摘要：
随着高清电子警察系统的逐步普及推广，高清摄像机的应用越来越普遍，与高清摄像机密不可分的高清镜头也越来越多出现在各种电子警察系统应用中。本文着重介绍了在高清电子警察系统设计和施工中，如何根据采用的高清摄像机类型，结合现场环境和抓拍需要选择高清镜头的选型方法。
关键词（Keywords）：电子警察高清镜头选型
1.引言
镜头是机器视觉系统中的重要组件，对成像质量有着关键性的作用。高清摄像机在电子警察的应用，一定是离不开高清镜头的。镜头相当于人眼的晶状体，如果没有晶状体，人眼看不到任何物体；如果没有镜头，那么摄像机所输出的图像就是白茫茫的一片，没有清晰的图像输出。光学镜头一般称为摄像镜头或摄影镜头，简称镜头，其功能就是光学成像。由于高清摄像机的像素都在百万以上，所以，要配套采用百万像素的高清镜头。
高清镜头不仅种类繁多，而且质量差异也非常大，但一般制造商和工程商在进行电子警察系统设计和实施时往往对镜头的选择重视不够，导致不能得到理想的图像效果，甚至导致系统开发和实施失败。
本文根据多年来从事高清电子警察系统设计和实施中的经验，结合主流高清摄像机的性能特点，介绍在高清电子警察系统中选择高清镜头的一些方法。
2.主流高清摄像机性能分析
现在高清电子警察系统采用的高清摄像机种类和厂商都比较繁多，按照像素划分主要有100万、130万、300万、500万和1000万等，按照工作原理划分主要有视频流方式和抓拍机方式，根据图像传感器划分主要有CCD和CMOS两种类型，等等。综合产品性价比、成像效果和用户需求这几方面的因素来看，现阶段的高清电子警察系统主流采用500万CMOS高清摄像机和200万CCD高清摄像机，两者的主要性能特点如表1：
表1主流高清摄像机性能对比表
由于同样像素级别的CMOS摄像机售价要比CCD摄像机便宜很多，并且高清电子警察系统对于抓拍目标车速要求不是很高，所以，现阶段大多数高清电子警察系统优先采用CMOS摄像机作为成像设备。下面主要以500万CMOS高清摄像机举例说明镜头的选型方法。
3.高清电子警察对于摄像机视场的需求分析
高清电子警察系统的各项功能指标需要符合公安部《闯红灯自动记录系统通用技术条件》（GA/T496-2009），安装在交通路口时需要充分考虑路口的形状和安装位置，既要保证系统能够正常抓拍违法机动车闯红灯过程的违法图片，也要保证抓拍的图像信息能够清晰辨别停止线、红灯信号和号牌号码,就是说拍摄的图片里必须能看到红灯、停车线和违法车辆所处位置。
在高清电子警察安装现场，高清摄像机的防护罩一般安装在6.5米净高的F杆横臂上，高清摄像机距离路面一般在6.5～7米高，这样可以避免一般的超高车辆（国家规定车辆高度不能超过4.5米）碰撞，高清摄像机拍摄范围纵向应覆盖到远处的红灯，近处的停车线，横向应覆盖到所监视车道。
为了保证抓拍图片作为违法证据必须是无可争议的，通常采用3张违法过程图片显示：红灯期间，第一张违法车辆在停车线内，图片的停车线距离图片的底部应有一段距离，一般是距离3米以上为宜，这样可以体现汽车的轮廓、特征，减少争议，第二张是汽车压在停车线上，第三张是汽车越过停车线，体现完整的违法过程。
为了满足以上列举的闯红灯抓拍要求，高清摄像机的视场必须能够监视到相关的违法要素，实际抓拍的效果如图1所示。
图1闯红灯违法抓拍效果图
高清电子警察安装路口的高清摄像机的立杆安装位置、停止线、受控车道宽度、信号灯位置、号牌大小要求这几个重要因素确定之后，也就是说摄像机的视场大小要求确定了，则需要为高清摄像机配置不同焦距的镜头，以保证高清摄像机的视场满足正常抓拍需要。下面是一个采用8mm镜头的视场大小示意图，如图2所示。
图2摄像机视场大小示意图
综上所述，高清电子警察系统中对于高清镜头选型主要考虑下几个因素：
1、视场因素
需要拍摄对面红绿灯（一般6.5米高），停车线（一般停车线后留3米左右）。
2、清晰度因素
保证车牌水平像素在100点以上。
3、补光因素
闪光灯离停车线不要超过25米，否则补光会不够强，影响夜间拍摄效果。如果实在要用这么远的距离，建议用大功率闪光灯或者在离停车线比较近的位置设立一个补光灯杆。
4、红灯信号在画面的投影像素大小
作为闯红灯抓拍系统一个关键因素，红灯信号在画面的投影面积不应过小，否则会影响辨识。一般不能小于10个像素的宽度，否则不能清晰识别。
4.高清镜头的选型方法
摄像机镜头焦距是光学镜头的首要参数，通常用f′来表示，焦距直接关系到视场角的大小。一般短焦距镜头给出较大的视场角；长焦距镜头将构成小视场角，如小视场望远镜头。标准视场角的镜头类似于人眼在正常情况下所看到的范围。选择镜头应依据摄像机位置到被监测目标的距离来计算镜头的焦距，综合考虑镜头的焦距、视场大小及镜头到被摄取物体的距离。
摄像机镜头视场系指被摄取物体的大小，视场由宽（W）、高（H）和与摄像机的距离（L）决定，一旦决定了摄像机要监视的景物大小（包括停止线、红灯信号、第一张照片的车牌号码），正确地选择镜头的焦距就由来3个因素决定；（1）欲监视景物的尺寸（底端为第一张照片的车牌号码位置，顶端为红灯信号位置）；（2）摄像机与景物的距离（立杆与停止线的距离）；（3）摄像机成像器的尺寸（本文以500万CMOS高清摄像机举例，CMOS尺寸1/2.5"）。
因此，只要确定了所要监视的视场大小，可以根据目标视场大小可以计算出所需镜头的焦距，按照相关的焦距可以选购对应的镜头。相反，根据固定焦距大小可以计算出镜头所监视的视场大小，可以判断选用的镜头是否满足现场监视范围的要求。下面分别针对这两种方法进行举例说明。
4.1根据目标视场大小计算出所需镜头的焦距
在已知路口大小、安装位置和监视范围的情况下，高清电子警察系统的高清摄像机需要考虑选择合适焦距的高清镜头，镜头焦距的计算公式如下：
f=wL/W或f=hL/H
f：镜头焦距
w：图像的宽度（被摄物体在图像传感器靶面上成像宽度）
W：被摄物体宽
L：被摄物体至镜头的距离
h：图像高度（被摄物体在图像传感器靶面上成像高度）视场（摄取场景）高度
H：被摄物体的高
由于摄像机画面宽度和高度与电视接收机画面宽度和高度一样，其比例均为4:3,当L不变，H或W增大时，f变小，当H或W不变，L增大时，f增大。
下面以一组实际工程实施过程中的数据进行举例说明，计算方法如下：
我们设定摄像机安装在6.5米高横杆上，对面信号灯安装高度在6.5米。摄像机拍摄方式为红灯信号出现在抓拍画面的最顶端，停车线后面可保留拍摄4米的长度保证第一张照片能够拍到车牌号码区域。在实际工程实施中，不能确保精确测量，一般计算误差在1米左右。
设定对面红灯灯具尺寸：（长）450㎜×（宽）450㎜，设定车牌长度为44cm。
摄像机立杆距拍摄最底距离（米）=摄像机立杆高度/tan(垂直视场角度）
车牌像素大小=车牌长度×画面总宽度像素2592/（（传感器水平宽度/焦距）×物距）
根据上述计算方法，下面列举两组镜头选用指导数据，供大家参考。
（1）500万CMOS摄像机采用横向安装方式（正常安装，图像画面为4：3）
镜头焦距摄像机立杆距拍摄画面最底距离摄像机立杆距停车线距离车牌像素大小(在画面底部）车牌像素大小（在停车线位置）信号灯最远拍摄距离水平覆盖范围垂直视角常用镜头
表2镜头选用指导数据表
说明：大多数镜头厂商只会生产上表中几个型号的产品。如果没有对应焦距的镜头是很正常的，这时可以根据产品目录选择相近的型号，一般选择比计算值小的，这样视角还会大一些。根据常规交通路口的大小，一般选用8mm和12mm镜头居多，部分路口可以用16mm镜头。
实际抓拍效果如图3所示：
图3采用正常安装方式抓拍效果
（2）500万CMOS摄像机采用竖向安装方式（旋转90°安装，图像画面为3：4）
镜头焦距摄像机立杆距拍摄画面最底距离摄像机立杆距停车线距离车牌像素大小(在画面底部）车牌像素大小（在停车线位置）信号灯最远拍摄距离水平覆盖范围垂直视角常用镜头
表3镜头选用指导数据表
说明：大多数镜头厂商只会生产上表中几个型号的产品。如果没有对应焦距的镜头是很正常的，这时可以根据产品目录选择相近的型号，一般选择比计算值小的，这样视角还会大一些。根据常规交通路口的大小，一般选用8mm和12mm镜头居多，在这种情况下16mm镜头不太适用了。
实际抓拍效果如图4所示：
图4采用竖向安装方式抓拍效果
4.2根据固定焦距大小计算出镜头所监视的视场大小
在已知路口大小、安装位置和镜头焦距的情况下，可以判断所选镜头是否满足监视范围的需要，也就是判断镜头的视场角是否能够覆盖到相关的监测车道。
视场角是指摄像机观察景物的范围，在视场角内的景物可全部落入成像尺寸内，而视场角以外的景物将不被摄取，一般默认为水平方向视角。因此，镜头的视场角与摄像机的靶面及镜头的焦距有关。
根据几何原理可以得到视场角的计算公式如下：
ωH＝2tg-1（h/2f）ωV＝2tg-1（v/2f）
式中ωH为水平视场角，ωV为垂直视场角，f为镜头的焦距，h为监控摄像机靶面的水平宽度，v为监控摄像机靶面的垂直高度。
根据上述计算方法，下面列举一组镜头视场角分析数据，供大家参考。
500万CMOS摄像机视场角分析如表4：
镜头焦距垂直视场角（度）水平视场角（度）
表4高清摄像机视场角
从上表可以看出，当成像尺寸确定后，焦距越短，视场角越大，监视的目标也就越大。因此，可将镜头分为长角镜头（视场角小于45°）、标准镜头（视场角为45°～50°）、广角镜头（视场角大于50°）、超广角镜头（视场角接近180°）、鱼眼镜头（视场角大于180°）等。
5.结论
高清镜头是高清电子警察系统中的重要组件，对整套系统的成像质量有着关键性的作用，从而影响到整套系统的总体使用效果。以上介绍了在高清电子警察系统设计和施工中，举例说明了如何根据采用的高清摄像机类型，结合现场环境和抓拍需要选择高清镜头的选型方法，以供制造商和工程商在进行电子警察系统设计和实施时进行参考。
参考文献：
[1]林家明.面阵CCD摄像机光学镜头参数及其相互关系[J].光学技术，2000年，02期
[2]中国安防编辑部.镜头的选择和主要参数[J].中国安防，2007年6月30日
[3]百度文库.光学镜头概述及分类[OL]
[4]中国安防展览网.镜头的分类和选购[OL]
作者单位
林毅明(1)朱智钢(1)敖卓森(2)
（1.南昌市公安交管局科研所，南昌330003；2.深圳市傲天智能系统有限公司，深圳518010）
