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2017年5月15日 星期一

How to Select the Right Lens for Security Cameras





來源: 慧眼網


隨著手機鏡頭像素越來越高,大家開始更加關注,如何科學準確的評價一個鏡頭的性能,在這之前我們先瞭解下鏡頭評價的兩個重要指標——解析度和反差。


評價標準的指標有二個
解析度又稱解像力、鑒別率、分辨率,透過鏡頭實質再現被攝景物細節的能力。鏡頭解析度越高,影像越清晰。它的單位是「LP/MM」,相鄰黑白兩條線可以稱為一個線對,每毫米能夠分辨出的線對數就是解析度,好比斑馬線的細密程度,越密解析度越高。

反差又稱明銳度,是鏡頭鮮明地再現景物中間層次、暗部層次、低反差景紋細節、微弱亮度對比,和微妙色彩變化的能力。反差高的鏡頭,其景物成像輪廓鮮明、邊緣明銳、反差正常、層次豐富、色彩還原真實細膩。

解析度和反差綜合表現,稱之為清晰度。一顆解析度高的鏡頭,不一定能評價為出色的鏡頭。往往有些鏡頭解析度並不非常高,但反差相當好,仍不失為一顆好鏡頭。當然能夠兼顧才真正是理想的鏡頭。

三種方式可來評價鏡頭性能優劣
那麼我們是否有評價鏡頭性能的有效方法呢?接下來簡單講述幾種評價方式——

方法一:MTF(Modulation Transfer Function調制傳遞函數)測試,是目前最精確最科學的鏡頭評價方式。由於MTF排除了晶片、軟體等影響,能客觀反映鏡頭性能,所以被廣泛用於光學產品的研究及檢測中。



MTF是實際像與理想像之間①調制度之比相對空間頻率的函數,通俗講就是測量不同空間頻率下,鏡頭反差的還原程度,它能同時反映鏡頭的反差及解析度。 因為實際光學系統存在像差、反射、吸收等因素,影像與標版反差無法完全一致,所以MTF總介於0~1之間,MTF值越大,圖像越清晰。如圖一,MTF=0.4時最清晰;MTF=0.05時,圖像最模糊。

  
那麼如何透過MTF來判斷鏡頭的品質呢?我們將透過對圖二來大致介紹下。橫坐標為空間頻率,空間頻率的單位是lp/mm,它與解析度概念比較非常接近。縱坐標就是MTF值,曲線表示不同頻率下鏡頭的MTF值。

從圖中可以看出,隨著空間頻率的上升,鏡頭MTF逐漸下降,如果橫坐標無限延伸,會發現曲線無限趨向於零。為了更好講述MTF曲線,我們加入A、B、C三條曲線及對應的圖片來描述。


曲線A表示鏡頭在低頻段MTF適中,隨著空間頻率的提升,衰減過程緩慢,兼顧反差和解析度綜合性能較好,從圖A可以看出深淺色反差明顯,毛髮細節明細,整體還原性較好。

曲線B低頻MTF在對比中是最好的,說明鏡頭的反差很好,但隨著空間頻率的提高。它的衰減很快,說明鏡頭解析度不算很好,從圖B中可以發現小貓耳朵處絨毛細節已很難分辨。

曲線C表示鏡頭在低頻時MTF衰減就很快,綜合性能較差。從圖C中也可以發現,畫面深淺色反差較低,層次感較差。

以上給我們的啓示是,鏡頭定義及研發中,並不會追求某方面的極致,這樣往往過猶而不及,綜合考慮高低頻,均勻平滑過渡,才能做出一款性能優秀的鏡頭產品。
方法二:SFR(Spatial Frequency Response,空間頻率響應)是測模組對不同空間頻率的響應情況,類似於MTF算法,但測試結果,同時受鏡頭和感光器件,以及處理程序的影響(SFR=lens MTF*sensor MTF*ISP MTF),因此稱這種算法叫空間頻率響應SFR,其實SFR相當於MTF簡化版,廣泛用於模組評價中。

SFR數據處理過程透過圖三表述,這裡不過多講述。用於SFR計算的斜邊分為兩種,一種是水平斜邊,一種是竪直斜邊。如圖四兩個紅色框,寬度比較大的稱為水平斜邊,高度比較大的稱為竪直斜邊,其中我們測試水平方向的銳利度時,是使用竪直斜邊,而測試竪直方向銳利度時,使用的是水平斜邊。

  
在SFR的分析方式上,市場傾向於用固定頻率下的MTF值來判斷成像的優劣,比如固定頻率@112lp/mm時MTF值越大,則成像品質越好。

而歐美市場更傾向在,固定MTF下的頻率的高低,來衡量成像品質。例MTF30時,頻率越高,則成像品質越佳。MTF30一般會使用LW/PH作為單位,即每像高分辨多少條線,LW/PH=頻率*窄邊像高*2。其實這兩種方法目的是一致的,僅是東西方思維方式差異。

在實際評價中,大部分的模組會對影像做不同程度的銳利化,以提升圖像清晰度。在SFR曲線中,會用黑紅兩條曲線把銳化前後的數據區分開來,黑色實線表示未經銳化處理的原始數據,紅色虛線表示去除模組影像上的銳化效果後的數據。


方法三:CTF(對比度傳遞函數)稱之為對比度傳遞函數,表示物方固定線寬(即固定物方空間頻率)鏡頭響應對比度, 即:CTF=(Imax-Imin)/(Imax+Imin),所以CTF總是小於等於1,I:intensity(光強度) Imax:最亮光強度 Imin:最暗光強度。該參數用來評估測量邊緣反差,是比較有用的。

CTF值是透過對比度計算的方式獲得的,其僅可測試特定頻率的黑白對比狀態。這種檢測方法簡單方便,但穩定性及精度無法較前面兩種方法相比。

我們也可以透過檢測頻率、方法等方面簡單區分CTF/MTF/SFR的差別:

備註:
① 調制度其實是亮度比值公式:M=(Imax-Imin)/(Imax+Imin) ,原來調制度為M 的正弦光柵,經過鏡頭到達像平面的像的調制度為M ’,則MTF=M’/M

                                                                                                                                                                                                                 

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