摄像机的基础知识(中)——摄像机的主要技术指标

2008-10-17 09:26:00 来源:雷玉堂
资讯频道文章B

从摄像机的说明书中可知,摄像机的技术指标很多,但最重要的是分辩率、最低照度、信噪比等三大指标,并且最容易出现错误和误解。下面就分别将这三大技术指标的知识介绍一下。


1、分辨率
(1)什么是分辩力与分辩率?
一般,光学镜头、光电成像器件(或称图像传感器)、摄像机,以及所有的成像系统对物像细节的分辨能力,可以用分辨力表示,也可用分辨率表示。它们都是衡量光学镜头、光电成像器件、摄像机与成像系统优劣的一个最重要的参数,但它们不是同一含义,两者互有联系,但有区别,绝不能混为一谈,概念不清。由于分辨力与分辨率是光学镜头与摄像机的最重要的参数,为澄清有些著作或文章对这二个概念的误解,特在这里将这些基本知识作一介绍,让安防监控界的技术人员与管理人员弄清它们的概念,以免在国外技术人士面前闹出笑话。


众所周知,摄像机的分辨率是指当摄像机摄取等间隔排列的黑白相间条纹时,在监视器(比摄像机的分辨率要高)上能够看到的最多线数,当超过这一线数时,屏幕上就只能看到灰蒙蒙的一片,而不再能分辨出黑白相间的线条。因此,分辨率这一参数的正确与否尤其重要。


分辨率有极限分辨率与调制传递函数两种表示法。在摄像机中,通常用极限分辨率表示。极限分辨率是在一定的测试条件之下定义的。当以一定性质的鉴别率图案(有100%对比度的专门的测试卡)投射到CCD光敏面时,在输出端观察到的最小空间频率(即用眼睛分辨的最细黑白条纹对数)就是该器件的极限分辨率。分辨率通常用每毫米黑白条纹对数(单位为线对/mm)或每帧高电视行数(单位为TVL)表示。摄像机指的清晰度,主要是用的TVL数这种极限分辨率。而这两种极限分辨率的单位,也是具有确定的换算关系的(这里就不作介绍)。


分辨力与分辨率不是同一含义,千万不能混为一谈。分辨力的定义是,将光学系统刚好能分辨的两物体之间的最小间隔,称为光学系统的分辨力,而不是分辨率。


按照几何光学理想成像的定义,由同一物点发出的光线,通过光学系统以后应全部相交于一点。然而在实际成像中,通常得到的是一个具有一定面积的光斑。
中心亮斑的直径可由下式表示:


式中,λ为光的波长;n为像空间介质折射率;U′max为像方孔径角。


因为光实际上也是一种电磁波,通过光学系统中限制光束口径的孔径光阑的衍射,会生成衍射像。由于衍射像有一定的大小,我们把两个衍射像间所能分辨的最小间隔,称为理想光学系统的分辨力。


根据实验证明,两个像点间能够分辨的最短距离约等于中央亮斑的半径R,如图1所示。


由公式(1)得到


式(2),即为理想光学系统的衍射分辨力公式。

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因此,我们定义分辨力为:人眼刚好能分辨的两物体之间的最小间隔。显然,间隔即一段距离,则分辨力的单位为米制,即mm、μm或nm。这样,分辨率的单位与分辨力的单位是不一样的。从分辨率的单位为线对/mm来看,与分辨力就有互为倒数的关系,也说明分辨力是能分辨两条线之间的最小间隔。


(2)从摄像镜头的分辨率看与分辨力的关系
摄像物镜即通常所说的摄像镜头,它的作用是将外界物体成像在CCD器件的感光面上,因此其分辨率一般以像平面上每毫米内能分辨开的线条数N表示。
一般,摄像物镜近似为对无限远物体成像,有


将上式代入式(2)所示的理想衍射分辨力公式中,可得到


当n′=1时,由于F= f′/D,则R=1.22λF。
根据公式(3),若以每毫米能够分辨的线条数N,来表示光学系统的分辨率,则有


因此,式(4)便是摄像物镜的分辨率公式。由此也可看出,分辨率(N)与分辨力(R)的区别。显然,它们是互为倒数的关系。由(4)式可见,摄像物镜的F数越小,则光学系统的分辨率就越高。


(3)分辨率的表示法
分辨率是摄像机最重要的一个参数,一般有两种表示法:


1)极限分辨率
极限分辨率是在一定的测试条件之下定义的。当以一定性质的鉴别率图案(有100%对比度的专门的测试卡)投射到CCD光敏面时,在输出端观察到的最小空间频率(即用眼睛分辨的最细黑白条纹对数)就是该器件的极限分辨率。分辨率通常用每毫米黑白条纹对数(单位为线对/mm)或每帧高电视行数(单位为TVL)表示。摄像机指的清晰度多是用的TVL数。这种极限分辨率的表示方法,虽有专门的测试卡测量而使用方便,但不客观科学。其原因是因为:


①每个人的视觉不一样,观测值带有主观性;
②测试卡的对比度与几何尺寸以及观测时的照度不一样,观测的结果也会有不同。如当被摄图像对比度低于30%时,观测的分辨率值就会明显下降;
③观测的分辨率值是系统的总体特性,而不能分摊到各个部件上。
为此,目前国际上一般均采用调制传递函数(MTF)来表示分辨率。


2)调制传递函数(MTF)
所谓调制传递函数,即输出调制度Mout与输入调制度Min之比。即


或者说调制传递函数是调制度与空间频率的关系。当输入正弦光波(即一个确定的空间频率的物像投射在CCD上)时,CCD的输出也将是随时间变化的一种正弦波,设波峰为A,波谷为B,则可得调制度为


通常用零空间频率下的值进行归一化,得到无量纲量即调制传递函数MTF。并且,MTF随空间频率的增高而减小。

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由于MTF表示的是转移过程前后调制度M的比值,它与图像的形状、尺寸、对比度、照度等无关,因此是客观而科学的。而且由于MTF是正弦波空间频率振幅的响应。在给定的空间频率下,整个系统的MTF等于系统各部分MTF的乘积。即


值得提出的是,有时还用对比传递函数(CTF)来评价分辨率。所谓对比传递函数就是方波空间频率振幅的响应。同MTF一样,CTF也随空间频率的增高而减小。但是CTF不能按各部分的乘积来评价,可是方波的振幅响应容易测量,所以也常采用。

 
(4)摄像机的分辨率
通常,固体摄像机的分辨率在镜头的分辨率与视频信号带宽(6MHz)保证的前提下,主要取决于图像传感器的像素数,本文列出了根据像素数计算摄像机的分辨率的公式,据此公式,对低解析度500×582像素的摄像机,其分辨率不可能为420TVL。下面就介绍一下分辨力与分辨率的定义,两者的相互联系及其区别,常用的分辨率的表示法以及摄像镜头与摄像机的分辨率的计算公式。


分辨率有时也称清晰度,对CCD摄像机来说,则应有垂直方向的清晰度和水平方向的清晰度,两者的比值也可称为清晰度比。下面分别介绍一下摄像机的垂直清晰度与水平清晰度:


1)垂直清晰度
垂直清晰度是由一帧图像的扫描行数决定的。由于在场消隐期间看不到扫描线,对于我国625行50场的扫描制式来说,画面的有效扫描行数约为575行;而对于美国525行60场的扫描制式来说,画面的有效扫描行数约为490行。由于水平扫描线之间是离散的,所以两条相邻的水平扫描线之间一定会丢失部分细节(或说对与扫描线相同的黑白水平线摄像时,扫描线与黑白水平线正好重合的概率不等于一)。一般,约有30%(凯尔系数)的细节会丢失。所以认为,垂直清晰度RV等于有效扫描行数n乘以经验值0.7(即70%),即


所以,对625行的扫描制式来说,实际有效的清晰度为575×0.7=402TVL;对525行的扫描制式来说,其垂直清晰度为490×0.7=343TVL。因此垂直清晰度对同一电视制式来说,基本上是固定的。


2)水平清晰度
由于垂直清晰度对同一电视制式来说,基本上是固定的,因此摄像机的清晰度主要是看水平清晰度。这个水平清晰度是当用与画面高度相等的黑白相间的垂直平行线作被摄物时,在水平方向上所能够再现的线数。而黑白条图形都是一定频率的方波信号,所以根据行扫描速度和传送带宽也可确定水平清晰度的值。


水平清晰度用RH表示,如果一条扫描线上能够再现m个像素,则可用下式来表示水平清晰度:


式中,m为水平方向的像素数,V是画面的垂直高度,H为水平长度,V/H也叫做光栅高宽比。一般V/H=3/4=0.75,所以(9)式可写成

 
该式即为黑白摄像机的清晰度公式。但现实上因为光学因素会低于这个理论值,如为抑制因条纹图案接近间距发生的水波纹,所使用的光学低通滤波器及镜头的分辨率等。


对单板彩色CCD摄像机,因彩色滤光片效果,其分辨率低于相同像素数的黑白摄像机,其清晰度的表示式为


式中,α为因彩色滤光片排列所改变的经验值:对原色直线排列条纹滤光片,α=0.53~0.57;对补色方块色差线顺序滤光片,α=0.8~0.85。彩色CCD摄像机多使用后者。

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因此,对像素数为500(H)×582(V)的低解摄像机来说,其黑白机的水平清晰度RH = 0.75×500 = 375TVL,所以对分辩率无特殊优化处理等功能的一般摄像机来说,这种像素数不可能有420TVL,至于彩色摄像机就更不可能称420了,而最好也只能是375×0.83=310TVL;至于752(H)×582(V)的高解摄像机,黑白机的水平清晰度为0.75×752=564TVL,不可能为600TVL,而彩色机也只是460TVL。所以,不是你说得越高越好,而是要有科学依据的。


(5)分辨率的测试
通常,分辨率的测试是用安装有成像质量好的镜头的摄像机,去拍摄图2所示的分辨率测试卡,并通过波形监视器用人眼来读取所能分辨的最大线数。其具体方法如下:

 
① 按图3布置测试环境。将分辨率测试卡置于标准测试灯光盒上,距摄像机约3m远。摄像机的视频输出端接波形监视器,并使波形监视器的输出连至高分辨率黑白监视器(600线以上)上。


② 将景物照度设定为2000lx,光源色温设定为3200K。

 
③ 调节镜头焦距(或选配合适的定焦镜头并前后稍稍移动摄像机)使分辨率卡的图像充满监视器的屏幕,并通过精确对焦使图像最清晰。


④ 用选行示波器观察图2所示的分辨率卡,就可得到图4所示的波形。

 
⑤ 调节镜头光圈使信号白电平达到100%(700mV),则此时调制深度刚超过5%的电视线数即为该摄像机的极限分辨率。


2、最低照度
(1)最低照度的含义及其相关的条件

众所周知,摄像机说明书中的最低照度指标是非常重要的,因为它是衡量摄像机优劣的一个重要参数。这个指标说明了,该台摄像机能摄取监控场景目标上照度的最低值。并且,它也是当被摄景物的光亮度低到一定程度,而使摄像机输出的视频信号电平低到某一规定值时的景物光亮度值。确切地说,最低照度是摄像机产生的亮度输出电平为额定标准电平700mv的一半时被摄物体的照度值。


一般,在标定最低照度这一参数时,还应特别注明镜头的最大相对孔径。如使用F1.2的镜头,当被摄景物的光亮度值低到0.041x时,摄像机输出的视频信号幅值为最大幅值的50%,即达到350mV(一般标准视频信号最大幅值为700mV即0.7V),则称此摄像机的最低照度为0.04lx / F1.2。被摄景物的光亮度值再低,摄像机输出的视频信号的幅值就达不到350mV,它反映在监视器的屏幕上,将是一屏很难分辨出层次的、灰暗的图像。


目前,市场上对最低照度的规范尚不统一,有些产品说明书中照度指标很低的摄像机的低照度特性,可能还不如照度指标稍高一些的摄像机的低照度特性好。究其原因,就是在测定低照度指标时,使用的测定标准与镜头的孔径不同。如果将摄像机输出的视频信号幅值降为最大幅值的30%(即210mV)为基准时,再进行测量,则被摄景物的光亮度值还可以再低,如0.03lx;若再进一步将光学镜头换为F1.0的镜头,则由于光能量的增加,被摄景物的光亮度值还可再进一步降低到0.02lx。

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由上分析可见,最低照度的数值实际上与下述四个因素有关:
①镜头的光圈的大小;
②光源的色温的高低;
③视频信号的幅度的大小;
④目标的反射率和背景的情况。
因此,只有标明了以上四个相关条件,而测试出的最低照度值才是有意义的。若抛开测定标准,而单纯地以某品牌摄像机的照度标称值,去和另一个品牌摄像机的照度标称值去比较,是不能准确得出哪台摄像机的低照度特性更好的结论的,因为它们所用镜头的相对孔径和输出视频信号的规定值等条件可能是不一样的。又如,若使用针孔镜头,摄像机的最低照度指标,肯定要加大。所以,目前摄像机中的最低照度指标,只能用于设计及选购器材时的参考。


(2)最低照度的检测方法
通常,最低照度的检测方法有下面两种:


①对比法
选用二个同型号的镜头,安装在欲检测的摄像机与国外名厂品牌的原装摄像机上,去作对比。将它们置于暗室,并分别对准相同的层次丰富的物体,再用调光器调节光照度的大小,直至看不清物体的暗部层次,或者将镜头光圈调小一级作对比。这样,就可根据国外名厂品牌的原装摄像机的最低照度值,即可推测出欲检测的摄像机的最低照度值。


②仪器法
同上一样,也是在暗室中测试,即将欲检测的摄像机对准一个十级灰度测试卡,然后用调光器调节光照度的大小,直至摄像机输出的视频信号在示波器上的幅值降为350mv,最后再用照度计测量这个灰度测试卡表面的照度值,即为所测试条件下的最低照度值。


3、信噪比
(1)信噪比的含义及其与照度的关系

摄像机说明书中的信噪比,也是摄像机的一个主要参数。一般,摄像机摄取较亮场景时,在监视器上显示的画面通常比较明快,观察者往往看不到画面中的干扰噪点;而当摄像机摄取较暗场景时,监视器上显示的画面就比较昏暗,观察者此时很容易看到画面中有雪花状的干扰噪点。这些干扰噪点的强弱,即干扰噪点对画面的影响程度,与摄像机信噪比指标的好坏有着直接的关系。显然,摄像机的信噪比越高,干扰噪点对画面的影响就越小。所以,据此可看出摄像机信噪比指标的好坏。


所谓“信噪比”,指的是信号电压对于噪声电压的比值,通常用符号S/N来表示。在一般情况下,由于信号电压远高于噪声电压,其比值非常大,因此实际计算摄像机信噪比的大小,通常都是对均方信号电压与均方噪声电压的比值取以10为底的对数再乘以系数20而得,即


式(12)的单位用dB表示。


值得指出的是,一般摄像机给出的信噪比值,均是在AGC(自动增益控制)关闭时的值。因为当AGC接通时,会对小信号进行提升,这样会使得噪声电平也相应提高。在电视监控系统中使用的CCD或CMOS摄像机,其信噪比的典型值一般为45dB~55dB,而网络摄像机的信噪比值,则要求高于这个值(其原因可参阅本人编著的《安全与光电》书的第3章第8节)。


(2)信噪比的检测方法
在实际测量信噪比参数时,一般有下列三种方法:


①简易判别法:
该法是将欲检测的摄像机镜头的光圈关闭或盖上镜头盖,在监视器上观察雪花状的干扰噪点的多少,以判别信噪比大小的程度。


②对比法:
该法用二个同型号的镜头,安装在欲检测的摄像机与国外名厂品牌的原装摄像机上作对比。将它们置于暗室,并对准黑平衡测试卡,再用调光器调节光照度的大小,直至监视器画面上明显出现雪花状的干扰噪点。比较两摄像机的噪点的密度和大小,根据国外名厂品牌的原装摄像机的信噪比,以估计欲检测的摄像机的信噪比值。


③仪器法:
该法是将欲检测的摄像机对准十级灰度测试卡,再调整光圈的大小,使摄像机输出的视频信号电平达到350mv。再将该摄像机输出的这个信号,直接连接于视频杂波测量仪上,就可在仪表盘上直接读取信噪比的值。


由上看出,对一个摄像机来说,是希望分辨率与信噪比越高越好,最低照度越低越好。但这三大指标不是可以任意写的,而是可以测试的,其测试方法可参阅本人写的“论成像系统易混淆的分辨力与分辨率”与“摄像机中的最低照度与信噪比的检测”二篇文章,以及本人编著的“电视监控技术”与“安全与光电”书。

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[责任编辑:ally]

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