‧ 關於鏡頭解析度相關問題的研究

來源:CPS中安網 作者:肖斌

隨著影像監控領域向高清化發展，監控鏡頭也隨之向高清化發展，出現了所謂的高清鏡頭，但對於高清鏡頭，市場上並沒有明確的定義，廠家也通常會混淆一些概念。

本文從根本上論述了鏡頭像素、解析度、圖像解析度、電視線數(TVL)，以及它們之間的相互關係，可以為攝影機設計，以及鏡頭搭配提供理論上的指引。

一、鏡頭解析度與像素的對應關係
首先需要說明的是：對於鏡頭本身而言，並沒有所謂像素的概念。鏡頭出廠時，廠家一般均會採用“鏡頭檢測投影儀”這種設備，對鏡頭的解像力進行檢測。鏡頭檢測投影儀所體現的解析度指標，是以lp/mm來表示，即每毫米可以解析的線對數(line pair)，該指標與除了鏡頭外的其他成像單元無關。如下圖所示：

圖1 鏡頭檢測投影

但一般鏡頭廠家在規格書中，都不會明確標明這個指標，而是換以更直接的1MP、2MP或3MP這樣的標識，因為lp/mm這個指標過於專業，一般用戶可能無法理解，不如直接標像素來的直接。那麼，lp/mm與鏡頭標定的像素與之間是如何對應的呢?

從鏡頭廠家那邊瞭解到，他們一般是以1/2.8"的感測器作為標的來進行換算的，比如：IMX222。IMX222的像素點尺寸為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

1920 x 2.8um = 5.376mm，1200 x 2.8um = 3.36mm

我們以IMX222作為標的，可以大致算出鏡頭像素與lp/mm的對應關係如下：

　　

對於標稱是1MP的鏡頭，它對應的解析度應該為1280x720=921600，這樣就可以大致算出它所對應的lp/mm值為

720 / (2 x 3.36mm) = 107 lp/mm

標稱為1.3MP的鏡頭，它對應的解析度應該為1280x960=1228800，它所對應的lp/mm值為 960 / (2 x 3.36mm) = 143 lp/mm

　　

標稱為2MP的鏡頭，它對應的解析度應該為1920x1080=2073600，它所對應的lp/mm值為1080 / (2 x 3.36mm) = 160 lp/mm

標稱為3MP的鏡頭，它的解析度應該為2048x1536=3145728，

它所對應的lp/mm值為1536 / (2 x 3.36mm) = 228 lp/mm

標稱為5MP的鏡頭，它的解析度應該為2592x1944=5038848，

它所對應的lp/mm值為1944 / (2 x 3.36mm) = 289 lp/mm

標稱為6MP的鏡頭，它的解析度應該為3096x2048=6340608，它所對應的lp/mm值為2048/ (2 x 3.36mm) = 304 lp/mm

　　……

通過上面的定量計算，我們就可以大致瞭解鏡頭像素與解析度之間的對應關係。

二、鏡頭解析度與電視線數(TVL)的對應關係

那麼鏡頭解析度與攝影機的解析度，以及電視線數之間又有什麼關係呢?要回答這個問題，我們先要明確攝影機的分類標準。

攝影機按圖像尺寸不同可分為：

A 類：標清攝影機，圖像格式水準和垂直像素數兩項均小於等於768x576

B 類：準高清攝影機 ，圖像格式水準和垂直像素數兩項均大於768x576且有一項小於1920×1080

C 類：高清攝影機 ，圖像格式水準和垂直像素數兩項均大於等於1920×1080

　　

按圖像尺寸類別，攝影機的中心分辨力應滿足：

A 類：水準分辨力≥400 線，垂直分辨力≥380 線

B 類：水準分辨力≥600 線，垂直分辨力≥600 線

C 類：水準分辨力≥800線，垂直分辨力≥800線

　　

目前比較常用的兩種高清攝影機的解析度分別是1280x720(1MP)和1920x1080(2MP)，按照攝影機分類標準，他們分別屬於B類和C類產品，那他們的中心分辨力分別需要達到≥600 線和≥800線。

這裡所說的線，是指TV Line，該指標是從電視領域沿用下來的，是指畫面在某一方向上可以解析的線條數，該指標不僅跟鏡頭解度有關係，還跟感測器的解析度有關。TV Line與lp/mm的對應關係如下：

　　

TV Line = lp/mm x 2 x 感測器的靶面高度 = lp/mm x 2 x 感測器垂直解析度 x 像素點尺寸

　　

其中x2的原因是lp/mm指每毫米的線對數，黑白算一對，而TV Line黑白算兩條線，之所以要乘以感測器的高度而不是寬度，是因為該指標是TV行(Line)而不是列(Column)。

感測器的靶面高度，又可以由感測器的垂直解析度，與像素點尺寸相乘得到，這樣我們就可以得到鏡頭解析度與圖像解析度，以及電視線數之間的對應關係。

　　

三、相關計算

下面我們通過定量的計算，來驗證一下。以Aptina MT9M034為例，該感測器的靶面高度為3.6mm，最大解析度為1280x960，像素點尺寸為3.75um，如下圖所示：

圖2 MT9M034實體尺寸