大，視角越大。焦距越小，視角越大。

靶面

鏡頭靶面和sensor的靶面概念一樣，即是上文提到的鏡頭成像圈的大小。sensor的尺寸一般用其對角線的長度表示，鏡頭的靶面一般指其直徑。和sensor一樣，鏡頭靶面也用英寸表述。常見的如1/2'，1/2.5'，1/2.7'，1/3'等等。
假如鏡頭的靶面范圍無法涵蓋整個sensor，則成像圈會被看見，實(shí)際成像的圖像四周會伴隨嚴(yán)重的邊緣暗角，在這個狀態(tài)下，視角會被成像范圍所限制。（如下圖左邊的情況）

另一方面，如果鏡頭靶面比sensor的靶面小很多，那sensor的成像能力會被浪費(fèi)很多。（如下圖右邊的情況）
所以最好的情況即鏡頭靶面和sensor靶面完全一致，一般我們默認(rèn)在這種情況下討論攝像機(jī)成像效果。（下圖中間的情況）

光圈

光圈（Aperture），用來控制鏡頭孔徑大小的部件。通過這個孔徑可以控制鏡頭景深、同時和快門協(xié)同能控制進(jìn)光量（即曝光）。對于已經(jīng)制造好的鏡頭，不能隨意改變鏡頭的直徑，但是可以通過在鏡頭內(nèi)部加入多邊形或者圓型，并且面積可變的孔狀光柵來達(dá)到控制鏡頭通光量，這個裝置就叫做光圈。

在光學(xué)中，光圈也被叫做焦比（f-number，或稱f值、f比例、相對孔徑、光圈值、光圈系數(shù)等，習(xí)慣上簡稱“光圈”）表達(dá)鏡頭的焦距和光圈直徑大小的關(guān)系。簡單來說，焦比等于焦距數(shù)除以孔徑數(shù)。

?值公式：D = ?/N

上式中，?是焦距，N是實(shí)際孔徑的數(shù)字表示，D是光圈值。

慣例上，“?/#”視為一個整體用來描述光圈值，書寫時數(shù)值替代符號中的#。舉個例子，若焦距值是光圈直徑的1倍，那么?值是 ?/1.0，或N=1。

從公式中我們可以看出透過鏡頭到達(dá)感光元件sensor的光的照度和光圈孔徑的平方成正比，和光圈數(shù)的平方成反比。

f值越小，光圈就越大，進(jìn)光量也越大，同時景深越淺（景深參考下文）。

標(biāo)準(zhǔn)全級光圈值尺度

全級光圈值中相鄰兩個光圈數(shù)的平方比為1:2，因此，相鄰兩個光圈值的鏡頭照度相差一倍。

除了光圈大小，還可以通過控制鏡頭的曝光時間來控制進(jìn)光量的多少，同時加上一些自動增益的方法（即曝光控制），在特殊場景下，比如明暗對比強(qiáng)烈，能獲取清晰的圖像效果。比如BLC，WDR，曝光區(qū)域。關(guān)于曝光控制，WDR寬動態(tài)等以后會有文章專門介紹。

景深

在焦點(diǎn)前后各有一個容許彌散圓，這兩個彌散圓之間的距離就叫景深，即：在被攝主體(對焦點(diǎn))前后，其影像仍然有一段清晰范圍的，這段清晰的范圍就是景深。換言之，被攝體的前后縱深，呈現(xiàn)在畫面的影象模糊程度，都在容許彌散圓的限定范圍內(nèi)。

一般的，

1. 光圈越大，景深越小；光圈越小，景深越大；

2. 鏡頭焦距越長，景深越?。唤咕嘣蕉?，景深越大；

3. 距離越遠(yuǎn)，景深越大；距離越近，景深越小。

鏡頭的評價

鏡頭評價函數(shù)不是線性的，常用的鏡頭評價優(yōu)化方法有約束最小二乘算法以及全面優(yōu)化方法。評價的內(nèi)容包括色彩，視場平衡，畸變等。

評價鏡頭性能的其他參數(shù)還有：

? MTF，Modulation Transfer Function（調(diào)制傳遞函數(shù)）是分析鏡頭的解像能力效果的比較科學(xué)的方法。MTF雖然是一種標(biāo)準(zhǔn)，但有些影像效果非標(biāo)準(zhǔn)化能夠衡量出來的，所以MTF只是個參考值而非全部。

? 透射率（透光率）。透光率是一個物理詞匯，是表示光線透過介質(zhì)的能力，是透過鏡片的光通量與其入射光通量的百分率。
鏡頭鏡片并非百分百透光，會有反射，散射，折射，衍射。一般的，給鏡頭鏡片鍍膜，能減少這些因素，增加鏡頭的透光性，目前最好的鏡頭能達(dá)到99.9%的透光率。

? 解像力（鏡頭分辨率）。鏡頭的解像力是對黑白條紋密度的分辨能力，鏡頭能分辨的最高密度值為該鏡頭的極限分辨率，用線對/毫米（lp/mm）為單位。一般的鏡頭邊緣解像力等于中心解像力的60%。鏡頭的解像力最好和sensor的解像力匹配。

? 色差，像差，衍射。 比如佳能研發(fā)的微米級衍射光柵層疊結(jié)構(gòu)，逆向思維利用通常會降低畫質(zhì)的衍射現(xiàn)象控制光路。1片DO鏡片就能達(dá)到螢石鏡片和非球面鏡片的補(bǔ)償效果。采用DO鏡片可補(bǔ)償色像差，實(shí)現(xiàn)高畫質(zhì)及鏡頭的小型化。