關(guān)于鏡頭解像力相關(guān)技術(shù)問題的研究

首先需要說明的是：對于鏡頭本身而言，其實并沒有所謂像素的概念。鏡頭出廠時，廠家一般均會采用“鏡頭檢檢測投影儀”這種設(shè)備，對鏡頭的解像力進行檢測。鏡頭檢測投影儀所體現(xiàn)的解像力指標(biāo)，是以lp/mm來表示，即每毫米可以解析的線對數(shù)(linepair)，該指標(biāo)與除了鏡頭外的其他成像單元無關(guān)。如下圖所示：

鏡頭檢測投影

但一般鏡頭廠家在規(guī)格書中都不會明確標(biāo)明這個指標(biāo)，而是換以更直觀的1MP、2MP或3MP這樣的標(biāo)識，因為lp/mm這個指標(biāo)過于專業(yè)，一般用戶可能無法理解，不如直接標(biāo)像素來的直觀。那么，lp/mm與鏡頭標(biāo)定的像素與之間是如何對應(yīng)的呢?從鏡頭廠家那邊了解到，他們一般是以1/2.8"的傳感器作為標(biāo)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

1920x2.8um=5.376mm，1200x2.8um=3.36mm

我們以IMX222作為標(biāo)的，可以大致算出鏡頭像素與lp/mm的對應(yīng)關(guān)系如下：

對于標(biāo)稱是1MP的鏡頭，它對應(yīng)的分辨率應(yīng)該為1280x720=921600，這樣就可以大致算出它所對應(yīng)的lp/mm值為

720/(2x3.36mm)=107lp/mm

標(biāo)稱為1.3MP的鏡頭，它對應(yīng)的分辨率應(yīng)該為1280x960=1228800，它所對應(yīng)的lp/mm值為

960/(2x3.36mm)=143lp/mm

標(biāo)稱為2MP的鏡頭，它對應(yīng)的分辨率應(yīng)該為1920x1080=2073600，它所對應(yīng)的lp/mm值為

1080/(2x3.36mm)=160lp/mm

標(biāo)稱為3MP的鏡頭，它的分辨率應(yīng)該為2048x1536=3145728，它所對應(yīng)的lp/mm值為

1536/(2x3.36mm)=228lp/mm

標(biāo)稱為5MP的鏡頭，它的分辨率應(yīng)該為2592x1944=5038848，它所對應(yīng)的lp/mm值為

1944/(2x3.36mm)=289lp/mm

標(biāo)稱為6MP的鏡頭，它的分辨率應(yīng)該為3096x2048=6340608，它所對應(yīng)的lp/mm值為

2048/(2x3.36mm)=304lp/mm

……

通過上面的定量計算，我們就可以大致了解鏡頭像素與解像力之間的對應(yīng)關(guān)系。

二、鏡頭解像力與電視線數(shù)的對應(yīng)關(guān)系

那么鏡頭解像力與攝像機的分辨率以及電視線數(shù)之間又有什么關(guān)系呢?要回答這個問題，我們先要明確攝像機的分類標(biāo)準(zhǔn)。按照《安防視頻監(jiān)控攝像機通用技術(shù)要求-征求意見稿-2011.12》中的規(guī)定：

攝像機按圖像尺寸不同可分為：

A類：標(biāo)清攝像機，圖像格式水平和垂直像素數(shù)兩項均小于等于768x576

B類：準(zhǔn)高清攝像機，圖像格式水平和垂直像素數(shù)兩項均大于768x576且有一項小于1920×1080

C類：高清攝像機，圖像格式水平和垂直像素數(shù)兩項均大于等于1920×1080

按圖像尺寸類別，攝像機的中心分辨力應(yīng)滿足：

A類：水平分辨力≥400線，垂直分辨力≥380線

B類：水平分辨力≥600線，垂直分辨力≥600線

C類：水平分辨力≥800線，垂直分辨力≥800線

目前比較常用的兩種高清攝像機的分辨率分別是1280x720(1MP)和1920x1080(2MP)，按照攝像機分類標(biāo)準(zhǔn)，他們分別屬于B類和C類產(chǎn)品，那他們的中心分辨力分別需要達到≥600線和≥800線。這里所說的線，是指TVLine，該指標(biāo)是從電視領(lǐng)域沿用下來的，是指畫面在某一方向上可以解析的線條數(shù)，該指標(biāo)不僅跟鏡頭解像力有關(guān)系，還跟傳感器的分辨率有關(guān)。TVLine與lp/mm的對應(yīng)關(guān)系如下：

TVLine=lp/mmx2x傳感器的靶面高度=lp/mmx2x傳感器垂直分辨率x像素點尺寸

其中x2的原因是lp/mm指每毫米的線對數(shù)，黑白算一對，而TVLine黑白算兩條線，之所以要乘以傳感器的高度而不是寬度，是因為該指標(biāo)是TV行(Line)而不是列(Column)。傳感器的靶面高度又可以由傳感器的垂直分辨率與像素點尺寸相乘得到，這樣我們就可以得到鏡頭解像力與圖像分辨率以及電視線數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系。

三、相關(guān)計算

下面我們通過定量的計算，來驗證一下。以MT9M034為例，該傳感器的靶面高度為3.6mm，最大分辨率為1280x960，像素點尺寸為3.75um，如下圖所示:

鏡頭檢測投影

如果按照B類產(chǎn)品的要求，最終要達到600線的分辨率，按照TVLine與lp/mm的換算公式可以算出，

lp/mm=TVLine/(2x傳感器的高度)=600/(2x3.6mm)=83lp/mm

因此，鏡頭的解像力至少要達到83lp/mm以上，該傳感器在理論上才能達到600線的分辨率。

當(dāng)然，并不是說鏡頭的解像力越高，最終攝像機呈現(xiàn)的電視線數(shù)就可以越高，這還與傳感器本身的分辨率有關(guān)。還是以剛才分辨率是83lp/mm的鏡頭為例，它所呈現(xiàn)的每條線的寬度為

w=1/(2x83lp/mm)=6um

也就是說傳感器像素點的尺寸不能大于6um，這樣才能完全分辨出鏡頭所呈現(xiàn)的分辨率，而MT9M034的像素點大小為3.75um，所以配該鏡頭沒有問題。同理，我們還可以算出MT9M034最高可以配的鏡頭解像力為

1/0.00375mm/2=133lp/mm

也就是說，對于MT9M034，即使配解像力再高的鏡頭也無法再提高整體分辨率了。

下面我們再來計算一下幾個常用傳感器所支持的鏡頭最高解像力。

1、IMX222，該傳感器的像素點尺寸為2.8um，那么它所支持的鏡頭最高解像力為：

1/0.0028mm/2=179lp/mm

2、IMX185，該傳感器的像素點尺寸為3.75um，和MT9M034相同，這樣理論上它所支持的鏡頭最高解像力同樣也是133lp/mm。

3、IMX178，該傳感器的像素點尺寸為2.4um，那么它所支持的鏡頭最高解像力為：

1/0.0024mm/2=208lp/mm

四、鏡頭解像力的選擇

從上面的計算可以看到，貌似1.3MP的鏡頭就可以滿足IMX185的133lp/mm的最大解像力要求，而3MP的鏡頭也可以滿足IMX178最高200lp/mm的解像力要求，其實不盡然。因為一般鏡頭都是中心解像力最高，越往邊緣解像力越低。比如一款1MP的鏡頭，它的中心解像力可以達到125lp/mm，而邊緣的解像力只能達到80lp/mm，而一般鏡頭廠家都是以中心解像力來標(biāo)定鏡頭的像素的，邊緣解像力一般只能達到中心的60%左右，這樣算下來，對于IMX185，要保證邊緣解像力能達到133lp/mm，那么鏡頭中心解像力就要達到

133lp/mm/0.6=221lp/mm

也就是至少需要選用3MP的鏡頭才能保證圖像邊緣的清晰度。

同理，對于IMX178來說，如果鏡頭要保證邊緣能達到208lp/mm的解像力，那么中心解像力就要達到

208lp/mm/0.6=346lp/mm

換算成像素就是

346lp/mmx2x3.36mm=2325

也就是垂直分辨率要能達到2325，如果按16:9的圖像來算，水平分辨率應(yīng)為4133，總體像素為9609225，也就是將近10MP的鏡頭才能達到這個標(biāo)準(zhǔn)，但這個級別的鏡頭價格也是相當(dāng)可觀的?？紤]到成本，我們一般還是會采用6MP的鏡頭來配IMX178，這樣它的邊緣分辨率理論上只能達到

TVLine=304lp/mmx0.6x2x2048x0.0024mm=1793線

五、結(jié)語

通過上面的定量計算，我們能夠更好地理解高清鏡頭解像力與像素以及電視線數(shù)之間的關(guān)系，并根據(jù)這種關(guān)系可以推算出不同傳感器需要配多高解像力的鏡頭，或者推算出在鏡頭解像力一定的情況下攝像機所能達到的最高線數(shù)，從而為攝像機設(shè)計和鏡頭選型提供理論上的指導(dǎo)。