監(jiān)控鏡頭分辯率及高清攝像機(jī)鏡頭的選擇

標(biāo)簽：分辯率 高清攝像

目前百萬像素高清攝像機(jī)已越來越多地應(yīng)用于監(jiān)控，有1百萬像素攝像機(jī)、2百萬像素攝像機(jī)、5百萬像素?cái)z像機(jī)。攝像機(jī)的像素高是圖像清晰的一個(gè)方面，另一方面高像素感光元也要配以高分辨率的鏡頭才能使高清攝像機(jī)的能力得以體現(xiàn)。

鏡頭分辯率

鏡頭的分辯率是指在成像平面上1毫米間距內(nèi)能分辨開的黑白相間的線條對(duì)數(shù)，單位是“線對(duì)/毫米”(lp/mm，line-pairs/mm)。

鏡頭對(duì)黑白等寬的測(cè)試線對(duì)圖并不是無限可分辨的。當(dāng)黑白等寬的測(cè)試線對(duì)密度不高的時(shí)候，成像平面處黑白線條是很清晰的。當(dāng)黑白等寬的測(cè)試線對(duì)密度提高時(shí)，在成像平面處還是可以分辨出黑白線條，但是白線已不是那么白了，黑線也不是那么黑了，白線黑線的對(duì)比度就會(huì)下降。當(dāng)黑白等寬的測(cè)試線對(duì)密度提高到某一程度，在成像平面處黑白線的對(duì)比度非常小，黑白線條都變成了灰的中間色了，這就到了鏡頭分辨的極限。參見圖一。

黑白等寬的測(cè)試線

好的鏡頭和差的鏡頭的分辨率是有很大不同的。測(cè)試鏡頭分辨率的一種方法是將待測(cè)鏡頭裝在一個(gè)膠片照相機(jī)上。去拍攝黑白條紋圖(分辨率圖版)，然后用高倍放大鏡(鏡頭分辨率檢測(cè)儀)檢測(cè)底片上每毫米范圍內(nèi)能清晰分辨的線條對(duì)數(shù)，能分辨得越多則分辨率越高。按照我國(guó)照相機(jī)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)(JB745-65)，一般135照相機(jī)的鏡頭中心視場(chǎng)達(dá)到37線對(duì)/毫米、邊緣視場(chǎng)達(dá)到22線對(duì)/毫米，就算是一級(jí)鏡頭。

用數(shù)線條的方法確定分辨率是一種方法，還有一種更為客觀的方法是測(cè)量鏡頭的MTF函數(shù)。

MTF (modulation transfer function 調(diào)制傳遞函數(shù))

以此來反映鏡頭的反差和分辨率

被測(cè)的黑白條紋圖(分辨率圖版)白線最亮處與黑線最暗處的差別，反映了被測(cè)圖形的反差(或稱對(duì)比度)。設(shè)白線最大亮度為Imax，黑線最小亮度為Imin，我們用調(diào)制度(Modulation)來表示反差的大小。調(diào)制度M定義如下：

M=(Imax-Imin)/(Imax+Imin)

同樣通過鏡頭成像的圖形白線最亮處與黑線最暗處的差別，反映了成像圖形的反差(對(duì)比度)。設(shè)白線最大亮度為I*max，黑線最小亮度為I*min，調(diào)制度M*如下：

M*=(I*max-I*min)/(I*max+I*min)

如果原來圖像的調(diào)制度M和經(jīng)過鏡頭后成像的調(diào)制度M*，那么MTF值為：

MTF=M*/M

當(dāng)然我們希望原來圖像的調(diào)制度M和經(jīng)過鏡頭后成像的調(diào)制度M*能“原汁原味”M*=M即 MTF=1。這時(shí)經(jīng)過鏡頭后成像的反差(對(duì)比度)和原圖像一樣，但實(shí)際情況是經(jīng)過鏡頭成像的M*要小于原來圖像的M。當(dāng)被測(cè)的黑白條紋圖密度不高時(shí)，M*和M幾乎相等。隨著被測(cè)的黑白條紋圖密度逐漸提高時(shí)，I*max和I*min 會(huì)逐漸接近，M*會(huì)逐漸變小，直到為0，MTF也同樣逐漸變小，直到為0。

當(dāng)我們改變測(cè)試圖的黑白條紋圖密度時(shí)，所成圖像的條紋密度即所代表的分辨率或稱每毫米線對(duì)(lp/mm)也在改變。

將lp/mm值作為橫坐標(biāo)將鏡頭MTF值作縱坐標(biāo)連成圖，我們就得到了 MTF-lp/mm圖，參見圖二。

圖2

在圖二中最上面是一組逐漸變密的黑白測(cè)試線條，中間是一組通過鏡頭成像的線條，下圖中紅色曲線就是鏡頭所成圖像的亮度變化曲線，藍(lán)色曲線就是MTF-lp/mm曲線。當(dāng)黑白線條很粗時(shí)(分辨率很低10 lp/mm)測(cè)試圖和成像的黑白線條的亮度一樣，都很黑或很白，體現(xiàn)在紅色曲線就是曲線上下幅度很大，藍(lán)色這部分MTF-lp/mm曲線都接近100%。當(dāng)測(cè)試線條變密通過鏡頭成像的白線條就會(huì)變暗，黑線條也不怎么黑了，看40lp/mm處，代表黑白亮度的紅線幅度變小，即反差變小(I*max-I*min)，調(diào)制度M*變小，所以藍(lán)色的MTF值下降到50%。進(jìn)一步提高黑白測(cè)試線條密度，如上圖的接尾處200 lp/mm代表黑白亮度的紅線幅度變得非常小，趨于黑白的中間值，成像的黑白線已經(jīng)很不分明而成了中間的灰色，藍(lán)色曲線的MTF=3%，到了這個(gè)鏡頭的分辨率極限。

人眼對(duì)反差5%時(shí)尚能察覺，對(duì)反差低于2%時(shí)就不能察覺了。所以一般選定MTF值為3%時(shí)的lp/mm值作為鏡頭的目視分辨率。

在上圖中有一條水平紅虛線MTF=10% 和藍(lán)線相交處的分辨率大約是120lp/mm。

分辨率在較低(如10 lp/mm)時(shí)的MTF值反映了鏡頭的透光性、反差、對(duì)比度。好的鏡頭能達(dá)到95%以上，如圖三中MTF圖的紅色曲線所代表的鏡頭和圖四的實(shí)例。如果分辨率在10 lp/mm時(shí)MTF較小的，如圖三中MTF圖的綠色曲線所代表的這個(gè)鏡頭，10 lp/mm處的MTF=84%，它的透光性、反差對(duì)比度就都會(huì)比較差，實(shí)例看圖五。紅色曲線代表的鏡頭和綠色曲線代表的鏡頭雖然最后的分辨率差不多，但紅色曲線代表的鏡頭的透光性、反差、對(duì)比度要比綠色曲線代表的鏡頭好很多。

左側(cè)為圖4 右側(cè)為圖5

分辨率=10 lp/mm時(shí)MTF值大反映鏡頭的透光性好，鏡頭反差大，對(duì)比度大

分辨率=10 lp/mm時(shí)MTF值小反映鏡頭的透光性較差，鏡頭反差小，對(duì)比度小

在分辨率較高，比如30 lp/mm時(shí)的MTF值反映了鏡頭的分辨率，好的鏡頭要在70%以上，而普通鏡頭就在40%以下了。如圖六中紅線代表的鏡頭在30 lp/mm處MTF=80%，裝在高清攝像機(jī)上能看到1000線，見圖七，而如圖六中紫色線代表的鏡頭在30 lp/mm處MTF=48%，裝在高清攝像機(jī)上能只看到500線，參見圖八：

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