智能安防系統(tǒng)全景拼接高空監(jiān)控鏡頭光學(xué)設(shè)計(jì)

柳曉娜

（1.中電海康集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310012；2.鳳凰光學(xué)科技有限公司杭州分公司，浙江 杭州 310051）

0 引言

智能安防系統(tǒng)中，利用全景鏡頭和相關(guān)技術(shù)可以獲得水平方向上180°或360°、垂直方向一定視場角度的畫面，這種成像方式能提供環(huán)境全方位信息，減少視野盲區(qū)。

獲得全景畫面一般有如下幾種方式： 一是使用單顆魚眼鏡頭獲取180°視野，如圖1a）所示；二是使用兩顆魚眼鏡頭背靠背組裝獲取360°視野，如圖1b）所示；三是使用反射鏡加折射式廣角鏡組合方式，如圖1c）所示；四是使用多顆廣角鏡頭進(jìn)行畫面拼接，如圖1d）所示。 前三種方式畸變量都很大，容易造成畫面細(xì)節(jié)丟失，且對組裝精準(zhǔn)度要求高。 第四種方式需要多顆鏡頭模組，成本增加，但由于拼接的畫面像素?cái)?shù)增多， 大幅提高了畫面解析力， 而且還可以搭配光學(xué)變倍攝像頭進(jìn)行遠(yuǎn)近景高清切換， 達(dá)到高清全景與局部細(xì)節(jié)兼得的目的。

圖1 全景攝像頭的種類Figure 1 Types of panoramic cameras

本文主要針對第四種全景獲取方式中的廣角鏡頭光學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。此鏡頭可應(yīng)用在智能安防系統(tǒng)中的鷹眼系列相機(jī)上，實(shí)現(xiàn)多顆鏡頭全景拼接的功能，對公共場所越界、區(qū)域入侵、徘徊、停車、人員聚集和快速移動等事件進(jìn)行偵測，有很重要的研究意義。

1 鷹眼全景相機(jī)種類及主要性能要求

以某安防企業(yè)為例，鷹眼系列相機(jī)產(chǎn)品分為三大類，分別為球型鷹眼、碗型鷹眼和環(huán)型鷹眼。

其中球型鷹眼相機(jī)有兩種。 一種是800 萬像素、由4 個(gè)水平攝像機(jī)拼接+1 個(gè)跟蹤球機(jī)構(gòu)成，可以滿足水平180°、垂直80°的視場角；另外一種是1600 萬像素、 由8 個(gè)水平攝像機(jī)拼接+1 個(gè)跟蹤球機(jī)構(gòu)成， 其中每個(gè)水平排列的攝像機(jī)鏡頭焦距為5mm，光圈 2.0，可以實(shí)現(xiàn)水平 360°、垂直 80°的視場角。 下端放置的高清球機(jī)攝像頭可達(dá)37 倍光學(xué)變焦，光圈數(shù)可在1.5～4.5 之間變換，負(fù)責(zé)聯(lián)動定位和自動跟蹤功能。此類型相機(jī)將傳統(tǒng)的拼接畫面與特寫跟蹤畫面進(jìn)行一體化融合，充分提升全景分辨率的同時(shí)，兼具更好的跟蹤聯(lián)動效果。

碗型鷹眼相機(jī)由7 個(gè)水平攝像機(jī)+1 個(gè)垂直攝像機(jī)構(gòu)成， 實(shí)現(xiàn)1600 萬像素解析和水平360°、垂直180°視野。 通過鼠標(biāo)可任意角度放大、拖動和旋轉(zhuǎn)，相對傳統(tǒng)多攝拼接方案，無需視頻拼接服務(wù)器，減少了硬件成本。

環(huán)型鷹眼相機(jī)由4 個(gè)水平攝像機(jī)拼接， 實(shí)現(xiàn)800 萬像素解析，水平 180°、垂直 84°的視野，沒有球機(jī)或垂直相機(jī)進(jìn)行聯(lián)動， 所使用鏡頭焦距為5mm，光圈2.0 的鏡頭，硬件簡單，減少了成本。

2 鏡頭光學(xué)設(shè)計(jì)

2.1 參數(shù)指標(biāo)

鷹眼相機(jī)安裝在室外高處，鏡頭設(shè)計(jì)時(shí)工作距離一般設(shè)置為5m～∞，且室外工作對攝像頭耐候性有極高要求，要在嚴(yán)寒酷暑的工作環(huán)境中保證清晰成像，所以需特別注意溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì)。

為實(shí)現(xiàn)800 萬像素或1600 萬像素效果， 一般會選用1/1.8′′英寸200 萬像素的芯片進(jìn)行拼接，這樣可大幅降低設(shè)計(jì)難度和成本。設(shè)計(jì)光譜為可見光420nm～650nm 和近紅外光850nm 波段且兩波段共焦，可實(shí)現(xiàn)日夜工作的目標(biāo)要求，同時(shí)相對照度大于45%時(shí)，能使畫面亮度均勻。

根據(jù)全景拼接鏡頭的使用場景要求，給出的鏡頭光學(xué)設(shè)計(jì)參數(shù)指標(biāo)如表1 所示。

表1 鏡頭光學(xué)參數(shù)指標(biāo)Table 1 Lens optical parameters request

2.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

本文使用最小二乘優(yōu)化法，設(shè)計(jì)了一種光學(xué)結(jié)構(gòu)，具體方案如圖2 所示。

圖2 優(yōu)化設(shè)計(jì)后的光學(xué)結(jié)構(gòu)Figure 2 Optical structure after optimization design

第一枚鏡片設(shè)計(jì)成光焦度為負(fù)的凸凹鏡片，盡量收納大角度的光線，擴(kuò)大視場角；第二枚鏡片設(shè)計(jì)成光焦度為負(fù)的雙凹鏡片，可以分?jǐn)偟谝幻剁R片的光焦度并收斂光線角度，減小后面鏡片的直徑尺寸；第三枚鏡片設(shè)計(jì)成正光焦度的雙凸鏡片；第四枚鏡片設(shè)計(jì)成正光焦度的雙凸鏡片；第五枚鏡片設(shè)計(jì)成負(fù)光焦度的雙凹鏡片；第六枚鏡片設(shè)計(jì)成光焦度為正的雙凸鏡片， 與第五枚鏡片膠合在一起，可以校正色差；第七枚鏡片設(shè)計(jì)成正光焦度的雙凸鏡片；第八枚鏡片設(shè)計(jì)成正光焦度的雙凸鏡片。 鏡片材料的選擇為一般常見的冕牌玻璃和火石玻璃，沒有使用高折射率或高阿貝數(shù)的特殊玻璃，這樣可以進(jìn)一步降低鏡頭成本，使用的光學(xué)玻璃材料和鏡頭光學(xué)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2 所示。

表2 鏡頭光學(xué)結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 2 Optical structure parameters

3 設(shè)計(jì)評定

根據(jù)表1 鏡頭光學(xué)參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)評定，半像高4.59°時(shí)，相對照度RI 為49%，滿足要求，如圖3 所示。

圖3 相對照度圖Figure 3 Relative illumination curve

空間頻率為 150lp/mm 時(shí)， 可見光 420nm～650nm 波段中心視場 MTF＞0.5， 邊緣視場 MTF＞0.4；近紅外光 850nm 中心視場 MTF＞0.4，邊緣 0.7視場 MTF＞0.3，均滿足 MTF 的性能要求，如圖 4 和圖5 所示。

圖4 可見光 MTF 解析圖Figure 4 Analysis of visible light MTF

圖5 近紅外光MTF 解析圖Figure 5 Near infrared MTF analysis

低溫-40℃時(shí)不同視場MTF 仍大于0.4（空間頻率為150lp/mm），滿足性能參數(shù)要求，如圖6 所示。

圖6 溫度-40℃的焦點(diǎn)漂移曲線Figure 6 Focus drift curve at the temperature -40℃

高溫80℃時(shí)不同視場MTF 仍大于0.4（空間頻率為150lp/mm），滿足性能參數(shù)要求，如圖7 所示。

圖7 溫度80℃的焦點(diǎn)漂移曲線Figure 7 Focus drift curve at the temperature 80℃

4 公差分析

光學(xué)設(shè)計(jì)好壞的評定標(biāo)準(zhǔn)除了性能參數(shù)需滿足要求，鏡片加工性和鏡頭組裝良率也是重要評價(jià)因素。 按照近軸后焦距作為補(bǔ)償參數(shù)、 空間頻率150lp/mm 的設(shè)置， 將光學(xué)結(jié)構(gòu)中的鏡片厚度和空氣間隔設(shè)置為±0.03mm，元件組裝偏芯和傾斜分別設(shè)為±0.01mm 和±0.1°，選取中心視場和邊緣 0.7 視場進(jìn)行蒙特卡羅分析，評價(jià)衍射極限MTF。 從表3中可以看出，滿足空間頻150lp/mm 和MTF＞0.4 的概率在90%以上，達(dá)到量產(chǎn)良率要求。

表3 蒙特卡羅分析結(jié)果Table3 Analysis results of Monte Carlo

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)一種智能安防系統(tǒng)的全景拼接光學(xué)鏡頭結(jié)構(gòu)，使用8 片球面玻璃鏡片及常用冕牌玻璃和火石玻璃， 最大程度降低了成本， 實(shí)現(xiàn)了光圈2.0、空間頻率 150lp/mm 時(shí)全視場 MTF 大于 0.4，且滿足可見光與近紅外光共焦的要求；工作環(huán)境溫度在-40℃～80℃的范圍變化時(shí)， 仍能保證解析清晰；經(jīng)過蒙特卡羅公差分析，MTF 符合要求的良率在90%以上，達(dá)到量產(chǎn)要求。 此鏡頭應(yīng)用在鷹眼相機(jī)產(chǎn)品上，在智能安防系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用前景。