關(guān)于鏡頭解像力相關(guān)技術(shù)問(wèn)題的研究

首先需要說(shuō)明的是：對于鏡頭本身而言，其實(shí)并沒(méi)有所謂像素的概念。鏡頭出廠(chǎng)時(shí)，廠(chǎng)家一般均會(huì )采用“鏡頭檢檢測投影儀”這種設備，對鏡頭的解像力進(jìn)行檢測。鏡頭檢測投影儀所體現的解像力指標，是以lp/mm來(lái)表示，即每毫米可以解析的線(xiàn)對數(linepair)，該指標與除了鏡頭外的其他成像單元無(wú)關(guān)。如下圖所示：

鏡頭檢測投影

但一般鏡頭廠(chǎng)家在規格書(shū)中都不會(huì )明確標明這個(gè)指標，而是換以更直觀(guān)的1MP、2MP或3MP這樣的標識，因為lp/mm這個(gè)指標過(guò)于專(zhuān)業(yè)，一般用戶(hù)可能無(wú)法理解，不如直接標像素來(lái)的直觀(guān)。那么，lp/mm與鏡頭標定的像素與之間是如何對應的呢?從鏡頭廠(chǎng)家那邊了解到，他們一般是以1/2.8"的傳感器作為標的來(lái)進(jìn)行換算的，比如：IMX222。IMX222的像素點(diǎn)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作為標的，可以大致算出鏡頭像素與lp/mm的對應關(guān)系如下：

對于標稱(chēng)是1MP的鏡頭，它對應的分辨率應該為1280x720=921600，這樣就可以大致算出它所對應的lp/mm值為

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

標稱(chēng)為1.3MP的鏡頭，它對應的分辨率應該為1280x960=1228800，它所對應的lp/mm值為

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

標稱(chēng)為2MP的鏡頭，它對應的分辨率應該為1920x1080=2073600，它所對應的lp/mm值為

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

標稱(chēng)為3MP的鏡頭，它的分辨率應該為2048x1536=3145728，它所對應的lp/mm值為

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

標稱(chēng)為5MP的鏡頭，它的分辨率應該為2592x1944=5038848，它所對應的lp/mm值為

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

標稱(chēng)為6MP的鏡頭，它的分辨率應該為3096x2048=6340608，它所對應的lp/mm值為

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

……

通過(guò)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關(guān)系。

二、鏡頭解像力與電視線(xiàn)數的對應關(guān)系

那么鏡頭解像力與攝像機的分辨率以及電視線(xiàn)數之間又有什么關(guān)系呢?要回答這個(gè)問(wèn)題，我們先要明確攝像機的分類(lèi)標準。按照《安防視頻監控攝像機通用技術(shù)要求-征求意見(jiàn)稿-2011.12》中的規定：

攝像機按圖像尺寸不同可分為：

A類(lèi)：標清攝像機，圖像格式水平和垂直像素數兩項均小于等于768x576

B類(lèi)：準高清攝像機，圖像格式水平和垂直像素數兩項均大于768x576且有一項小于1920×1080

C類(lèi)：高清攝像機，圖像格式水平和垂直像素數兩項均大于等于1920×1080

按圖像尺寸類(lèi)別，攝像機的中心分辨力應滿(mǎn)足：

A類(lèi)：水平分辨力≥400線(xiàn)，垂直分辨力≥380線(xiàn)

B類(lèi)：水平分辨力≥600線(xiàn)，垂直分辨力≥600線(xiàn)

C類(lèi)：水平分辨力≥800線(xiàn)，垂直分辨力≥800線(xiàn)

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(lèi)標準，他們分別屬于B類(lèi)和C類(lèi)產(chǎn)品，那他們的中心分辨力分別需要達到≥600線(xiàn)和≥800線(xiàn)。這里所說(shuō)的線(xiàn)，是指TVLine，該指標是從電視領(lǐng)域沿用下來(lái)的，是指畫(huà)面在某一方向上可以解析的線(xiàn)條數，該指標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(diǎn)尺寸

其中x2的原因是lp/mm指每毫米的線(xiàn)對數，黑白算一對，而TVLine黑白算兩條線(xiàn)，之所以要乘以傳感器的高度而不是寬度，是因為該指標是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(diǎn)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(xiàn)數之間的對應關(guān)系。

三、相關(guān)計算

下面我們通過(guò)定量的計算，來(lái)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(diǎn)尺寸為3.75um，如下圖所示:

鏡頭檢測投影

如果按照B類(lèi)產(chǎn)品的要求，最終要達到600線(xiàn)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(xiàn)的分辨率。

當然，并不是說(shuō)鏡頭的解像力越高，最終攝像機呈現的電視線(xiàn)數就可以越高，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，它所呈現的每條線(xiàn)的寬度為

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

也就是說(shuō)傳感器像素點(diǎn)的尺寸不能大于6um，這樣才能完全分辨出鏡頭所呈現的分辨率，而MT9M034的像素點(diǎn)大小為3.75um，所以配該鏡頭沒(méi)有問(wèn)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(shuō)，對于MT9M034，即使配解像力再高的鏡頭也無(wú)法再提高整體分辨率了。

下面我們再來(lái)計算一下幾個(gè)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(mǎn)足IMX185的133lp/mm的最大解像力要求，而3MP的鏡頭也可以滿(mǎn)足IMX178最高200lp/mm的解像力要求，其實(shí)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(chǎng)家都是以中心解像力來(lái)標定鏡頭的像素的，邊緣解像力一般只能達到中心的60%左右，這樣算下來(lái)，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(lái)說(shuō)，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(lái)算，水平分辨率應為4133，總體像素為9609225，也就是將近10MP的鏡頭才能達到這個(gè)標準，但這個(gè)級別的鏡頭價(jià)格也是相當可觀(guān)的?？紤]到成本，我們一般還是會(huì )采用6MP的鏡頭來(lái)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(xiàn)

五、結語(yǔ)

通過(guò)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(xiàn)數之間的關(guān)系，并根據這種關(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(xiàn)數，從而為攝像機設計和鏡頭選型提供理論上的指導。