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漫談CCD攝像機(jī)鏡頭的分辨率問題

閱讀：3061發(fā)布時(shí)間：2012-6-6

　　對(duì)攝像機(jī)有了解的人都知道，鏡頭的好壞是直接決定攝像機(jī)好壞的一個(gè)因素，分辨率是衡量成像器件與成像系統(tǒng)優(yōu)劣的一個(gè)重要參數(shù)。
　　
　　一般，固體攝像機(jī)的分辨率在鏡頭的分辨率與視頻信號(hào)帶寬（6MHz）保證的前提下，主要取決于圖像傳感器的像素?cái)?shù)，但目前市場上對(duì)CCD攝像機(jī)的分辨率沒有規(guī)范，說法不一，普遍報(bào)高，尤其對(duì)低解析度500×582象素的攝像機(jī)，若該攝像機(jī)的分辨率沒有特殊的優(yōu)化處理，其黑白的水平清晰度只能zui高報(bào)到380TVL,但大多報(bào)到420TVL（甚至連彩色的也是），因此有必要統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，統(tǒng)一規(guī)范。下面就簡要敘述一下分辨率的含義、表示法以及CCD攝像機(jī)（含其他固體攝像機(jī)，如CMOS攝像機(jī)）的常用分辨率的測試及一般計(jì)算公式，zui后談?wù)勎覀兊慕ㄗh。
　　
　　分辨率的表示法
　　
　　分辨率是攝像器件zui重要的一個(gè)參數(shù)，因?yàn)樗侵笖z像器件對(duì)物像中明暗細(xì)節(jié)的分辨能力。分辨率一般有兩種表示法。
　　
　?。?）極限分辨率
　　
　　極限分辨率是在一定的測試條件之下定義的。當(dāng)以一定性質(zhì)的鑒別率圖案（有100%對(duì)比度的專門的測試卡）投射到CCD光敏面時(shí)，在輸出端觀察到的zui小空間頻率（即用眼睛分辨的zui細(xì)黑白條紋對(duì)數(shù)）就是該器件的極限分辨率。分辨率通常用每毫米黑白條紋對(duì)數(shù)（單位為線對(duì)/mm）或每幀高電視行數(shù)（單位為TVL）。攝像機(jī)指的清晰度多是用的TVL數(shù)。兩種極限分辨率單位具有確定的換算關(guān)系。
　　
　　CCD是離散采樣器件，根據(jù)奈奎斯特采樣定理，一個(gè)攝像器件能夠分辨的zui高空間頻率等于它的空間采樣頻率的一半，這個(gè)頻率稱為奈奎斯特極限頻率。如果某一方向上的象元間距為α，則該方向上的空間采樣頻率為1/α（線對(duì)/mm），它可以分辨的zui大空間頻率為設(shè)線陣CCD象敏器光敏區(qū)的總長度為L，用L乘（1）式兩端，可以得到CCD象敏器的zui大分辨率為式中，N為CCD象敏器的位數(shù)。對(duì)2048位線陣CCD象敏器，其N=2048，故得即2048位線陣CCD，zui多可分辨1024對(duì)線。
　　
　　CCD用極限TVL來表示更簡單，即在某一方向的象元素就是極限TVL數(shù)。顯然TVL數(shù)的一半與CCD光敏面的高度尺寸的比值，就是相對(duì)應(yīng)的每毫米線對(duì)數(shù)（線對(duì)/mm）。所以，CCD的象數(shù)越高，其分辨率也越高。
　　
　　極限分辨率的表示方法雖有專門的測試卡測量而使用方便，但不客觀科學(xué)。其原因是因?yàn)椋?br />　　
　　①每個(gè)人的視覺不一樣，觀測值帶有主觀性；
　　
　?、跍y試卡的對(duì)比度與幾何尺寸以及觀測時(shí)的照度不一樣，觀測的結(jié)果也會(huì)有不同。如當(dāng)被攝圖像對(duì)比度低于30%時(shí)，觀測的分辨率值就會(huì)明顯下降；
　　
　?、塾^測的分辨率值是系統(tǒng)的總體特性，而不能分?jǐn)偟礁鱾€(gè)部件上。
　　
　　為此，目前上一般均采用調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）來表示分辨率。
　　
　　（2）調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）
　　
　　所謂調(diào)制傳遞函數(shù)，即輸出調(diào)制度Mout與輸入調(diào)制度Min之比。即或者說調(diào)制傳遞函數(shù)是調(diào)制度與空間頻率的關(guān)系。如圖1所示。當(dāng)輸入正弦光波（即一個(gè)確定的空間頻率的物象投射在CCD上）時(shí)（1a），CCD的輸出也將是隨時(shí)間變化的一種正弦波（1b），設(shè)波峰為A，波谷為B，則可得調(diào)制度為在調(diào)制恒定的條件下可以畫出調(diào)制深度與空間頻率的關(guān)系曲線，如圖1c所示，通常用零空間頻率下的值進(jìn)行歸一化，得到無量綱量即調(diào)制傳遞函數(shù)MTF。由圖1C可知，MTF隨空間頻率的增高而減小。
　　
　　由上可知，由于MTF表示的是轉(zhuǎn)移過程前后調(diào)制度M的比值，它與圖像的形狀、尺寸、對(duì)比度、照度等無關(guān)，因此是客觀的科學(xué)的。而且由于MTF是正弦波空間頻率振幅的響應(yīng)。在給定的空間頻率下，整個(gè)系統(tǒng)的MTF等于系統(tǒng)各部分MTF的乘積。即
　　
　　MTF總=MTF1·MTF2……MTFn
　　
　　（5）值得提出的是，有時(shí)還用對(duì)比傳遞函數(shù)（CTF）來評(píng)價(jià)分辨率。所謂對(duì)比傳遞函數(shù)是方波空間頻率振幅的響應(yīng)。同MTF一樣，CTF也隨空間頻率的增高而減小。CTF不能按各部分乘積來評(píng)價(jià)，但方波振幅響應(yīng)容易測量，所以也常采用。
　　
　　分辨率的測試
　　
　　分辨率的測試通常是用攝像機(jī)去拍攝圖2所示的分辨率測試卡，并通過波形監(jiān)視器來讀取數(shù)據(jù)的。其具體方法如下：
　　
　　①按圖3布置測試環(huán)境。將分辨率測試卡置于標(biāo)準(zhǔn)測試燈光盒上，距攝像機(jī)約3m遠(yuǎn)。攝像機(jī)的視頻輸出端接波形監(jiān)視器，并使波形監(jiān)視器的輸出連至高分辨率黑白監(jiān)視器上。
　　
　?、诰拔镎斩仍O(shè)定為2000lx，光源色溫設(shè)定為3200K。
　　
　?、壅{(diào)節(jié)鏡頭焦距（或選配合適的定焦鏡頭并前后稍稍移動(dòng)攝像機(jī)）使分辨率卡的圖像充滿監(jiān)視器的屏幕，并通過對(duì)焦使圖像zui清晰。
　　
　?、苡眠x行示波器觀察圖2所示的分辨率卡，得到圖4所示的波形。
　　
　?、菡{(diào)節(jié)鏡頭光圈使信號(hào)白電平達(dá)到100%（700mV），則此時(shí)調(diào)制深度剛超過5%的電視線數(shù)即為極限分辨率。
　　
　　分辨率的一般計(jì)算公式
　　
　　分辨率有時(shí)也稱清晰度，對(duì)CCD攝像機(jī)來說，則應(yīng)有垂直方向的清晰度和水平方向的清晰度，兩者的比值可稱為清晰度比。由于垂直清晰度是固定的，所以攝像機(jī)的清晰度主要指水平清晰度。下面分別介紹一下。
　　
　?、俅怪鼻逦?br />　　
　　垂直清晰度是由一幀圖像的掃描行數(shù)決定的。由于在場消隱期間看不到掃描線，對(duì)于我國625行50場的掃描制式來說，畫面的有效掃描行數(shù)約為575行；而對(duì)于美國525行60場的掃描制式來說，畫面的有效掃描行數(shù)約為490行。由于水平掃描線之間是離散的，所以兩條相鄰的水平掃描線之間一定會(huì)丟失部分細(xì)節(jié)（或說對(duì)與掃描線相同的黑白水平線攝像時(shí)，掃描線與黑白水平線正好重合的概率不等于一）。一般，約有30%（凱爾系數(shù)）的細(xì)節(jié)會(huì)丟失。所以認(rèn)為，垂直清晰度RV等于有效掃描行數(shù)n乘以經(jīng)驗(yàn)值0.7（即70%），即
　　
　　RV=0.7n
　　
　?。?）所以，對(duì)625行的掃描制式來說，實(shí)際有效的清晰度為575×0.7=402TVL；對(duì)525行的掃描制式來說，其垂直清晰度為490×0.7=343TVL。因此垂直清晰度對(duì)同一電視制式來說，基本上是固定的。
　　
　?、谒角逦?br />　　
　　水平清晰度是當(dāng)用與畫面高度相等的黑白相間的垂直平行線作被攝物時(shí)，在水平方向上所能夠再現(xiàn)的線數(shù)。而黑白條圖形都是一定頻率的方波信號(hào)，所以根據(jù)行掃描速度和傳送帶寬也可確定水平清晰度的值。
　　
　　水平清晰度用RH表示，如果一條掃描線上能夠再現(xiàn)m個(gè)象素，則可用下式來表示水平清晰度：
　　
　　（7）式中，m為水平方向的象素?cái)?shù)，V是畫面的垂直高度，H為水平長度，V/H也叫做光柵高寬比。一般V/H=3/4=0.75，所以（7）式可寫成
　　
　　RH=0.75m
　　
　?。?）因此，對(duì)象素?cái)?shù)為500（H）×582（V）的攝像機(jī)來說，其水平清晰度RH=0.75×500=375TVL，所以對(duì)分辯率無特殊優(yōu)化處理等功能的一般攝像機(jī)來說，不可能有420TVL（當(dāng)前市場沒有規(guī)范，應(yīng)統(tǒng)一）。
　　
　　在一條掃描線上能夠再現(xiàn)m個(gè)象素時(shí)，所要求信號(hào)的zui大頻率?max可由下式表示：
　　
　　fmax=m/2tntk
　　
　　（9）式中，tn是行掃描時(shí)間（S）；tk是行掃描時(shí)間的有效系數(shù)，其值為o<tk<l。
　　
　　當(dāng)一幀圖像的掃描行數(shù)為n，一秒的幀數(shù)為F幀，且tn=1/nF幀時(shí)，水平清晰度RH還可用下式表示
　　
　　（10）五、一點(diǎn)建議
　　
　　由上述公式不難看出，對(duì)目前安防系統(tǒng)使用的752×582象素的高解析度CCD攝像機(jī)（分辨率無特殊優(yōu)化處理）的水平清晰度為752×0.75=564TVL，因此黑白機(jī)zui多可稱570TVL，彩色機(jī)應(yīng)為470TVL；對(duì)500×582象素的低解析度CCD攝像機(jī)（無特殊優(yōu)化處理）的水平清晰度應(yīng)為500×0.75=375TVL，因此，黑白機(jī)zui多可稱380TVL，而彩色機(jī)則在280TVL至330TVL，根本不可能為420TVL（除非分辯率加有特殊的優(yōu)化處理）。
　　
　　鑒于目前市場上的情況，在攝像機(jī)指標(biāo)一欄不能隨心所欲地亂寫清晰度指標(biāo)。如未注明分辯率有特殊的優(yōu)化處理的攝像機(jī)，分辨率均應(yīng)統(tǒng)一寫成752×582或500×582為好，使人一看就非常清楚了。此建議當(dāng)否，供大家討論。

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