‧ 監控攝影機「影像解析度」和「解析度」有何不同？

來源:慧聰安防網

慧聰安防網訊   感應器與成像系統對影像細節的分辨能力，可以用解析度表示。它們都是衡量感應器設備與系統優劣的重要參數，但含意不盡相同，雖然兩者互有相關，但又有所區別。攝影機的解析度，是指當攝影機攝取等間隔排列的黑白相間條紋時，在監視系統上能夠看到的最多線數，當超過此線數時，螢幕上就只會呈現灰濛濛影像，而不再能分辨出黑白相間的線條。

　　因此，解析度參數的正確與否，對於是否能夠呈現清晰影像特別重要。通常攝影機對於解析度在鏡頭的解析度與影像訊號頻寬（6MHz）的要求，主要取決於影像感測器的畫素。本文列出根據畫素計算攝影機解析度的公式，對低解析度500×582畫素的攝影機，說明其解析度不可能為420TVL。以下介紹解析度與解析度的定義，以及常用的解析度的標記法、攝影鏡頭與攝影機解析度的計算公式。

　　光學系統的解析度解析度與解析度概念不同，不可混為一談。解析度的定義為：將光學系統剛好能分辨兩物體之間的最小間隔，稱為光學系統的解析度，而不是解析度。依照幾何光學理想成像的定義，由同一物點發出的光線，通過光學系統以後應全部交集於相同點。然而在實際成像中，通常得到是具有一定面積的光線亮面。因為光實際上也是一種電磁波，通過光學系統中限制光束口徑的光圈成像。根據物理光學中圓孔衍射原理可知，成像光線亮面的中心集中全部80%以上的全部能量，其中第一亮環的最大強度不到中心亮斑最大強度的2%。其成像光線亮面中各環能量分佈詳見圖一。

▲（圖一）成像光線亮面中各環能量的分

中心亮斑的直徑可由下式表示：

　　公式中，λ為光的波長；n為像空間介質折射率；U′max為像方孔徑角。由於成像有一定的大小，故將兩個成像間所能分辨的最小間隔，稱為理想光學系統的解析度。根據實驗證明，兩個像點間能夠分辨的最短距離，約等於中央亮斑的半徑R（詳見圖二）。

▲（圖二） 兩個像點間的最短距離=R

由公式（1）得到

式（2）即為理想光學系統的衍射解析度公式。

　　因此，解析度定義為：剛好能分辨的兩物體之間的最小間隔。而且，解析度的單位為mm、μm或nm。解析度的標記法解析度是攝影設備最重要的參數，一般有兩種標記法。極限解析度極限解析度的定義為，在固定的測試條件下，當以一定性質的解析度辨識卡（有100%對比度的專門測試卡）投射到CCD光感應面，在輸出端觀察到的最小空間頻率，即用眼睛分辨的最細黑白條紋對數，就是該設備的極限解析度。

解析度通常用黑白條紋對數（單位為線對／mm）或每幀掃描行數，修改成掃描行數（單位為TVL）表示。

　　 攝影機的清晰度大多採用TVL數表示，而這兩種極限解析度的單位，具有確定的換算關係。由於，它們的單位與解析度的單位並不相同。從解析度的單位為線對／mm時，與解析度互為倒數的關係。即解析度是能分辨兩條線之間的最小間隔。

　　但是，該極限解析度的表示方法雖有專門的測試卡，測量上相當方便，但並不客觀。其主要原因：1.視覺感覺因人而異，觀測值帶有主觀性。2.測試卡的對比度、幾何尺寸以及觀測時的照度相異，觀測的結果也會不同。如果影像對比度低於30%時，觀測的解析度值就會明顯下降。3.觀測的解析度值是系統的總體特性，而不能分攤到各個零元件上。為此，目前國際上均採用調製傳遞函數（MTF）來表示解析度。

　　所謂調製傳遞函數，即輸出調製度Mout與輸入調製度Min。即另外，調製傳遞函數是調製度與空間頻率的關係。當輸入正弦光波（即確定空間頻率的物像投射在CCD上）時，CCD的輸出也將是隨時間變化的一種正弦波，設波峰為A、波谷為B，則可得調製度即

　　通常用零空間頻率下的值進行歸一化，得到無量綱量即調製傳遞函數MTF。並且，MTF隨空間頻率的增高而減小。由於MTF表示的是轉移過程前後調製度M的比值，它與影像的形狀、尺寸、對比度、照度等無關，是客觀而科學的方式。而且由於MTF是正弦波空間頻率振幅的回應。

　　在給定的空間頻率下，整個系統的MTF等於系統各部分MTF的乘積。即值得提出的是，有時還用對比傳遞函數（CTF）來評價解析度。所謂對比傳遞函數就是方波空間頻率振幅的回應。同MTF一樣，CTF也隨空間頻率的增高而減小。但是CTF不能依照各部分的乘積來評價，可是方波的振幅回應容易測量，故經常被採用。

　　攝影鏡頭的解析度攝影物鏡即通常所說的攝影鏡頭作用，是將外界物體成像在CCD感光面上，其解析度一般以像平面上每毫米內能分辨開的線條數N表示。一般，攝影物鏡類似為對無限遠物體成像，有將（6）代入式（2）所示的理想衍射解析度公式中，可得到

　　當n′=1時，由於F= f′／D，則R=1.22λF。根據公式（7），若以每毫米能夠分辨的線條數N，來表示光學系統的解析度，則有

　　因此，式（7）攝影物鏡的解析度公式。由此也可看出，解析度(N)與解析度(R)的區別，它們是互為倒數的關係。由（7）式可見，攝影物鏡的F數越小，則光學系統的解析度就越高。攝影機的解析度解析度有時也稱清晰度，對CCD攝影機來說，則應有垂直方向清晰度和水準方向的清晰度，兩者的比值也可稱為清晰度比。

　　以下分別介紹攝影機的垂直與水準清晰度：垂直清晰度由於水準掃描線之間是離散，所以兩條相鄰的水準掃描線之間一定會丟失部分細節，也就是說對與掃描線相同的黑白水準線攝影時，掃描線與黑白水準線正好重合的概率不等於一。一般，約有30%的細節會丟失。

　　所以認為，垂直清晰度RV等於有效掃描行數n乘以經驗值0.7（即70%），即所以，對6 2 5條的掃描制式來說，實際有效的清晰度為575×0.7=402TVL；對525行的掃描規格來說，其垂直清晰度為490×0.7=343TVL。因此垂直清晰度對同一電視規格來說基本上是固定。水準清晰度由於垂直清晰度對相同電視規格來說，基本上是固定的，因此攝影機的清晰度主要是看水準清晰度。

　　這個水準清晰度是與畫面高度相等的黑白相間的垂直平行線，當作被攝物時，水準方向上所能夠再現的線數。而黑白條圖形都是一定頻率的方波訊號，所以根據行掃描速度和傳送頻寬也可確定水準清晰度的值。水準清晰度用RH表示，如果一條掃描線上能夠再現m個畫素，則可用下式來表示水準清晰度：式中，m為水準方向的畫素，V是畫面的垂直高度，H為水準長度，V／H也叫做光柵高寬比。

　　一般V／H=3／4=0.75，所以（10）式可寫成（11）式即為黑白攝影機的清晰度公式。但現實上因為光學因素會低於這個理論值，如為抑制因條紋圖案接近間距發生的水波紋，所使用的光學低通濾波器及鏡頭的解析度等。對單板彩色CCD攝影機，因彩色濾光片效果，其解析度低於相同畫素的黑白攝影機，其清晰度的表示式為（12）式中，α為因彩色濾光片排列所改變的經驗值：對原色直線排列條紋濾光片，α＝0.53～0.57；對補色方塊色差線順序濾光片，α＝0.8～0.85。彩色CCD攝影機多使用後者。

　　因此，對畫素為500（H）×582（V）的低解析攝影機來說，其黑白機的水準清晰度RH = 0.75×500 = 375TVL。對解析度無特殊優化處理等功能的攝影機來說，畫素不可能有420TVL，至於彩色攝影機就更不可能稱420TVL，而最好也只能是375×0.83＝310TVL。

　　至於752（H）× 582（V）的高解攝影機，黑白機的水準清晰度為0.75×752＝564TVL，不可能為600TVL，而彩色機也只是450～468TVL。結語由上述可知，解析度與解析度是衡量感應器與成像系統優劣的最重要參數，它們兩者互為倒數，絕不能混為一談。常用解析度，多以極限解析度表示。尤其是攝影機清晰度的表示式，無論攝影機說明書上清晰度的指標定得有多高，只要按公式進行計算，就可得到準確解析度，再據此選擇影像監控系統的設備即可。為避免攝影機廠商不實標示TVL畫數，建議攝影機說明書上的解析度，僅標示畫素為只標示如752（H）×582（V）即可。