監控鏡頭分辯率及高清攝像機鏡頭的選擇

標簽：分辯率 高清攝像

目前百萬像素高清攝像機已越來越多地應用于監控，有1百萬像素攝像機、2百萬像素攝像機、5百萬像素攝像機。攝像機的像素高是圖像清晰的一個方面，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的能力得以體現。

鏡頭分辯率

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

鏡頭對黑白等寬的測試線對圖并不是無限可分辨的。當黑白等寬的測試線對密度不高的時候，成像平面處黑白線條是很清晰的。當黑白等寬的測試線對密度提高時，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，白線黑線的對比度就會下降。當黑白等寬的測試線對密度提高到某一程度，在成像平面處黑白線的對比度非常小，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。

黑白等寬的測試線

好的鏡頭和差的鏡頭的分辨率是有很大不同的。測試鏡頭分辨率的一種方法是將待測鏡頭裝在一個膠片照相機上。去拍攝黑白條紋圖(分辨率圖版)，然后用高倍放大鏡(鏡頭分辨率檢測儀)檢測底片上每毫米范圍內能清晰分辨的線條對數，能分辨得越多則分辨率越高。按照我國照相機檢測標準(JB745-65)，一般135照相機的鏡頭中心視場達到37線對/毫米、邊緣視場達到22線對/毫米，就算是一級鏡頭。

用數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量鏡頭的MTF函數。

MTF (modulation transfer function 調制傳遞函數)

以此來反映鏡頭的反差和分辨率

被測的黑白條紋圖(分辨率圖版)白線最亮處與黑線最暗處的差別，反映了被測圖形的反差(或稱對比度)。設白線最大亮度為Imax，黑線最小亮度為Imin，我們用調制度(Modulation)來表示反差的大小。調制度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(對比度)。設白線最大亮度為I*max，黑線最小亮度為I*min，調制度M*如下：

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

如果原來圖像的調制度M和經過鏡頭后成像的調制度M*，那么MTF值為：

MTF=M*/M

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

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

將lp/mm值作為橫坐標將鏡頭MTF值作縱坐標連成圖，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，藍色曲線就是MTF-lp/mm曲線。當黑白線條很粗時(分辨率很低10 lp/mm)測試圖和成像的黑白線條的亮度一樣，都很黑或很白，體現在紅色曲線就是曲線上下幅度很大，藍色這部分MTF-lp/mm曲線都接近100%。當測試線條變密通過鏡頭成像的白線條就會變暗，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)，調制度M*變小，所以藍色的MTF值下降到50%。進一步提高黑白測試線條密度，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，成像的黑白線已經很不分明而成了中間的灰色，藍色曲線的MTF=3%，到了這個鏡頭的分辨率極限。

人眼對反差5%時尚能察覺，對反差低于2%時就不能察覺了。所以一般選定MTF值為3%時的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% 和藍線相交處的分辨率大約是120lp/mm。

分辨率在較低(如10 lp/mm)時的MTF值反映了鏡頭的透光性、反差、對比度。好的鏡頭能達到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例。如果分辨率在10 lp/mm時MTF較小的，如圖三中MTF圖的綠色曲線所代表的這個鏡頭，10 lp/mm處的MTF=84%，它的透光性、反差對比度就都會比較差，實例看圖五。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、對比度要比綠色曲線代表的鏡頭好很多。

左側為圖4 右側為圖5

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

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

在分辨率較高，比如30 lp/mm時的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%，裝在高清攝像機上能只看到500線，參見圖八：

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