鏡頭分辨率對圖像的影響

　　鏡頭的分辯率是指在成像平面上1毫米間距內(nèi)能分辨開的黑白相間的線條對數(shù)，單位是“線對/毫米”(lp/mm，line-pairs/mm)。

　　之前我們講過，相機分辨率大小對圖像質(zhì)量的影響是很明顯的(可參見文章工業(yè)相機分辨率和圖像的關(guān)系)，那么鏡頭分辨率對圖像又存在哪些影響?我們又該如何選擇適合相機的鏡頭呢?

　　目前百萬像素高清工業(yè)相機已越來越多地應(yīng)用于各個工業(yè)檢測領(lǐng)域，有1百萬像素相機、2百萬像素相機、5百萬像素相機甚至上千萬像素相機等等。攝像機的像素高是圖像清晰的一個方面，另一方面高像素感光元也要配以高分辨率的鏡頭才能使高清相機的能力得以體現(xiàn)。

　　下面我們來探討這個問題。首先，我們來看看不同分辨率的鏡頭配合同樣分辨率的高清相機，在完全相同的拍攝環(huán)境下所得的圖片：

　　上兩圖采用的是公司研發(fā)生產(chǎn)的同一臺高分辨率CCD相機，拍攝時，相機參數(shù)設(shè)置及外界拍攝條件(如光照條件、拍攝視場等)完全一致，唯一不同的只是鏡頭分辨率的不同。圖1我們選擇的是1百萬像素的鏡頭，而圖2我們選用了5百萬像素的鏡頭。

　　兩張圖片我們都截取了一個同樣大小的視場，圖片左測對應(yīng)是全圖的左側(cè)邊緣(全圖右側(cè)邊緣的成像效果與左側(cè)相同，不再贅述)，圖片右側(cè)對應(yīng)的則是全圖的中心圖像。從兩張圖片的對比中我們可以看出，中心區(qū)域的圖像，也就是A區(qū)域和A’區(qū)域的圖像相差不是很明顯，都可以清晰成像。但是，左側(cè)邊緣的圖像，也就是B區(qū)域和B’區(qū)域的圖像效果差距就非常明顯了。圖1中，B區(qū)域的成像非常模糊，好像是沒有對焦清晰的樣子，然而，A區(qū)域很直觀的告訴我們，鏡頭是完全對焦清晰的，而圖2中，B’區(qū)域圖像和A’區(qū)域圖像幾乎無差，都十分清晰。由此我們可以看出，鏡頭分辨率的不同對圖像的清晰度，尤其是圖像邊緣的清晰度有著致命的影響。和高清相機不能很好匹配的鏡頭在中心視場和邊緣視場的分辨率差距是非常大的，盡管中心視場可以勉強成像清晰，可是邊緣視場的模糊圖像也是絕對會影響整幅圖片的圖像效果的，這將給后期的圖像處理帶來不可預(yù)估的麻煩。

　　那么，高清相機到底應(yīng)該怎么選擇合適的鏡頭呢?

　　我們知道，一個鏡頭有它的最高分辨率N lp/mm，那么根據(jù)納奎斯特采樣定理，至少需要配以2N/mm個空間采樣點。這個可以這樣來理解，1mm內(nèi)有N條黑白線對，那么就有N條白線和N條黑線總共2N條線。以想機的一個感光元對應(yīng)以一條白線或黑線，那么攝像機在1mm內(nèi)需要有2N個感光元來對應(yīng)N條白線和N條黑線，攝像機的感光元密度就是 2N/mm。這時攝像機感光元件的分辨率和鏡頭的分辨率正好匹配，誰都沒有浪費。同樣如果一個攝像機每毫米的像素密度是M點(pixel/mm)，那么應(yīng)該選擇一個分辨率是M/2 lp/mm的鏡頭。

　　下面我們舉一個例子：有一個2百萬像素攝像機，像素數(shù)為1600×1200=1920000，感光面尺寸是 1/2吋。我們知道1/2吋的感光面它水平尺寸是6.4mm、垂直尺寸是4.8mm，它的水平像素密度是1600/6.4=250 pixel/mm，垂直像素密度是1200/4.8=250 pixel/mm。在這里水平像素密度和垂直像素密度都是250 pixel/mm(水平像素密度和垂直像素密度一樣，像素是正方形的，如果像素不是正方形的，鏡頭分辨率應(yīng)參考像素密度高的)，所以鏡頭分辨率應(yīng)選125 lp/mm。如果一個2百萬像素攝像機感光面尺寸是 1/3吋，1/3吋的感光面它水平尺寸是4.8mm，垂直尺寸是3.6mm，它的水平像素密度是1600/4.8=333.3 pixel/mm，垂直像素密度是1200/3.6=333.3 pixel/mm，所以鏡頭分辨率應(yīng)選167 lp/mm。

　　通過上面例子我們還看到，一個標(biāo)為1/2吋的2百萬像素鏡頭不適合于1/3吋的2百萬像素感光面，這一點要有所區(qū)別和重視。1/2吋的2百萬像素鏡頭分辨率是125 lp/mm，去用于1/3吋的4.8mm×3.6mm感光像面，在水平方向有125×4.8=600線對，對應(yīng)了1200像元，在垂直方向有125×3.6=450線對，對應(yīng)了900像元，1200×900=1080000差不多是一百一十萬像素。所以把一個標(biāo)為1/2吋的2百萬像素鏡頭用于1/3吋的感光面時只能適合一百萬像素的感光面，或者說只能當(dāng)1百萬像素鏡頭用。所以光講百萬像素鏡頭，不講適用感光元件的尺寸可能信息并不完全，因此對鏡頭分辨率的描述還是lp/mm比較準(zhǔn)確。

　　有時工業(yè)相機的指標(biāo)會給出感光像元的尺寸L(mm)，那么所對應(yīng)鏡頭分辨率的黑白線寬應(yīng)該都是L(mm)，所以黑白兩條線對應(yīng)的一條線對的寬度是2L (mm)，那么其倒數(shù)1/(2L)(lp/mm)就是鏡頭的分辨率。比如一個攝像機標(biāo)出感光元的尺寸是4um，那么所選鏡頭的極限分辨率線寬(白線或黑線)也應(yīng)該是4um，一對黑線白線的寬度2×0.004 mm，鏡頭的分辨率就是1/(2×0.004)=125 lp/mm。