鏡頭分辨率對(duì)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(kāi)的黑白相間的線條對(duì)數(shù)，單位是“線對(duì)/毫米”(lp/mm，line-pairs/mm)。

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

　　目前百萬(wàn)像素高清工業(yè)相機(jī)已越來(lái)越多地應(yīng)用于各個(gè)工業(yè)檢測(cè)領(lǐng)域，有1百萬(wàn)像素相機(jī)、2百萬(wàn)像素相機(jī)、5百萬(wàn)像素相機(jī)甚至上千萬(wàn)像素相機(jī)等等。攝像機(jī)的像素高是圖像清晰的一個(gè)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(jī)的能力得以體現(xiàn)。

　　下面我們來(lái)探討這個(gè)問(wèn)題。首先，我們來(lái)看看不同分辨率的鏡頭配合同樣分辨率的高清相機(jī)，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(tái)高分辨率CCD相機(jī)，拍攝時(shí)，相機(jī)參數(shù)設(shè)置及外界拍攝條件(如光照條件、拍攝視場(chǎng)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(wàn)像素的鏡頭，而圖2我們選用了5百萬(wàn)像素的鏡頭。

　　兩張圖片我們都截取了一個(gè)同樣大小的視場(chǎng)，圖片左測(cè)對(duì)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(duì)應(yīng)的則是全圖的中心圖像。從兩張圖片的對(duì)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(méi)有對(duì)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(duì)焦清晰的，而圖2中，B’區(qū)域圖像和A’區(qū)域圖像幾乎無(wú)差，都十分清晰。由此我們可以看出，鏡頭分辨率的不同對(duì)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(jī)不能很好匹配的鏡頭在中心視場(chǎng)和邊緣視場(chǎng)的分辨率差距是非常大的，盡管中心視場(chǎng)可以勉強(qiáng)成像清晰，可是邊緣視場(chǎng)的模糊圖像也是絕對(duì)會(huì)影響整幅圖片的圖像效果的，這將給后期的圖像處理帶來(lái)不可預(yù)估的麻煩。

　　那么，高清相機(jī)到底應(yīng)該怎么選擇合適的鏡頭呢?

　　我們知道，一個(gè)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(gè)空間采樣點(diǎn)。這個(gè)可以這樣來(lái)理解，1mm內(nèi)有N條黑白線對(duì)，那么就有N條白線和N條黑線總共2N條線。以想機(jī)的一個(gè)感光元對(duì)應(yīng)以一條白線或黑線，那么攝像機(jī)在1mm內(nèi)需要有2N個(gè)感光元來(lái)對(duì)應(yīng)N條白線和N條黑線，攝像機(jī)的感光元密度就是 2N/mm。這時(shí)攝像機(jī)感光元件的分辨率和鏡頭的分辨率正好匹配，誰(shuí)都沒(méi)有浪費(fèi)。同樣如果一個(gè)攝像機(jī)每毫米的像素密度是M點(diǎn)(pixel/mm)，那么應(yīng)該選擇一個(gè)分辨率是M/2 lp/mm的鏡頭。

　　下面我們舉一個(gè)例子：有一個(gè)2百萬(wàn)像素?cái)z像機(jī)，像素?cái)?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(gè)2百萬(wàn)像素?cái)z像機(jī)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(guò)上面例子我們還看到，一個(gè)標(biāo)為1/2吋的2百萬(wàn)像素鏡頭不適合于1/3吋的2百萬(wàn)像素感光面，這一點(diǎn)要有所區(qū)別和重視。1/2吋的2百萬(wàn)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(duì)，對(duì)應(yīng)了1200像元，在垂直方向有125×3.6=450線對(duì)，對(duì)應(yīng)了900像元，1200×900=1080000差不多是一百一十萬(wàn)像素。所以把一個(gè)標(biāo)為1/2吋的2百萬(wàn)像素鏡頭用于1/3吋的感光面時(shí)只能適合一百萬(wàn)像素的感光面，或者說(shuō)只能當(dāng)1百萬(wàn)像素鏡頭用。所以光講百萬(wàn)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(duì)鏡頭分辨率的描述還是lp/mm比較準(zhǔn)確。

　　有時(shí)工業(yè)相機(jī)的指標(biāo)會(huì)給出感光像元的尺寸L(mm)，那么所對(duì)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(duì)應(yīng)的一條線對(duì)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(gè)攝像機(jī)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(duì)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。