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達到360度 環場(panorama) 的理想百萬畫素魚眼鏡頭的選擇

,
達到360度環場的理想鏡頭如何選擇?
有人覺得這個玩意可以取代Speed dome.
那我將題目在訂小一點,
如果真的要取代speed dome的魚眼鏡頭要如何選擇?




當然一定要有百萬像素等級......(廢話 ).
除了百萬像素等級之外呢?
選擇百萬畫素魚眼鏡頭需要注意哪些參數呢?


在回答這個問題之前,先瞭解一下,首先需要瞭解鏡頭參數的意義
以下這張表格是我隨便在網路上亂抓的,如果有雷同純屬巧合
NOTE VGA Lens Mega Lens Mega+Vari focus Ircorrection+Vari focus
MOUNT M12, 0.5P M12 Φ14 type (+0.0~-0.03mm) Φ14 type (+0.0~-0.03mm)
光圈 2.0 1.5 1.2~2.9 1.2
sensor size 1/3 1/3 1/3 1/3&1/4
Resolution Center >125 LP/mm
0.7Full field 63 LP/mm
Mega pixel Center : 160 lp/mm
0.7 Field : 100 lp/mm
Center : 125 lp/mm
0.7 Field : 63 lp/mm
TV Distortion <17% <3% <13% <13%
Focal Length 2.5mm 4mm 2.7~9 2.8~10
DC IRIS NO NO Yes YES
IR Cut filter NO NO YES/NO YES/NO
IR correction NO YES NO YES
FOV D: 154°
H: 116°
V: 84°
D:80.4 °
H:65.4°
V:49.9°
1/3”D: 127.5° (W)~38°(T)
H: 101° (W)~30.4°(T)
V: 75° (W)~23°(T)
1/4”D: 97.5° (W)
H: 78.5° (W)
V:56.5° (W)
1/3 D:125.2(w)~36.9(T)
H:99.2(w)~29.5(T)
V:73.7(w)~22.2(T)
1/4 D:92.8(w)~27.7(T)
H:73.7(W)~22.2(T)
V:54.9(w)~16.6(T)
TTL 15.6mm 24mm 48.5mm 48.5mm




這裡有幾個選擇鏡頭的參數:
光圈、Sensor size、resolution 、tv distortion, focal lengh ,FOV, IR cut filter, IR correction , DC iris

光圈(IRIS): 
光圈值越大越好,但是越大的話會造成淺景深及解析度降低,若能選擇P-IRIS最好.

關係到光線的進光量,通常這個參數的數值越低代表進光亮越多,
比如 F/2.0 進光亮 就沒有F/1.2 多...
  這個參數 通常會跟解析度有反向關係.
意思是說,假如成本不變的情況下,光圈進光亮越大,通常他的解析度越少,

另外,
光圈越大,景深越淺 (能夠做到背景很矇)
光圈越小,景深越深(能夠做到背景很清楚)

這樣子又跟監控違背了...
監控市場希望大光圈可以讓低照度情況下,依然可以監控到..

但是大光圈又會造成景深越淺, 代表背景模糊.....

後來就發展P-IRIS,
可以享受大光圈的好處 又可以讓景深拉大 (不會背景模糊)....

但目前主流的光圈控制仍然是 DC IRIS


DC IRIS:
直流電控制光圈的大小
通常在非常亮的環境下,雖然sensor本身有電子快門,但是仍可以先透過鏡頭的光圈控制進光亮
通常,高階攝影機都會搭配可以控制的IRIS



Sensor size:
其他條件不變下,sensor size 越大視角越大,接受低照的能力也越強
這裡的sensor size,表示符合怎樣的大小的sensor 所採用的鏡頭
在安全監控中,大多採用 1/4 inch  及1/3 inch sensor,

所以,鏡頭會做成給1/4 inch 用的  或是 1/3 inch sensor 所採用的鏡頭.

通常1/3 inch 的視角會比1/4 inch 的視角來的大...

理論上,sensor size要和lens sensor size 一樣大 才能匹配.

但如果兩者大小不同會產生如何的現象呢?

下面幾張圖是假設,同一個鏡頭配上不同size的sensor, 所產生的影像結果.



↑  影像sensor的size 遠大於lens sensor size,會看到 周遭都是黑邊,浪費了成像的有效解析度,水平和對角視角看到最大.




    ↑影像的size 比較接近lens sensor size
    

↑影像的size 小於lens sensor size, 此時周圍沒有黑邊,但是會犧牲掉水平和對角視角
  senor 沒有黑邊,因此沒有浪費解析度

Resolution(解析度):
表達方式大致有幾種,
1. xxx lp/mm
2. 用數位方式表達  比如 VGA, Mega pixel

其實兩者是有正向關係,有經驗法則關係式 ,,可參閱之前的舊文
 http://febon.blogspot.com/2008/02/blog-post.html

但不管如何,這個數字是約高,解析度越好.

TV distortion
除了中心解析度注意外,邊緣解析度需要注意是否色偏等問題
這各跟螢幕的扭曲程度有關.數字越高,代表越扭曲.
通常,視角越大的鏡頭會帶來高的扭曲程度.
有些鏡頭有用光學的修正方式,是可以減低扭曲程度,但可能伴隨的是物體的距離感變遠或是犧牲了視角.




MOUNT:
能夠選擇盡量選擇 C/CS mount


鏡頭和攝影機相連接的地方 有很多種格式
一般分成C MOUNT, CS MOUNT  還有用轉的board lens.

一般來說,會採用C MOUNT 或 CS MOUNT代表 user有權利決定鏡頭的權力
就好比玩單眼相機,玩家可以追求更完美的鏡頭

一般SI (系統整合)廠商 會賣 CS or C mount 的鏡頭. 不用什麼技術就可以自己DIY自己換鏡頭.


↑ Board Lens, 通常用在體積非常小的攝影機上,而且製造商不希望user自己更換鏡頭


↑ CS or C mount 鏡頭 ,通常製造商做出攝影機的機身,SI (系統整合) 廠商 會隨user喜好搭配自己喜歡的鏡頭

IR cut Filter
有些攝影機標榜 Day &Night  日夜兩用型,他是內鍵 可以由電路來控制的IR CUT filter.
由於可見光和紅外光的頻率不一樣,所以他們的焦距 (focus) 也不一樣


白天不需要紅外光,因為他會讓畫面變的不清楚;但晚上沒有光線,可以用紅外光補光,這時候就需要紅外光



另外還有一件很重要的事情,IR CUT Fliter 可以將"色偏"給消去

常看到一些沒有IR CUT coating的 攝影機,遇到霓虹燈(充滿了紅外光的混合光), 會發現明明是紅色的物體變成紫色.

因此,白天時候不需要紅外光, 晚上需要紅外光補光,因此有人做出可以switch 的IR CUT filter.


IR correction .
選擇具有 IR correction 的鏡頭,在使用日夜兩用時候,才會對焦清楚


現在比較高端的鏡頭,大多會採用一些特殊材質,可以讓紅外光的焦距和一般可見光的焦距落在同一點.

↑ 紅外光和可見光的焦距落在同一個點上

相較一般的鏡頭,紅外光和可見光的焦距不一樣會有一個 focal deviation.





↑傳統的鏡片材質,如果沒有IR Correction 的設計,其紅外光的焦距不會落在可見光的焦距上



IR CUT FILTER & IR correction 傻傻分不清楚
說真的,之前我真的傻傻分不清楚...

現在終於搞懂了 ...
IR cut filter 可以解決色偏的問題
IR correction 解決 紅外光可見光不同焦距的問題

我分討論四種情況
1. 有IR correction + 有 IR CUT Switch.
     表示此款攝影機可以接受紅外光的輔助,而且不會因為紅外光還是可見光需要調整焦距
     另外,為了白天影像更漂亮不會色偏, IR cut filter 在這裡晚上拿起來,白天放下攔住紅外光不要進來


2.有IR correction + 無 IR cut filter
    表示此款攝影機可以接受紅外光的輔助,而且不會因為紅外光還是可見光需要調整焦距
   但如果有霓虹燈 就會造成色偏

3. 無IR correction + 有IR CUT FILTER
   此款攝影機 在霓虹燈下,仍然不會色偏;晚上時候亦可以讓紅外光進來輔助攝影
   但可惜的是,晚上紅外光輔助攝影,影像焦距會模糊,  因為可見光和紅外光焦距不在同一點

    自動對焦攝影機就不需要IR correction
    因為雖然在紅外光的焦距跟可見光焦距不一樣,
    但他因為是自動對焦,在紅外光下面,就可以自動對到紅外光的焦距...

   所以可以仔細看 speed dome 等攝影機 都沒有強調 IR correction .

4.無IR correction + 無IR CUT FILTER
     遇到霓虹燈 會有色偏,而且使用紅外光時候,畫面焦距會有問題.




如果真的要取代speed dome的魚眼鏡頭要如何選擇?

扯這麼遠,就是要說明 "取代speed dome 的魚眼鏡頭要如何選擇"

speed dome 的構造 ,將鏡頭分解出來


↑最後分解出來的鏡頭 大致都一定有 zoom control, focus control, IR cut filter, IRIS control

360度 環場(panorama) 的理想百萬畫素魚眼鏡頭,要取代 speed dome
應該指的是  ZOOM ,Focus 和 快速球的馬達
   zoom, focus  => 用數位的 digital zoom
   快速球馬達  =>  用360 度環場 (panorama) 來取代馬達的轉動.


若真的要取代掉, 這顆360度環場(panorama) 百萬畫素魚眼鏡頭仍須要滿足既有鏡頭的原本特點

1. IR cut filter 或 IR correction

2. IRIS control.

3. 百萬畫素解析度

4. 大光圈  , 但可能會造成淺景深的問題.

5. Sensor size: 最好是 1/3 inch 或更大

6.. 符合至少 4:3 的原始影像
     4:3是基本款,如果要搞到HD 16:9 畫面,豈不是黑色邊匡浪費更多?


     ↑ 左邊,橢圓成像,黑色的邊匡不會浪費太多。 右邊一般的的圓形成像,黑色邊匡太浪費sensor 解析度.


市場上的確有這樣的鏡頭

滿足剛剛講的上述條件,市場上真的有這樣的鏡頭.
其規格如下:

從上面的規格和speed dome 的lens鏡頭比較,
1. IRIS control : DC IRIS, 這點跟speed dome 的lens 是一樣
2. IRIS: F/1.9~F/2.4
3.full FOV  : 可以取代 speed dome 的快速球部分
4. 數位放大及影像修正演算法 : 可以取代speed dome 的zoom.
5. Sensor size: 比speed dome的lens 好。speed dome大部分採用1/4 inch.
6.MTF:   和speed dome差不多
7. Lens Mount: 可以自由拿起來更換. speed dome 則無法.
8. IR CUT filter or IR correction: 和speed dome 一樣有.

總結:
如果只是拿下列兩點,


   zoom, focus  => 用數位的 digital zoom
   快速球馬達  =>  用360 度環場 (panorama) 來取代馬達的轉動.

就說來取代speed dome.那也太小看speed dome了

難道 IRIS control , IRIS 光圈大小, MTF, IR CUT filter (IR correction) 不用考慮到嗎?

如果只有取代
  zoom, focus  及 快速球的馬達 頂多只是一個學術性產品或是概念性產品.

很多廠商對於目前的方案有興趣,大多只是宣示性的效果,
代表,如果研發出來,在這個是市場上可以證明研發能力強.  行銷及公司形象的公關方面居多.


當然,如果能夠找到鏡頭能滿足前述八點,或許我會對這種數位方式處理的攝影機抱持正面看法.

上次在安全監控會場上,聽說目前那顆鏡頭不便宜. 含軟體好像要US$1000....





1 意見:

崴皓 提到...

FEBON
你好 我是在CCTV的產業公司工作,我叫KEVIN.某天連結到你的網頁,非常佩服你的專業知識.希望能利用你的資料,做公司內部員工教學.我們公司是在做DSP,如果有機會,也希望能夠作一些資訊交流!我的MAIL是:kevin807219@gmail.com ,期望有機會能與您聯繫. 謝謝!
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