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關(guān)于鏡頭看多遠(yuǎn)與看多清的分析與討論
更新時(shí)間:2015-2-5 9:34:03 編輯:溫情 文章來(lái)源:中國(guó)視聽(tīng)網(wǎng) 調(diào)整文字大小:【
[導(dǎo)讀] 自2012年監(jiān)控行業(yè)有了高清原年的說(shuō)法以來(lái),整個(gè)安防行業(yè)就像打了一注強(qiáng)心劑,一時(shí)間整個(gè)行業(yè)就活躍了起來(lái),隨之而來(lái)的就是說(shuō)不完的高清話題,130萬(wàn),200萬(wàn),300萬(wàn),500萬(wàn),800萬(wàn)的說(shuō)法也層出不窮。鏡頭與攝像機(jī)的匹配問(wèn)題(包含清晰度匹配與成像尺寸的匹配)也越來(lái)越多,同時(shí)實(shí)際應(yīng)用中,我們也常碰到這樣的問(wèn)題,“你的鏡頭究竟能看多遠(yuǎn)?怎樣才算看清?”

碰到這類問(wèn)題,我們常常都不太好回答。首先是鏡頭看多遠(yuǎn)的問(wèn)題,因看多遠(yuǎn)的問(wèn)題,與目標(biāo)物的大小及用戶最終能接受的顯示圖像的大小有關(guān),所以一般情況下也只能模糊的回答。其次鏡頭究竟能看多清,我們也不好直接回答,一般也是主觀上認(rèn)為這樣可以了,但沒(méi)具體的數(shù)據(jù)來(lái)表達(dá)。其實(shí),鏡頭看多遠(yuǎn)與看多清兩者是相互影響與制約的,同樣焦距情況下,看遠(yuǎn)了,圖像就變小了,相應(yīng)目標(biāo)從畫(huà)面上感覺(jué)就沒(méi)那么清晰了,盡管此時(shí)從圖像上看是聚焦清楚的。距離近了,圖像就變大了,隨之感覺(jué)分辨目標(biāo)細(xì)節(jié)的能力也提升了,所以也感覺(jué)更清晰了。對(duì)鏡頭看多遠(yuǎn)與多清的問(wèn)題,我們?cè)诰唧w應(yīng)用環(huán)境中需客觀去對(duì)待,并與我們下面的討論相對(duì)應(yīng),以達(dá)到我們實(shí)際的應(yīng)用要求就可以了。當(dāng)然,鏡頭看多清的問(wèn)題還有兩個(gè)制約因素,就是攝像機(jī)的分辨率與鏡頭的分辨率要相匹配,若不匹配,也會(huì)影響到最終的成像效果。

針對(duì)上述問(wèn)題,我們進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)不管攝像系統(tǒng)看多遠(yuǎn)或看多清,最終都與目標(biāo)物在監(jiān)視器上顯示的像素有關(guān)。另外,測(cè)試結(jié)果也會(huì)受到以下幾個(gè)條件的影響,一是人的主觀判斷因素,二是環(huán)境因素(如天氣,白天,晚上,雨霧等),三是攝像機(jī)本身的因素(不同攝像機(jī)的畫(huà)質(zhì)的表現(xiàn)不一樣)。當(dāng)我們把像素大小獨(dú)立來(lái)研究時(shí),下面我們可以先來(lái)定義下我們對(duì)監(jiān)控目標(biāo)的幾個(gè)主要識(shí)辨的等級(jí)要求(也可稱之為目標(biāo)物的成像等級(jí)要求),以下測(cè)試活動(dòng)都是在白天光線條件相對(duì)良好的情況下拍攝,攝像機(jī)為1920*1080輸出。

一,對(duì)人的識(shí)辨分為以下4級(jí):

1,行為識(shí)辨:能看到人的活動(dòng)情況,如行走坐立,運(yùn)動(dòng)方向等,并簡(jiǎn)單識(shí)辨衣著顏色等信息,在一定像素范圍內(nèi),特征明顯的,可識(shí)辨性別信息。

1

據(jù)實(shí)際測(cè)試與抓拍,如上幾幅圖中,當(dāng)身高像素大于20像時(shí),可以識(shí)辨人的行為活動(dòng),如走路的方向,動(dòng)作。如圖1到圖6。特征明顯點(diǎn)的,還可簡(jiǎn)單分清男女。如圖5、圖6,能分清楚是女性,因圖5留了長(zhǎng)頭發(fā),圖6也是長(zhǎng)頭發(fā)與女性常著裝的短褲,但如圖6的穿著再中性化點(diǎn),就會(huì)變得特征不明顯,就很難分出是男是女了。另外在環(huán)境條改變時(shí),如晚上,雨霧天,所拍結(jié)果也會(huì)影響我們對(duì)性別方面的判別。另對(duì)行為狀態(tài)的判斷,一般來(lái)說(shuō)順著觀察方向,距離遠(yuǎn)時(shí)會(huì)不太明顯,而與觀察方向垂直時(shí),一般運(yùn)動(dòng)狀態(tài)更明顯。

2,體貌識(shí)辨:能分清性別,大概年齡段,高矮胖瘦等體貌特征

2

2.1

如上圖示,經(jīng)過(guò)我們測(cè)試觀察,當(dāng)目標(biāo)身高像素大概在60像素以上時(shí),就基本可做到體貌識(shí)辨里的性別識(shí),,如上圖6與圖14所示,如要判斷年紀(jì),個(gè)人感覺(jué)身高在75像素以上。如上圖9以后的畫(huà)面,就可識(shí)辨出上述是一年輕男性,體形適中。當(dāng)像素增大到140像素左右時(shí),如是正面拍攝,就接近下一個(gè)識(shí)辨要求——人物再現(xiàn)了。

3,人物再現(xiàn):圖像達(dá)到人眼識(shí)辨人物的要求,錄像重播時(shí),能通過(guò)人眼再次判斷是否是同一目標(biāo)人物。

3

如上圖示,圖21的畫(huà)面中,通過(guò)錄像的回放,與主體比較,我們已能基本識(shí)辨出是否是同一人了,也就是說(shuō),當(dāng)人的身高像素大約在150像素以上時(shí),通過(guò)錄像回放,就可達(dá)到人物再現(xiàn)要求。

4,智能識(shí)辨人物:能自動(dòng)識(shí)辨人物

經(jīng)查資料,一般在一個(gè)視野為6米寬度的圖像中,識(shí)別人臉的有效分別率:>32x32像素。高清攝像機(jī)人臉圖像的分辨率為:<1920*(16/600)=51像素,另通過(guò)谷哥Picasa圖像軟件進(jìn)行過(guò)實(shí)測(cè),用1920*1080的畫(huà)面抓取頭像,當(dāng)頭像分辨率大于36*44像素時(shí),此軟件可抓取頭像,但要人工確認(rèn)是否是同一人。抓圖如圖27,而當(dāng)分辨率大于51像素時(shí),如圖28、圖29,谷歌軟件可自動(dòng)識(shí)辨記錄在庫(kù)的人員。

4

二,對(duì)車的識(shí)辨分為以下4級(jí):

1,行為識(shí)辨:能看到車的運(yùn)動(dòng)情況,大小型車及簡(jiǎn)單顏色情況

如圖示:

5

如上圖示,經(jīng)過(guò)測(cè)試,當(dāng)車的像素大于20*16像素以上時(shí),可作行為識(shí)辨,此情況下可以通過(guò)錄像看到車的基本運(yùn)動(dòng)情況,如是否逆行,是否轉(zhuǎn)彎等狀態(tài)。

2,車型款式識(shí)辨:能分清車的類型及款式,并能基本識(shí)辨車的顏色信息,如下圖示:

6

上圖中,我們認(rèn)為當(dāng)小車的像素大于55*50像素時(shí),一般可認(rèn)出車的款式,顏色特征明顯的,可以識(shí)辨顏色,如圖5,應(yīng)該是一輛紅色大眾的出租車。但圖6車型可看出來(lái),顏色確認(rèn)有困難,顏色特征不明顯。另此處識(shí)辨跟天氣條件相關(guān)性也大,如是雨霧天。圖5,圖6,受天氣的影響會(huì)較大,而到了圖7,一般的天氣識(shí)辨則沒(méi)問(wèn)題。另此處跟攝像機(jī)的成像能力也有關(guān)系,成像效果好的識(shí)辨度會(huì)高,成像差的識(shí)辨度也會(huì)降低。

3,人眼識(shí)辨車牌:能人眼識(shí)辨車牌

以下是人眼車牌識(shí)辨測(cè)試清況:

7

如上圖示,我們發(fā)現(xiàn)一般當(dāng)車牌像素大約在50*14像素時(shí),就已處于人眼可識(shí)辨的臨界值,如上圖1可隱約認(rèn)出車牌為粵BF9527,而圖7則已無(wú)法認(rèn)出車牌,當(dāng)然,如此時(shí)圖7的數(shù)字全是1,則有可能認(rèn)出來(lái),一般情況下,圖8已可確認(rèn)為人眼識(shí)辨的監(jiān)界值了。所以,我們可認(rèn)為車牌像素在50*14像素以上時(shí),就可滿足人眼識(shí)辨要求了。

4,智能識(shí)辨車牌:能自動(dòng)識(shí)別車牌(車牌像素達(dá)業(yè)內(nèi)默認(rèn)的40*80像素左右或大于這個(gè)值時(shí))


8

9

跟一些做電警類的朋友了解過(guò),如要達(dá)到車牌智能識(shí)辨,一般車牌像素大概在80*40像素左右時(shí)或以上時(shí)。因車牌識(shí)辨包含了漢字、數(shù)字和字母的識(shí)辨,所以跟人眼識(shí)辨還是有區(qū)別的。對(duì)于車牌漢字,人眼可以看到一個(gè)輪廓就可大致判斷出是什么字,而智能識(shí)辨則要求字符特征明顯,特別是漢字部分,要求會(huì)高一些。經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè),一般車牌在80*40左右時(shí),車牌字符部分都較清楚。如圖8,車牌可正確識(shí)辨為“粵B7SX61”。如圖9,因車牌像素低了些,所以漢字部分識(shí)辨有問(wèn)題,但數(shù)字部分沒(méi)問(wèn)題。所以圖9只能算人眼識(shí)辨范圍。

上述基本討論了鏡頭怎樣算看清的問(wèn)題,下面來(lái)討論下鏡頭看多遠(yuǎn)的問(wèn)題:

據(jù)以上測(cè)試研究,在實(shí)際應(yīng)用中我們會(huì)把鏡頭的焦距與物距對(duì)應(yīng)起來(lái)。在計(jì)算中,會(huì)有幾個(gè)相關(guān)參數(shù):即鏡頭的焦距,目標(biāo)物的大小,距離與成像大小,而成像大小決定了成像的清晰情況。所以,當(dāng)圖像像素一定時(shí),總會(huì)有一個(gè)對(duì)應(yīng)的焦距與物距的組合,可以使畫(huà)面達(dá)到我們所需要的識(shí)辨要求。上述已簡(jiǎn)單描述出了目標(biāo)圖像的大小與可識(shí)辨的程度的對(duì)應(yīng)關(guān)系,當(dāng)焦距與物距已知時(shí),可算出成像大小,再算出對(duì)應(yīng)像素,看圖像像素會(huì)落在上述定義的哪一個(gè)區(qū)間,就可知道這個(gè)情況或環(huán)境下可達(dá)到什么樣等級(jí)的識(shí)辨要求或成像效果;當(dāng)目標(biāo)距離已知,達(dá)到的識(shí)辨等級(jí)(成像效果)也已確認(rèn),則可算出所需鏡頭的焦距;當(dāng)焦距已知,也可根據(jù)我們要求的成像像素大小(要求達(dá)到的識(shí)辨等級(jí)或成像要求),來(lái)算出看多遠(yuǎn)的問(wèn)題。

據(jù)光學(xué)成像近似計(jì)算方式,我們先定義如下參數(shù):

物體標(biāo)注:

D:物距(單位m),H:物高(單位m),W:物寬(單位m)

攝像機(jī)CCD或CMOS尺寸標(biāo)注:

h:CCD高(單位:mm),w:CCD寬(單位mm),如下圖:

10

成像尺寸標(biāo)注:

hp:成像高度(單位:mm)wp:成像寬度(單位:mm)

鏡頭標(biāo)注:

f:焦距(單位:mm)

像素標(biāo)注:

Pixh:對(duì)應(yīng)畫(huà)面高度的像素?cái)?shù)(單位:個(gè))Pixw:對(duì)應(yīng)畫(huà)面寬度的像素?cái)?shù)(單位:個(gè))

下面是光學(xué)成像示意圖:

11

以下是光學(xué)成像鏡頭焦距f的近似計(jì)算公式:

f=D*hp/H(以像高參考計(jì)算)f=D*wp/W(以像寬參考計(jì)算)計(jì)算后,前兩式中,當(dāng)像高h(yuǎn)p=h(CCD高),或像寬wp=w(CCD寬)時(shí),就相當(dāng)于目標(biāo)全屏顯示。選f值小的那個(gè)值作為鏡頭焦距值,因在目標(biāo)全屏顯示時(shí),要使目標(biāo)完全顯示在屏幕上,就要選焦距小的那個(gè)值(可視角度更廣),才能滿足完全顯示的要求。

據(jù)上面公式可得出以下公式:

hp=f*H/Dwp=f*W/D

則據(jù)1920*1080的畫(huà)面輸出,可得到相應(yīng)的輸出像素的高度與寬度,計(jì)算如下:

Pixh=(1080/h)*hpPixw=(1920/w)*wp

得到像素高度與寬度后,可查看下相應(yīng)值落在上面的哪個(gè)像素區(qū)間,就可得知我們成像的基本效果了。

下面我們來(lái)舉例說(shuō)明:

假設(shè)用1/3”的1920*1080的攝像機(jī),鏡頭為5-50m的(焦距假設(shè)用50mm),拍100米遠(yuǎn)的成年人,人取平均身1.7米。那么能達(dá)到什么樣的監(jiān)控效果呢?

計(jì)算如下:

hp=50*1.7/100=0.85mm,則對(duì)應(yīng)pixh=(1080/3.6)*0.85=255像素

據(jù)計(jì)算的結(jié)果,像素落在250-420區(qū)間,說(shuō)明此時(shí)是可達(dá)到人物再現(xiàn)要求的。

同理,如我們要使目標(biāo)顯示像素達(dá)到250像素左右,則在焦距一定時(shí),可計(jì)算符合條件的最小物距,在物距一定時(shí),可計(jì)算符合本條件的最小焦距。

其實(shí),所有監(jiān)控中,鏡頭看多遠(yuǎn)或看多清的問(wèn)題,都是我們最關(guān)注的問(wèn)題。同時(shí)因每個(gè)人主觀上的看法會(huì)有不同之處,也會(huì)導(dǎo)致最終對(duì)成像效果的判斷會(huì)有些出入。當(dāng)然計(jì)算上因參數(shù)實(shí)際數(shù)據(jù)會(huì)有誤差,結(jié)果也可能與實(shí)際有些出入,但我們研究的主要目的只是方便人們對(duì)成像效果的一般性判斷,并形成一個(gè)實(shí)用的經(jīng)驗(yàn)值,不做精確比較用。上述討論與測(cè)試,僅是從我們從實(shí)際應(yīng)用出發(fā),作了一個(gè)一般性討論,有不足之處,還請(qǐng)同行多多指正。

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