關(guān)于鏡頭解像力相關(guān)技術(shù)問題的研究

首先需要說明的是：對(duì)于鏡頭本身而言，其實(shí)并沒有所謂像素的概念。鏡頭出廠時(shí)，廠家一般均會(huì)采用“鏡頭檢檢測(cè)投影儀”這種設(shè)備，對(duì)鏡頭的解像力進(jìn)行檢測(cè)。鏡頭檢測(cè)投影儀所體現(xiàn)的解像力指標(biāo)，是以lp/mm來表示，即每毫米可以解析的線對(duì)數(shù)(linepair)，該指標(biāo)與除了鏡頭外的其他成像單元無關(guān)。如下圖所示：

鏡頭檢測(cè)投影

但一般鏡頭廠家在規(guī)格書中都不會(huì)明確標(biāo)明這個(gè)指標(biāo)，而是換以更直觀的1MP、2MP或3MP這樣的標(biāo)識(shí)，因?yàn)閘p/mm這個(gè)指標(biāo)過于專業(yè)，一般用戶可能無法理解，不如直接標(biāo)像素來的直觀。那么，lp/mm與鏡頭標(biāo)定的像素與之間是如何對(duì)應(yīng)的呢?從鏡頭廠家那邊了解到，他們一般是以1/2.8"的傳感器作為標(biāo)的來進(jìn)行換算的，比如：IMX222。IMX222的像素點(diǎn)尺寸為2.8um，最大有效像素為1920x1200，這樣我們就可以算出它的靶面尺寸大概為

1920x2.8um=5.376mm，1200x2.8um=3.36mm

我們以IMX222作為標(biāo)的，可以大致算出鏡頭像素與lp/mm的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：

對(duì)于標(biāo)稱是1MP的鏡頭，它對(duì)應(yīng)的分辨率應(yīng)該為1280x720=921600，這樣就可以大致算出它所對(duì)應(yīng)的lp/mm值為

720/(2x3.36mm)=107lp/mm

標(biāo)稱為1.3MP的鏡頭，它對(duì)應(yīng)的分辨率應(yīng)該為1280x960=1228800，它所對(duì)應(yīng)的lp/mm值為

960/(2x3.36mm)=143lp/mm

標(biāo)稱為2MP的鏡頭，它對(duì)應(yīng)的分辨率應(yīng)該為1920x1080=2073600，它所對(duì)應(yīng)的lp/mm值為

1080/(2x3.36mm)=160lp/mm

標(biāo)稱為3MP的鏡頭，它的分辨率應(yīng)該為2048x1536=3145728，它所對(duì)應(yīng)的lp/mm值為

1536/(2x3.36mm)=228lp/mm

標(biāo)稱為5MP的鏡頭，它的分辨率應(yīng)該為2592x1944=5038848，它所對(duì)應(yīng)的lp/mm值為

1944/(2x3.36mm)=289lp/mm

標(biāo)稱為6MP的鏡頭，它的分辨率應(yīng)該為3096x2048=6340608，它所對(duì)應(yīng)的lp/mm值為

2048/(2x3.36mm)=304lp/mm

……

通過上面的定量計(jì)算，我們就可以大致了解鏡頭像素與解像力之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

二、鏡頭解像力與電視線數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

那么鏡頭解像力與攝像機(jī)的分辨率以及電視線數(shù)之間又有什么關(guān)系呢?要回答這個(gè)問題，我們先要明確攝像機(jī)的分類標(biāo)準(zhǔn)。按照《安防視頻監(jiān)控?cái)z像機(jī)通用技術(shù)要求-征求意見稿-2011.12》中的規(guī)定：

攝像機(jī)按圖像尺寸不同可分為：

A類：標(biāo)清攝像機(jī)，圖像格式水平和垂直像素?cái)?shù)兩項(xiàng)均小于等于768x576

B類：準(zhǔn)高清攝像機(jī)，圖像格式水平和垂直像素?cái)?shù)兩項(xiàng)均大于768x576且有一項(xiàng)小于1920×1080

C類：高清攝像機(jī)，圖像格式水平和垂直像素?cái)?shù)兩項(xiàng)均大于等于1920×1080

按圖像尺寸類別，攝像機(jī)的中心分辨力應(yīng)滿足：

A類：水平分辨力≥400線，垂直分辨力≥380線

B類：水平分辨力≥600線，垂直分辨力≥600線

C類：水平分辨力≥800線，垂直分辨力≥800線

目前比較常用的兩種高清攝像機(jī)的分辨率分別是1280x720(1MP)和1920x1080(2MP)，按照攝像機(jī)分類標(biāo)準(zhǔn)，他們分別屬于B類和C類產(chǎn)品，那他們的中心分辨力分別需要達(dá)到≥600線和≥800線。這里所說的線，是指TVLine，該指標(biāo)是從電視領(lǐng)域沿用下來的，是指畫面在某一方向上可以解析的線條數(shù)，該指標(biāo)不僅跟鏡頭解像力有關(guān)系，還跟傳感器的分辨率有關(guān)。TVLine與lp/mm的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：

TVLine=lp/mmx2x傳感器的靶面高度=lp/mmx2x傳感器垂直分辨率x像素點(diǎn)尺寸

其中x2的原因是lp/mm指每毫米的線對(duì)數(shù)，黑白算一對(duì)，而TVLine黑白算兩條線，之所以要乘以傳感器的高度而不是寬度，是因?yàn)樵撝笜?biāo)是TV行(Line)而不是列(Column)。傳感器的靶面高度又可以由傳感器的垂直分辨率與像素點(diǎn)尺寸相乘得到，這樣我們就可以得到鏡頭解像力與圖像分辨率以及電視線數(shù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

三、相關(guān)計(jì)算

下面我們通過定量的計(jì)算，來驗(yàn)證一下。以MT9M034為例，該傳感器的靶面高度為3.6mm，最大分辨率為1280x960，像素點(diǎn)尺寸為3.75um，如下圖所示:

鏡頭檢測(cè)投影

如果按照B類產(chǎn)品的要求，最終要達(dá)到600線的分辨率，按照TVLine與lp/mm的換算公式可以算出，

lp/mm=TVLine/(2x傳感器的高度)=600/(2x3.6mm)=83lp/mm

因此，鏡頭的解像力至少要達(dá)到83lp/mm以上，該傳感器在理論上才能達(dá)到600線的分辨率。

當(dāng)然，并不是說鏡頭的解像力越高，最終攝像機(jī)呈現(xiàn)的電視線數(shù)就可以越高，這還與傳感器本身的分辨率有關(guān)。還是以剛才分辨率是83lp/mm的鏡頭為例，它所呈現(xiàn)的每條線的寬度為

w=1/(2x83lp/mm)=6um

也就是說傳感器像素點(diǎn)的尺寸不能大于6um，這樣才能完全分辨出鏡頭所呈現(xiàn)的分辨率，而MT9M034的像素點(diǎn)大小為3.75um，所以配該鏡頭沒有問題。同理，我們還可以算出MT9M034最高可以配的鏡頭解像力為

1/0.00375mm/2=133lp/mm

也就是說，對(duì)于MT9M034，即使配解像力再高的鏡頭也無法再提高整體分辨率了。

下面我們?cè)賮碛?jì)算一下幾個(gè)常用傳感器所支持的鏡頭最高解像力。

1、IMX222，該傳感器的像素點(diǎn)尺寸為2.8um，那么它所支持的鏡頭最高解像力為：

1/0.0028mm/2=179lp/mm

2、IMX185，該傳感器的像素點(diǎn)尺寸為3.75um，和MT9M034相同，這樣理論上它所支持的鏡頭最高解像力同樣也是133lp/mm。

3、IMX178，該傳感器的像素點(diǎn)尺寸為2.4um，那么它所支持的鏡頭最高解像力為：

1/0.0024mm/2=208lp/mm

四、鏡頭解像力的選擇

從上面的計(jì)算可以看到，貌似1.3MP的鏡頭就可以滿足IMX185的133lp/mm的最大解像力要求，而3MP的鏡頭也可以滿足IMX178最高200lp/mm的解像力要求，其實(shí)不盡然。因?yàn)橐话沌R頭都是中心解像力最高，越往邊緣解像力越低。比如一款1MP的鏡頭，它的中心解像力可以達(dá)到125lp/mm，而邊緣的解像力只能達(dá)到80lp/mm，而一般鏡頭廠家都是以中心解像力來標(biāo)定鏡頭的像素的，邊緣解像力一般只能達(dá)到中心的60%左右，這樣算下來，對(duì)于IMX185，要保證邊緣解像力能達(dá)到133lp/mm，那么鏡頭中心解像力就要達(dá)到

133lp/mm/0.6=221lp/mm

也就是至少需要選用3MP的鏡頭才能保證圖像邊緣的清晰度。

同理，對(duì)于IMX178來說，如果鏡頭要保證邊緣能達(dá)到208lp/mm的解像力，那么中心解像力就要達(dá)到

208lp/mm/0.6=346lp/mm

換算成像素就是

346lp/mmx2x3.36mm=2325

也就是垂直分辨率要能達(dá)到2325，如果按16:9的圖像來算，水平分辨率應(yīng)為4133，總體像素為9609225，也就是將近10MP的鏡頭才能達(dá)到這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，但這個(gè)級(jí)別的鏡頭價(jià)格也是相當(dāng)可觀的。考慮到成本，我們一般還是會(huì)采用6MP的鏡頭來配IMX178，這樣它的邊緣分辨率理論上只能達(dá)到

TVLine=304lp/mmx0.6x2x2048x0.0024mm=1793線

五、結(jié)語

通過上面的定量計(jì)算，我們能夠更好地理解高清鏡頭解像力與像素以及電視線數(shù)之間的關(guān)系，并根據(jù)這種關(guān)系可以推算出不同傳感器需要配多高解像力的鏡頭，或者推算出在鏡頭解像力一定的情況下攝像機(jī)所能達(dá)到的最高線數(shù)，從而為攝像機(jī)設(shè)計(jì)和鏡頭選型提供理論上的指導(dǎo)。