知识讲堂:镜头分辨率详解

2010-12-27 16:30:00 来源:安防知识网 有...人评论

[摘要] 目前百万像素高清摄像机已越来越多地应用于监控,有100万像素摄像机、200万像素摄像机、500万像素摄像机。摄像机的像素高是图像清晰的一个方面,另一方面高像素感光元器也要配以高分辨率的镜头才能使高清摄像机的能力得以体现。本文讨论镜头的分辨率和镜头的MTF函数,以及高清摄像机镜头选择。

  如何定义镜头分辨率?

  镜头的分辨率是指在成像平面上1毫米间距内能分辨开的黑白相间的线条对数,单位是“线对/毫米”(lp/mm,line-pairs/mm)。

  镜头对黑白等宽的测试线对图并不是无限可分辨的。当黑白等宽的测试线对密度不高的时候,成像平面处黑白线条是很清晰的。当黑白等宽的测试线对密度提高时,在成像平面处还是可以分辨出黑白线条,但是白线已不是那么白了,黑线也不是那么黑了,白线黑线的对比度就会下降。当黑白等宽的测试线对密度提高到某一程度,在成像平面处黑白线的对比度非常小,黑白线条都变成了灰的中间色了,这就到了镜头分辨的极限。

  好的镜头和差的镜头的分辨率是有很大不同的。测试镜头分辨率的一种方法是将待测镜头装在一个胶片照相机上,去拍摄黑白条纹图(分辨率图版),然后用高倍放大镜(镜头分辨率检测仪)检测底片上每毫米范围内能清晰分辨的线条对数,能分辨得越多则分辨率越高。按照我国照相机检测标准(JB745-65),一般135照相机的镜头中心视场达到37线对/毫米、边缘视场达到22线对/毫米,就算是一级镜头。

  用数线条的方法确定分辨率是一种方法,还有一种更为客观的方法是测量镜头的MTF函数。

  MTF(modulation transfer function 调制传递函数)

  被测的黑白条纹图(分辨率图版)白线最亮处与黑线最暗处的差别,反映了被测图形的反差(或称对比度)。设白线最大亮度为Imax,黑线最小亮度为Imin,用调制度(Modulation)来表示反差的大小,调制度M定义如下:

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

  同样通过镜头成像的图形白线最亮处与黑线最暗处的差别,反映了成像图形的反差(对比度)。设白线最大亮度为I*max,黑线最小亮度为I*min,调制度M*如下:

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

  如果原来图像的调制度M和经过镜头后成像的调制度M*,那么MTF值为:

  MTF=M*/M

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  当然希望原来图像的调制度M和经过镜头后成像的调制度M*能“原汁原味”,M*=M即MTF=1。这时经过镜头后成像的反差(对比度)和原图像一样,但实际情况是经过镜头成像的M*要小于原来图像的M。当被测的黑白条纹图密度不高时,M*和M几乎相等。随着被测的黑白条纹图密度逐渐提高时,I*max和I*min会逐渐接近,M*会逐渐变小,直到为0,MTF也同样逐渐变小,直到为0。

  当改变测试图的黑白条纹图密度时,所成图像的条纹密度即所代表的分辨率或称每毫米线对(lp/mm)也在改变。

  将lp/mm值作为横坐标将镜头MTF值作纵坐标连成图,就得到了MTF-lp/mm图,参见图1。

 

  在图1中最上面是一组逐渐变密的黑白测试线条,中间是一组通过镜头成像的线条。

  下图2中红色曲线就是镜头所成图像的亮度变化曲线,蓝色曲线就是MTF-lp/mm曲线。[nextpage]


  当黑白线条很粗时(分辨率很低<10 lp/mm)测试图和成像的黑白线条的亮度一样,都很黑或很白,体现在红色曲线就是曲线上下幅度很大,蓝色这部分MTF-lp/mm曲线都接近100%。

  当测试线条变密通过镜头成像的白线条就会变暗,黑线条也不怎么黑了(40lp/mm处),代表黑白亮度的红线幅度变小,即反差变小(I*max-I*min),调制度M*变小,所以蓝色的MTF值下降到50%。

  进一步提高黑白测试线条密度,如图1的接尾处200 lp/mm代表黑白亮度的红线幅度变得非常小,趋于黑白的中间值,成像的黑白线已经很不分明而成了中间的灰色,蓝色曲线的MTF=3%,到了这个镜头的分辨率极限。

  人眼对反差5%时尚能察觉,对反差低于2%时就不能察觉了。所以一般选定MTF值为3%时的lp/mm值作为镜头的目视分辨率。

  在图1中有一条水平红虚线MTF=10% 和蓝线相交处的分辨率大约是120lp/mm。

  分辨率在较低(如10 lp/mm)时的MTF值反映了镜头的透光性、反差、对比度。好的镜头能达到95%以上,如图2中MTF图的红色曲线所代表的镜头和图3的实例。如果分辨率在10 lp/mm时MTF较小的,如图2MTF图的绿色曲线所代表的这个镜头,10 lp/mm处的MTF=84%,它的透光性、反差对比度就都会比较差。

  红色曲线代表的镜头和绿色曲线代表的镜头虽然最后的分辨率差不多,但红色曲线代表的镜头的透光性、反差、对比度要比绿色曲线代表的镜头好很多。[nextpage]

  在分辨率较高,比如30lp/mm时的MTF值反映了镜头的分辨率,好的镜头要在70%以上,而普通镜头就在40%以下了。如图3中红线代表的镜头在30lp/mm处MTF=80%,装在高清摄像机上能看到1000线,而如图3

 

  中紫色线代表的镜头在30lp/mm处MTF=48%,装在高清摄像机上能只看到500线,

  参见图4

 

  

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  常见的MTF图

  上面的MTF图是镜头中心处的MTF值随分辨率lp/mm变化的曲线图。但MTF还和很多因素有关。测试时镜头的光圈,测试点偏离中心的距离。

  另外测试黑白线条是平行于径线(弧矢方向),还是垂直径线即切线方向(子午方向meridional一般标M),MTF值都不一样。

  镜头公司往往会以一个固定光圈,用10lp/mm分辨率的黑白线条,在偏离镜头中心不同距离处测试MTF值,来表示镜头中心外其他各点反差特性。当然也会用30 lp/mm在偏离镜头中心不同距离处测试MTF值,来表示镜头中心外其他各点的分辨率特性。

  这种MTF图一般是F=8(光圈值为8)时测得(MTF一般在F=8最好)。有两组曲线,一组是10lp/mm用粗线表示,另一组是30lp/mm用细线表示。每组曲线有两条,弧矢方向(测试黑白线条是平行于径线)测得的MTF曲线一般用实线表示,子午方向(测试黑白线条是垂直于径线)测得的MTF曲线一般用虚线表示,总共4条曲线。



  图7某镜头距中心不同距离(mm)处的MTF图。由图中线条可以看出,代表反差(10 lp/mm)的蓝色粗线很高,接近于0.97,说明该镜头在F8的最佳光圈处有着非常好的反差,代表分辨率(30 lp/mm)的蓝色细线也在0.86以上,说明此光圈下分辨率也极优。

  蓝色曲线直到距离中心18毫米左右依然平直,仅在边缘略有下降,说明该镜头在整个成像范围内有着一致的特性,边角分辨率略有一点下降。

  实线与虚线距离很近,反映出该镜头像散也很小。对于MTF图的判读可以归纳出以下几点。

  1、10 lp/mm的低频曲线反映了镜头的反差特性,这条曲线越高代表镜头反差大。

  2、30 lp/mm的高频曲线反映镜头分辨率特性,这条曲线越高代表镜头分辨率越高。

  3、弧矢曲线与子午曲线越接近两者距离越较小,代表镜头像散越小。

  4、MTF曲线越平直越好,越平直越说明边缘与中间一致性好。

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[责任编辑:邵国秀]

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