项目杂识-FOV（视场角）

本文为学习记录；
大部分内容出自浅析相机FOV和视场角（FOV）

视野角

在摄影学中，视角(angle of view)是在一般环境中，相机可以接收影像的角度范围，也可以常被称为视野。视角(angle of view)与成像范围(angle of coverage)是不同的，他是描述镜头可以撷取的影像角度，一般来说镜头的成像圈都够大到涵盖底片或者感光元件（或许会有一点点的边缘暗角）。假如镜头的成像范围无法涵盖整个感光元件，则成像圈会被看见，一般会伴随严重的边缘暗角，在这个状态下，视角会被成像范围所限制。
在光学仪器中，以光学仪器的镜头为顶点，以被测目标的物像可通过镜头的最大范围的两条边缘构成的夹角，称为视场角。如图一。

视场角的大小决定了光学仪器的视野范围，视场角越大，视野就越大，光学倍率就越小。通俗地说，目标物体超过这个角就不会被收在镜头里。
如Fig.1所示，如果成像平面的宽度(W)固定, FOV的大小直接由Focal Length(焦距)决定。Focal Length越大，看得越远，但FOV越小。Focal Length越小，看得越近，但FOV变大。

Fig.1
如果已知W和Focal Length, FOV可以用简单的三角函数关系就可以求出。

在显示系统中，视场角就是显示器边缘与观察点（眼睛）连线的夹角。例如在图二中，AOB角就是水平视场角，BOC就是垂直视场角。
视场角分物方视场角和像方视场角。一般光学设备的使用者关心的是物方视场角。对于大多数光学仪器,视场角的度量都是以成像物的直径作为视场角计算的。如：望远镜、显微镜等。而对于照相机、摄像机类的光学设备，由于其感光面是矩形的，因此常以矩形感光面对角线的成像物直径计算视场角，如图一左。也有以矩形的长边尺寸计算视场角的，如图一右。计算方法可参看图一。也可以使用度量的方法获得视场角参数。度量一般使用广角平行光管，因其形似漏斗，俗称：漏斗仪。测量方法如图二。在被测镜头的一端，查看广角平行光管底部玻璃平面上的刻度，读取其角度值，其最大刻度值即为该被测光学仪器的视场角。被测镜头可能因焦距不同，导致肉眼不能观测到刻度。可加入一片焦距适当的凸透镜作为辅助镜片察看测量结果。测量时应沿光轴方向前后移动被测镜头，直至观测的角度最大，即为该被测镜头的视场角。
相机的测量方法同上，相机测量时可察看取景窗，因数码相机的液晶屏分辨率较低，可查看相机所拍之照片。视场角与焦距的关系：一般情况下，视场角越大，焦距就越短。以下列举几个实例：长焦距镜头视场角窄于40°，例如：镜头焦距2.5mm，视场角为45°左右。镜头焦距5.0mm，视场角为23°左右。镜头焦距7.5mm，视场角为14°左右。镜头焦距10mm，视场角为12°左右。镜头焦距15mm，视场角为8°左右。
按视场角将镜头分类：

• 标准镜头：视场角30度左右，使用范围较广。
• 远摄镜头：视场角20度以内，可在远距离情况下拍摄。
• 广角镜头：视场角60~90度之间，观察范围较大，近处图像有变形。
• 超广角镜头：视场角大于90~120度之间，有较大变形。
• 鱼眼镜头：视场角大于120度，有严重变形。
  以上视场角范围只是大概参考值。
  监控摄像机镜头使用场所及角度:
  1、广角镜头：视角在90度以上，一般用于电梯轿箱内、大厅等小视距大视角场所；如2.8MM 2.5MM；
  2、视角在60度以上 用于5*5米左右场所 3.6MM 4MM；
  3、视角在50度以上 用于8-10米左右场所 6MM；
  4、视角在40度以上 用于10-18米左右场所 8MM；
  5、视角在30度以上 用于20-30米左右场所 12MM 16MM；
  6、视角在20度以上 用于30-50米左右场所 25MM；
  7、长焦镜头：视角在20度以内，焦距的范围从几十毫米到上百毫米，用于远距离监视；
  8、变焦镜头：镜头的焦距范围可变，可从广角变到长焦，用于景深大，视角范围广的区域；
  9、针孔镜头：用于隐蔽监控。 镜头越小，监控的面积越大，而图像物体相对较小。镜头越大，监控的面积越小(窄)，而图像物体相对较大。 可以简单的计算方法：可视距离÷2就相等于所需镜头，再参考视角
  监控摄像机不同镜头的可视距离与监控角度：
  
  

FOV分类

FOV又分为HFOV(水平）, VFOV( 垂直）， DFOV(对角）。
HFOV: 水平FOV
VFOV: 垂直FOV
DFOV: 对角FOV
由Fig.2可以看出，HFOV由Focal Length和senor的宽度(W)决定， VFOV由Focal Length和sensor的高度(H)决定。DFOV由Focal Length, W, H共同决定。

视场角对机器视觉方案的影响

从上面可以了解到，视场角越大，焦距越短。
如果要做到相同的视野，使用短焦距、大视场角的镜头可以有更低的工作距离，而使用长焦距、小视场的镜头，需要更大的工作距离；
如果要做到相同的工作距离，使用短焦距、大视场角的镜头可以有更大的视野，使用同样分辨率的相机时，系统的精度会下降；而使用长焦距、小视场角的镜头，可以有比较小的视野，系统的精度会提高；
视场角越大，畸变越严重，那么对图像处理时，需要考虑畸变，对于精密测量，需要进行标定；
视场角大，意味着焦距短，短焦距的镜头的光学像差，如像散、色差、场曲等，都要大于长焦镜头，因此视场角大的镜头，成像质量上比视场角小的镜头差；

参考文献

1.浅析相机FOV
2.视场角（FOV）
3.视场角