文/顧成剛

高清監(jiān)控鏡頭的實(shí)現(xiàn)源于光學(xué)技術(shù)的進(jìn)步

文/顧成剛

高清監(jiān)控鏡頭的界定

目前在安防監(jiān)控高清鏡頭內(nèi)，比較流行的說法為“百萬像素高清監(jiān)控鏡頭”。那么，具體的，什么是百萬像素鏡頭？百萬像素鏡頭與高清鏡頭之間能否直接以“=”相連呢？

首先來看行業(yè)對百萬像素的認(rèn)識。單從鏡頭來看，各個(gè)鏡頭品牌對百萬像素鏡頭的定義也是不同的，以300萬像素鏡頭為例，部分中高端品牌定義：從畫面的中心到畫面的四周，有70%的畫面面積能達(dá)到300萬像素，其他部分能達(dá)到100萬像素，這樣的鏡頭就叫300萬像素的鏡頭；也有的廠商定義為：65%的場高范圍能達(dá)到300萬像素，其他部分能到100萬像素就叫300萬像素的鏡頭；而大量的低端品牌認(rèn)為只要中心區(qū)域能到達(dá)300萬像素，就稱為300萬像素的鏡頭，而對邊緣的清晰度無任何界定。因此，總體來看，百萬像素鏡頭目前還沒有一個(gè)統(tǒng)一認(rèn)識。

此外，目前市面上的百萬像素監(jiān)控鏡頭包含了100萬像素、130萬像素、200萬像素、300萬像素、500萬像素、800萬像素乃至1000萬像素的產(chǎn)品。那么，超過百萬像素的監(jiān)控鏡頭設(shè)備是否均可以籠統(tǒng)地劃為“高清”范疇呢？

“高清”的標(biāo)準(zhǔn)一直是行業(yè)內(nèi)爭論的話題。作為一個(gè)完整的監(jiān)控系統(tǒng)，高清是無法通過某一環(huán)節(jié)的技術(shù)突破來實(shí)現(xiàn)的，它應(yīng)該是一個(gè)完整的技術(shù)概念，包括前端的拍攝，中間的傳輸與存儲以及后續(xù)的制作、顯示與發(fā)行的完整流程。而最直觀的高清效果則通過最終的顯示體現(xiàn)出來。目前比較成熟的是針對“高清顯示”系統(tǒng)的定義。根據(jù)美國先進(jìn)電視系統(tǒng)委員會（簡稱ATSC）對高清顯示設(shè)備定義為以下三種：720P（1280×720逐行掃描）簡稱“標(biāo)清”，1080I（1920×1080 隔行掃描），1080P（1920×1080 逐行掃描）簡稱“高清”。從分辨率上來看，720P的物理像素約為100萬像素，1080P對應(yīng)的是約200萬像素。因此，按照這一標(biāo)準(zhǔn)，通常我們所說的100萬或130萬像素對應(yīng)的監(jiān)控鏡頭嚴(yán)格來講僅僅屬于標(biāo)清鏡頭范疇，而只有高于200萬像素的監(jiān)控鏡頭才真正邁入“高清鏡頭”門檻。

光學(xué)技術(shù)的發(fā)展與材料、工藝的創(chuàng)新

同其它行業(yè)一樣，高清監(jiān)控鏡頭技術(shù)的實(shí)現(xiàn)源于光學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，源于對高清監(jiān)控鏡頭產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)方式、生產(chǎn)設(shè)備的更新以及新型材料的采用。

光學(xué)設(shè)計(jì)。鏡頭的設(shè)計(jì)效果決定了鏡頭的分辨率的高低和使用效果，所以在百萬像素鏡頭開發(fā)前，進(jìn)行周密的光學(xué)設(shè)計(jì)非常重要，為滿足產(chǎn)品的高分辨率，在光學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)會考慮選擇加工難度較低、易于保證加工精度的玻璃材質(zhì)，以盡可能地降低鏡片加工誤差對成像質(zhì)量的影響。在光圈設(shè)計(jì)上，要選擇更接近于圓形的光圈，因?yàn)楣馊υ浇咏趫A，成像效果越佳。在模擬鏡頭中，一般都是2片光圈組成的四邊形，而高清鏡頭常常可以見到六邊形的光圈，在工業(yè)級鏡頭上一般都是8片葉片組成的8邊形或更好的10邊形。

鍍膜工藝。在低端監(jiān)控鏡頭的應(yīng)用過程中經(jīng)常會遇到兩種現(xiàn)象：鏡頭實(shí)際的通光量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鏡頭所標(biāo)注的技術(shù)參數(shù)，并且很容易產(chǎn)生“鬼影”“眩光”等不良光學(xué)現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了監(jiān)控效果。這主要是由于鏡片的鍍膜工藝較差引起的。鏡片的鍍膜工藝和鍍膜層數(shù)決定著鏡頭的透光率，而透光率是鏡頭最重要的光學(xué)指標(biāo)之一。高超的鍍膜工藝可以增加光線透過率，降低反射，減少光線損失，有效降低不良光學(xué)現(xiàn)象。通常，在中高端品牌百萬像素監(jiān)控鏡頭中，一般都采用全光譜復(fù)合多層鍍膜技術(shù)；低端鏡頭往往只有藍(lán)色膜，稍好些的鏡頭加了紅膜、黃膜等，而只有各色齊全尤其鍍了綠膜的才是全光譜鍍膜鏡頭。我們可以通過以下方式判斷一個(gè)鏡頭的鍍膜水平：將鏡頭的前端對著自己的臉，在相同光照條件下，若能看清自己的臉部，則說明鏡頭反射能力較強(qiáng)，鏡頭鍍膜水平較差；反之，若不能看清臉部，則說明光線的通透性很好，只有很少的反光，鍍膜的效果比較好。

非球面技術(shù)。非球面技術(shù)是影響鏡頭清晰度另一個(gè)因素，尤其是影響邊緣部分清晰度的重要因素。非球面鏡片的使用可以有效降低球面相差對監(jiān)控效果的不利影響，有效提升鏡頭邊緣部分的解像力。然而，非球面鏡片的生產(chǎn)對技術(shù)能力要求極高，世界范圍內(nèi)只有很少數(shù)的光學(xué)生產(chǎn)廠商具備這一技術(shù)及生產(chǎn)能力。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，迫于較高的生產(chǎn)成本和技術(shù)所限，非球面鏡片并非所有廠家都用,尤其低端價(jià)廉的鏡頭中的不使用并，這可以通過其邊緣部分的成像效果看出來。而高清鏡頭要達(dá)到使用要求不可離開非球面的設(shè)計(jì)。這是未來眾多低端廠家和大品牌的技術(shù)分水嶺。

其它技術(shù)。浮點(diǎn)式光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和采用ED（低折射率高色散系數(shù)）鏡片校正色差等都在高清鏡頭上得到大量使用，同時(shí)由于攝像機(jī)成像介質(zhì)的變化也對鏡頭的設(shè)計(jì)帶來影響，眾所周知模擬時(shí)代，很少使用CMOS作為成像介質(zhì)，但由于CMOS技術(shù)的成熟，在百萬和高清攝像機(jī)中得到大量使用，而CMOS的OLPF(低通濾光片)和保護(hù)玻璃的厚度和CCD截然不同，鏡頭的設(shè)計(jì)卻沿用了對應(yīng)于CCD的OLPF和保護(hù)玻璃的設(shè)計(jì)，對應(yīng)于CCD的設(shè)計(jì)在CMOS攝像機(jī)上使用效果會有明顯的差異，因此常常會出現(xiàn)一款知名度很高的品牌的高清鏡頭用在CMOS的攝像機(jī)上沒有很好的光學(xué)表現(xiàn)的情況，如鳳凰的新品百萬鏡頭PVT29D14IR-M和PVT26D14IR-M既采用了對應(yīng)于CMOS的OLPF和保護(hù)玻璃的設(shè)計(jì)，使其在CMOS攝像機(jī)上有更好的表現(xiàn)。

結(jié)構(gòu)部件精度?；貞浽缙阽R頭普遍使用的是單個(gè)加工的金屬部件，原因是量不大，或無法支付昂貴的模具費(fèi)用，但每個(gè)零件單獨(dú)加工，往往在個(gè)體之間存在誤差，因此鏡頭品質(zhì)的一致性較差，在模擬時(shí)代，這些問題并不嚴(yán)重影響使用效果，但進(jìn)入高清時(shí)代，細(xì)微的問題都得到明顯的放大，因此，成規(guī)模的大廠一般都采用大投資大制作，使用模具壓出的工程塑料部件，作為鏡筒鏡身，保持了鏡頭良好的一致性，所以現(xiàn)在百萬或高清鏡頭（除機(jī)器視覺使用的工業(yè)鏡頭以外），基本都是工程塑料制作的部件。但在要求高清晰度低誤差的場合使用的高像素工業(yè)級鏡頭又通常使用金屬部件，但這里用的金屬部件和低端鏡頭的金屬部件已經(jīng)完全不是相同概念，高像素工業(yè)鏡頭的金屬加工往往精度非常高，誤差極小，材質(zhì)也很好，所以才能滿足高像素、高精度的要求，因此在工業(yè)鏡頭上往往見到采用金屬部件。這就像辯證唯物法的螺旋式上升波浪式前進(jìn)的道理。

生產(chǎn)控制與新材料的應(yīng)用。在生產(chǎn)環(huán)節(jié)，無塵車間裝配是最基本要求，正規(guī)工廠生產(chǎn)的鏡頭通常在1000級或更高要求的環(huán)境下進(jìn)行生產(chǎn)，而眾多家庭作坊無法大量投資建立無塵車間，生產(chǎn)環(huán)境也限制了眾多作坊式小廠進(jìn)入高清領(lǐng)域。裝配技術(shù)及過程控制是確保鏡頭質(zhì)量性能穩(wěn)定的重要因素，例如為保證更好的產(chǎn)品一致性，鳳凰光學(xué)發(fā)明了專利技術(shù)——裝配的結(jié)構(gòu)調(diào)芯技術(shù)，以保證同型號的鏡頭的更好的一致性；此外，高清鏡頭的光學(xué)性能的穩(wěn)定性也對部件材質(zhì)提出了更高的要求。以潤滑油為例，鳳凰的高清鏡頭采用的是溫度范圍在零下40度～80度的潤滑油，以保證低溫不凝固，高溫不漏油，同時(shí)有良好的手感。

生產(chǎn)設(shè)備。生產(chǎn)設(shè)備作為硬件對最終產(chǎn)品的影響是巨大的，家庭作坊的設(shè)備無法做出技術(shù)性能及質(zhì)量穩(wěn)定的好鏡頭。所有生產(chǎn)高清鏡頭從制作磨制鏡片的“皿”到磨制設(shè)備、芯取設(shè)備、鍍膜設(shè)備、非球面鏡片生產(chǎn)設(shè)備、模具生產(chǎn)設(shè)備都決定了產(chǎn)品的最終品質(zhì)，只有所有這些設(shè)備都裝備精良才會有生產(chǎn)出好的產(chǎn)品，所以鏡頭高清化一定會帶來CCTV鏡頭市場的大洗牌，最后在高清鏡頭市場生存下來的都是擁有實(shí)力的知名品牌的大廠。

技術(shù)成長方向。全畫面解像力的大幅度提升：除了中心部分的解像力，畫面邊緣部分的清晰度來源于非球面鏡片的良好應(yīng)用；未來的設(shè)計(jì)將使畸變更??；光圈指標(biāo)逐漸提升：保證鏡頭解像力的同時(shí)逐漸增加鏡頭通光量；照顧到景深，考慮使用便利的設(shè)計(jì)，良好的手感、外觀標(biāo)示刻度更完善；成像靶面更寬泛；紅外、透霧等功能的配備：逐步實(shí)現(xiàn)不同環(huán)境下的全天候監(jiān)控需求。

小結(jié)

綜上所述，從技術(shù)上來看，國內(nèi)監(jiān)控鏡頭領(lǐng)域已經(jīng)由模擬、標(biāo)清向高清階段過渡，鏡頭的重要性將得到提升。當(dāng)然，監(jiān)控系統(tǒng)不僅僅是前端的鏡頭與攝像機(jī)，還包含了后端的NVR、顯示屏以及監(jiān)控平臺等。整個(gè)系統(tǒng)能力的發(fā)揮遵循著木桶原理：單個(gè)環(huán)節(jié)技術(shù)的進(jìn)步并不能保證整個(gè)系統(tǒng)性能的等比提升。因此，高清對監(jiān)控系統(tǒng)的其他環(huán)節(jié)同樣提出了更高的要求：高清的攝像機(jī)、更大的存儲、更快的傳輸系統(tǒng)以及分辨率更高的顯示系統(tǒng)。而目由于某些環(huán)節(jié)的技術(shù)水準(zhǔn)未達(dá)到，更好的監(jiān)控、顯示及存儲性能意味著更高額的成本，高清普及的時(shí)代還未到來。未來在一個(gè)階段內(nèi)，仍將呈現(xiàn)模擬、標(biāo)清與高清并存的狀態(tài)，但隨著電子產(chǎn)品的價(jià)格下降趨勢，光學(xué)產(chǎn)品的性能提升，鏡頭的成本在整個(gè)系統(tǒng)中的占比會越來越高，無論是甲方還是工程商對鏡頭會越來越重視。

作者單位：鳳凰光學(xué)（上海）有限公司