分享關(guān)于鏡頭景深的知識(shí)

在視頻監(jiān)控領(lǐng)域經(jīng)常會(huì)用到定焦鏡頭，相對(duì)于變焦鏡頭，它的成本更低，因?yàn)椴挥脤?duì)焦，現(xiàn)場(chǎng)安裝和使用也更加方便。定焦鏡頭產(chǎn)品在出廠時(shí)需要事先對(duì)焦，那么如何對(duì)焦才能使不同焦距的鏡頭獲得遠(yuǎn)近都清晰的圖像?這就涉及到對(duì)焦距離和最大景深的問題。

一、基本概念

首先，先來明確幾個(gè)鏡頭的基本概念：

1、 焦點(diǎn)(focus)

與光軸平行的光線射入凸透鏡時(shí)，理想的鏡頭應(yīng)該是所有的光線聚集在一點(diǎn)后，再以錐狀的擴(kuò)散開來，這個(gè)聚集所有光線的一點(diǎn)，就叫做焦點(diǎn)。

2、 彌散圓(circle of confusion)

在焦點(diǎn)前后，光線開始聚集和擴(kuò)散，點(diǎn)的影像變成模糊的，形成一個(gè)擴(kuò)大的圓，這個(gè)圓就叫做彌散圓。

在現(xiàn)實(shí)當(dāng)中，觀賞拍攝的影像是以某種方式(比如投影、放大成照片等等)來觀察的，人的肉眼所感受到的影像與放大倍率、投影距離及觀看距離有很大的關(guān)系，如果彌散圓的直徑小于人眼的鑒別能力，在一定范圍內(nèi)實(shí)際影像產(chǎn)生的模糊是不能辨認(rèn)的。這個(gè)不能辨認(rèn)的彌散圓就稱為容許彌散圓(Permissible Circle of Confusion)。

不同的廠家、不同的膠片面積都有不同的容許彌散圓直徑的數(shù)值定義。35mm照相鏡頭的容許彌散圓，大約是底片對(duì)角線長(zhǎng)度的1/1000~1/1500左右。前提是畫面放大為5x7英寸的照片，觀察距離為25~30cm。

上述允許彌散圓直徑是針對(duì)模擬膠片而言的，對(duì)于現(xiàn)在更常用的數(shù)字圖像傳感器而言，這一指標(biāo)就不太適用了。對(duì)于數(shù)字圖像傳感器，它的最小單位是像素點(diǎn)，而像素點(diǎn)的尺寸決定了不同傳感器所允許的彌散圓直徑。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，如果彌散圓在3個(gè)像素點(diǎn)以內(nèi)，圖像基本可以認(rèn)為是清晰的。

3、 景深(depth of field)

在焦點(diǎn)前后各有一個(gè)容許彌散圓，這兩個(gè)彌散圓之間的距離就叫景深，即：在被攝主體(對(duì)焦點(diǎn))前后，其影像仍然有一段清晰范圍的，就是景深。換言之，被攝體的前后縱深，呈現(xiàn)在底片面的影像模糊度，都在容許彌散圓的限定范圍內(nèi)。

以持照相機(jī)拍攝者為基準(zhǔn)，從焦點(diǎn)到近處容許彌散圓的距離叫前景深，從焦點(diǎn)到遠(yuǎn)方容許彌散圓的距離叫后景深。

4、 光圈(Aperture)

光圈是一個(gè)用來控制光線透過鏡頭，進(jìn)入機(jī)身內(nèi)感光面的光量的裝置，它通常是在鏡頭內(nèi)。對(duì)于已經(jīng)制造好的鏡頭，我們不可能隨意改變鏡頭的直徑，但是我們可以通過在鏡頭內(nèi)部加入多邊形或者圓形，并且面積可變的孔狀光柵來達(dá)到控制鏡頭通光量，這個(gè)裝置就叫做光圈。一般用F值來表示光圈的大小，光圈的計(jì)算公式如下

F=f/D

其中，F(xiàn)代表光圈值，f代表鏡頭焦距，D代表通光孔徑。從上述公式中我們可以看到，光圈大小與鏡頭實(shí)際的通光孔徑大小成反比，也就是說，光圈值越小，通光孔徑越大。從公式中我們還可以看到，如果要達(dá)到相同的光圈值，焦距越長(zhǎng)，鏡頭所需的通光孔徑越大。完整的光圈值系列如下：F1.0，F(xiàn)1.4，F(xiàn)2.0，F(xiàn)2.8，F(xiàn)4.0，F(xiàn)5.6，F(xiàn)8.0，F(xiàn)11，F(xiàn)16，F(xiàn)22，F(xiàn)32，F(xiàn)44，F(xiàn)64，如下圖所示

由于通光孔一般是一個(gè)圓形，所以實(shí)際通光面積與通光孔徑的平方成正比，每一級(jí)光圈之間差1.4倍，也就是說每一級(jí)光圈之間通光面積差將近2倍。

5、 景深的計(jì)算公式

下面是景深的計(jì)算公式：

其中：

由景深計(jì)算公式可以看出，后景深 > 前景深。另外，景深與鏡頭使用光圈、鏡頭焦距、拍攝距離以及對(duì)像質(zhì)的要求(表現(xiàn)為對(duì)容許彌散圓的大小)有關(guān)。這些主要因素對(duì)景深的影響如下(假定其他的條件都不改變)：

(1)鏡頭光圈：

光圈越大，景深越小;光圈越小，景深越大;

(2)鏡頭焦距

鏡頭焦距越長(zhǎng)，景深越小;焦距越短，景深越大;

(3)拍攝距離

距離越遠(yuǎn)，景深越大;距離越近，景深越小。

6、 超焦距(Hyperfocal Distance)

對(duì)焦在遠(yuǎn)處的某一點(diǎn)，使得景深的另一極端恰為“無(wú)限遠(yuǎn)”，則由“無(wú)限遠(yuǎn)”(∞)到景深范圍內(nèi)最近的攝影距離，稱為“超焦距離”。若先將焦點(diǎn)設(shè)為超焦距離，則由超焦距離的一半開始，到無(wú)限遠(yuǎn)處，都將落在景深范圍之內(nèi)。

由于鏡頭的后景深比較大，人們稱對(duì)焦點(diǎn)以后的能清晰成像的距離為超焦距。傻瓜相機(jī)一般就利用了超焦距，利用短焦鏡頭在一定距離之后的景物都能比較清晰成像的特點(diǎn)，省去對(duì)焦功能，所以，一般低檔的傻瓜相機(jī)并不能自動(dòng)對(duì)焦，只是利用了超焦距而已。正如前面所說的，“清晰”不是一個(gè)絕對(duì)的概念，超焦距范圍內(nèi)的景物并非真正的清晰成像，由于不在對(duì)焦點(diǎn)上，肯定是模糊的，只是模糊的程度一般人能夠接受而已，這就是傻瓜相機(jī)拍攝的底片不能放大得太大的原因。

超焦距的計(jì)算的原始公式是：

其中，L’是超焦距，f是鏡頭焦距， 是允許彌散圓，F(xiàn)是鏡頭光圈。由于鏡頭焦距遠(yuǎn)小于鏡頭焦距的平方除以 、F之積，一般公式記作

二、計(jì)算實(shí)例

仍以MT9M034為例，它的像素點(diǎn)尺寸為3.75um，按照3個(gè)像素點(diǎn)來計(jì)算，它所允許的彌散圓直徑為0.0112mm。

1、如果我們采用焦距為2.8mm，光圈為F1.8的鏡頭，可以算出該鏡頭在MT9M034上的超焦距距離為：

也就是說，如果我們把該鏡頭對(duì)焦在大約0.4m處，就可以獲得擴(kuò)展景深從0.2m到無(wú)窮遠(yuǎn)。實(shí)測(cè)圖像如下：

顯然，該鏡頭可以獲得大視場(chǎng)、大景深的圖像，但由于鏡頭焦距有限，遠(yuǎn)處的景物細(xì)節(jié)信息顯然不夠。

2、如果我們采用焦距為6mm，光圈為F1.6的鏡頭，可以算出該鏡頭在MT9M034上的超焦距距離為：

也就是說，如果我們把該鏡頭對(duì)焦在大約2m處，就可以獲得擴(kuò)展景深從1m到無(wú)窮遠(yuǎn)。實(shí)測(cè)圖像如下：

圖像的視野明顯變窄了，而且景深也明顯變小了，近處的景物已虛化，但遠(yuǎn)處景物的細(xì)節(jié)明顯增加了。

3、如果我們采用焦距為8mm，光圈為F1.6的鏡頭，可以算出該鏡頭在MT9M034上的超焦距距離為：

也就是說，如果我們把該鏡頭對(duì)焦在大約3.6m處，就可以獲得擴(kuò)展景深從1.8m到無(wú)窮遠(yuǎn)。實(shí)測(cè)圖像如下：

4、如果我們采用焦距為12mm，光圈為F1.6的鏡頭，可以算出該鏡頭在MT9M034上的超焦距距離為：

從上述計(jì)算中我們可以看到，如果我們把該鏡頭對(duì)焦在大約8m處，就可以獲得擴(kuò)展景深從4m到無(wú)窮遠(yuǎn)。實(shí)測(cè)圖像如下：

圖像的視野明顯變得更窄了，而且景深也變得更小了，近處的景物已虛化，但遠(yuǎn)處景物的細(xì)節(jié)明顯增加了。

5、如果我們采用焦距為16mm，光圈為F1.8的鏡頭，可以算出該鏡頭在MT9M034上的超焦距距離為：

從上述計(jì)算中我們可以看到，如果我們把該鏡頭對(duì)焦在大約13m處，就可以獲得擴(kuò)展景深從6.5m到無(wú)窮遠(yuǎn)。實(shí)測(cè)圖像如下：

遠(yuǎn)處視力表的位置距離大約為13米，可以看到整體畫面比較清晰。那么如此對(duì)焦，景深是不是可以達(dá)到無(wú)窮遠(yuǎn)呢?我們將在室內(nèi)按照13米距離對(duì)好焦的攝像機(jī)對(duì)著室外現(xiàn)場(chǎng)抓圖如下：

遠(yuǎn)處物體的距離均在100米以上，成像清晰可辨，沒有出現(xiàn)虛焦的現(xiàn)象。

三、結(jié)論

通過計(jì)算超焦距距離，我們可以在出廠時(shí)將定焦鏡頭產(chǎn)品對(duì)焦在超焦距距離之上，從而使產(chǎn)品在保證整體畫面清晰度的前提下，獲得最大的景深。