镜头分辨率對圖像(xiang)的影響(xiang)
镜头的分辯率(lv)是指在成(cheng)像平面上1毫米間距内能分辨開的黑(hei)白相間的線条對数(shu)，單位是“線對/毫米”(lp/mm，line-pairs/mm)。
之前(qian)我們講過，相機分辨率大小對圖像質(zhi)量的影響是(shi)很明顯的(可參见文章工業相(xiang)機分辨率和圖像的關(guan)系)，那麼镜头分辨(bian)率對(dui)圖像又存在哪些影響?我(wo)們又该如何選擇適合相機的(de)镜头呢?
目前百萬像素高清工業相機已越來越多地(di)應用於各個工業檢測(ce)领域，有1百萬像(xiang)素相(xiang)機、2百萬像(xiang)素相(xiang)機、5百萬像素相機甚至上千萬像素相機等等。摄像機的像(xiang)素高是圖像(xiang)清晰的一個方面，另一方面高像素感光元也要配以(yi)高分辨率的镜头才能使(shi)高清相機的能力得以體現。
下面我們來(lai)探討这個問題。首先，我們來看看不同分辨率的镜(jing)头配合同樣分辨率的高清相(xiang)機，在完全相同(tong)的拍摄環境下所得的圖片(pian)：
上兩圖采用的是公司研(yan)发生產(chan)的同一臺高分辨率CCD相機，拍(pai)摄時(shi)，相機參数設置及(ji)外界拍摄条(tiao)件(如光照条件、拍(pai)摄視場(chang)等)完(wan)全一致，唯一不同的只(zhi)是镜(jing)头分辨率的不同。圖1我們選擇的(de)是1百萬像素(su)的镜头，而圖2我們選(xuan)用了5百萬像素(su)的镜头。
兩张圖片我們都截取了一個(ge)同樣大(da)小的視場，圖片左測對應是全圖的左(zuo)侧边(bian)缘(全圖右侧(ce)边缘的成像效(xiao)果與左侧相同，不再赘述)，圖片右侧對應的則(ze)是全圖的中心圖(tu)像。从兩张圖片的對比中我(wo)們可以看出，中(zhong)心(xin)區域的圖像，也就是A區域(yu)和(he)A’區域的圖像(xiang)相差不(bu)是很明顯，都(dou)可以清晰成像(xiang)。但是，左侧边(bian)缘的圖像，也就是B區域(yu)和(he)B’區域的圖像(xiang)效果差距就非常明顯了(le)。圖1中，B區(qu)域的成像非常模(mo)糊，好像是没有(you)對焦清晰(xi)的樣子，然而，A區域很直(zhi)觀的告訴我們，镜头是完全對焦清晰(xi)的，而圖2中，B’區域圖像和A’區域圖像几乎无(wu)差，都十分清晰。由此我們可(ke)以看出，镜头分辨率(lv)的不同對圖像的清晰度，尤(you)其是圖像边缘的(de)清晰度有着致命的影響。和高清相機不能很好匹(pi)配的镜头(tou)在中心視場和边缘視場的分辨率差距是非常大的，盡(jin)管(guan)中心視場可以勉強成像清晰，可是边缘(yuan)視場的模糊圖像也是絕對會影響整幅圖片的圖像效(xiao)果的，这將給(gei)后期的圖像處理带來不可预(yu)估的麻烦。
那麼，高清相機到底應该怎麼選擇合(he)適的镜头呢(ne)?
我們知道，一個镜头有它的最高分辨率N lp/mm，那(na)麼根據納奎斯特采樣定理，至少需要配(pei)以2N/mm個空(kong)間采樣點。这個可以这樣(yang)來理解，1mm内有N条(tiao)黑白線對，那麼就有N条白線和(he)N条黑(hei)線(xian)总共2N条線。以想機(ji)的一(yi)個感光元對應以一条白線或黑線，那麼摄像機在(zai)1mm内(nei)需要有2N個感(gan)光元來對應N条白線和(he)N条黑(hei)線(xian)，摄像(xiang)機的感光元(yuan)密度就是 2N/mm。这時摄像機感光元件的分辨率和镜(jing)头的分辨(bian)率正好匹配，谁都没有浪費。同樣(yang)如果一個摄像機每(mei)毫米的像素密度是M點(pixel/mm)，那麼應该選擇一個分(fen)辨率是M/2 lp/mm的镜头。
下(xia)面我們舉一(yi)個例子：有(you)一個(ge)2百萬像素摄像(xiang)機(ji)，像素数為1600×1200=1920000，感光面尺寸是 1/2吋。我們知道1/2吋的感(gan)光面它水平尺寸是(shi)6.4mm、垂直尺寸是4.8mm，它(ta)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。在这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(du)和垂直像素密度一樣(yang)，像素(su)是正方形的，如果像素不是正方形的(de)，镜头分辨率(lv)應參(can)考像素密度高的)，所以镜头分辨率應選125 lp/mm。如果一個2百萬像素摄像機感光面尺寸是 1/3吋，1/3吋的感(gan)光面它水平尺寸是(shi)4.8mm，垂直尺寸是3.6mm，它(ta)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，所以镜头分辨率應選167 lp/mm。
通過上面例子我們還看到，一(yi)個標為1/2吋(cun)的2百萬(wan)像素镜头不適合於1/3吋(cun)的2百萬像素感光面，这一點(dian)要(yao)有所區別和重視。1/2吋(cun)的2百萬像素镜头分辨率是125 lp/mm，去用於1/3吋(cun)的4.8mm×3.6mm感光像面，在(zai)水平方向有(you)125×4.8=600線對，對應了1200像元，在垂直(zhi)方(fang)向有125×3.6=450線對，對應了900像元，1200×900=1080000差不多是一百一(yi)十萬像素。所以把一(yi)個(ge)標為1/2吋(cun)的2百萬像素(su)镜头(tou)用於1/3吋的感光面時只能適合一百萬像素的感光(guang)面，或者說只能当(dang)1百萬像素镜头用。所以光講百萬(wan)像素镜(jing)头，不講適用感光元件的(de)尺寸可能信(xin)息並不完全，因此對镜(jing)头分辨率的描述還是(shi)lp/mm比较準確。
有時工業相機的指標會給出(chu)感光(guang)像元的尺寸L(mm)，那麼所對應镜头分辨率的黑白線(xian)宽應该都(dou)是L(mm)，所(suo)以黑白兩条線對應的一条線對的宽(kuan)度是2L (mm)，那麼其倒数1/(2L)(lp/mm)就是镜头的(de)分辨率(lv)。比如一個摄像機標出感光元(yuan)的(de)尺寸是4um，那麼所選镜头的極限分辨率(lv)線宽(白線或(huo)黑線)也應该是4um，一對黑(hei)線白線的宽度(du)2×0.004 mm，镜头的分辨率就是1/(2×0.004)=125 lp/mm。
