【安防知識網(wǎng)】從攝像機的說明書中可知，攝像機的技術指標很多，但最重要的是分辯率、最低照度、信噪比等三大指標，并且最容易出現(xiàn)錯誤和誤解。下面就分別將這三大技術指標的知識介紹一下。

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　　分辨率

　　什么是分辨力與分辨率?

　　一般來說，光學鏡頭、光電成像器件(或稱圖像傳感器)、攝像機，以及所有的成像系統(tǒng)對物像細節(jié)的分辨能力，可以用分辨力表示，也可用分辨率表示。它們都是衡量光學鏡頭、光電成像器件、攝像機與成像系統(tǒng)優(yōu)劣的一個重要的參數(shù)。但它們不是同一含義，兩者相互關聯(lián)，但有區(qū)別，絕不能混為一談，概念不清。由于分辨力與分辨率是光學鏡頭與攝像機重要的參數(shù)，為澄清有些著作或文章對這兩個概念的誤解，特在這里將這些基本知識作一介紹，讓安防監(jiān)控界的技術人員與管理人員弄清它們的概念。

　　眾所周知，攝像機的分辨率是指當攝像機攝取等間隔排列的黑白相間條紋時，在監(jiān)視器(比攝像機的分辨率要高)上能夠看到的最多線數(shù)，當超過這一線數(shù)時，屏幕上就只能看到灰蒙蒙的一片，而不再能分辨出黑白相間的線條。因此，分辨率這一參數(shù)的正確與否尤其重要。

　　而分辨力的定義是，將光學系統(tǒng)剛好能分辨的兩物體之間的最小間隔，稱為光學系統(tǒng)的分辨力，而不是分辨率。按照幾何光學理想成像的定義，由同一物點發(fā)出的光線，通過光學系統(tǒng)以后應全部相交于一點。然而在實際成像中，通常得到的是一個具有一定面積的光斑。

　　中心亮斑的直徑可由下式表示：

　　式中，λ為光的波長，n為像空間介質(zhì)折射率，U′max為像方孔徑角。

　　因為光實際上也是一種電磁波，通過光學系統(tǒng)中限制光束口徑的孔徑光闌的衍射，會生成衍射像。由于衍射像有一定的大小，我們把兩個衍射像間所能分辨的最小間隔，稱為理想光學系統(tǒng)的分辨力。

　　根據(jù)實驗證明，兩個像點間能夠分辨的最短距離約等于中央亮斑的半徑R，如圖1所示。

　　由公式(1)得到

　　式(2)，即為理想光學系統(tǒng)的衍射分辨力公式。

　　因此，我們定義分辨力為：人眼剛好能分辨的兩物體之間的最小間隔。顯然，間隔即一段距離，則分辨力的單位為米制，即mm、μm或nm。因此，分辨率的單位與分辨力的單位是不一樣的。從分辨率的單位為線對/mm來看，分辨率與分辨力就有互為倒數(shù)的關系，也說明分辨力是能分辨兩條線之間的最小間隔。

[nextpage]　　從鏡頭的分辨率看與分辨力的關系

　　攝像物鏡即通常所說的攝像鏡頭，它的作用是將外界物體成像在CCD器件的感光面上，因此其分辨率一般以像平面上每毫米內(nèi)能分辨開的線條數(shù)N表示。

　　一般，攝像物鏡近似為對無限遠物體成像，有

　　將上式代入式(2)所示的理想衍射分辨力公式中，可得到

　　當n′=1時，由于F= f′/D，則R=1.22λF。

　　根據(jù)公式(3)，若以每毫米能夠分辨的線條數(shù)N，來表示光學系統(tǒng)的分辨率，則有

　　因此，式(4)便是攝像物鏡的分辨率公式。由此也可看出，分辨率(N)與分辨力(R)的區(qū)別。顯然，它們是互為倒數(shù)的關系。由(4)式可見，攝像物鏡的F數(shù)越小，則光學系統(tǒng)的分辨率就越高。

　　分辨率的表示法

　　分辨率是攝像機最重要的一個參數(shù)，一般有兩種表示法：

　　1、極限分辨率

　　極限分辨率是在一定的測試條件之下定義的。當以一定性質(zhì)的鑒別率圖案(有100%對比度的專門的測試卡)投射到CCD光敏面時，在輸出端觀察到的最小空間頻率(即用眼睛分辨的最細黑白條紋對數(shù))就是該器件的極限分辨率。分辨率通常用每毫米黑白條紋對數(shù)(單位為線對/mm)或每幀高電視行數(shù)(單位為TVL)表示。攝像機的清晰度大多用TVL數(shù)表示。這種極限分辨率的表示方法，雖有專門的測試卡測量而使用方便，但不客觀科學。其原因是因為：

　　·每個人的視覺不一樣，觀測值帶有主觀性;

　　·測試卡的對比度與幾何尺寸以及觀測時的照度不一樣，觀測的結果也會有不同。如當被攝圖像對比度低于30%時，觀測的分辨率值就會明顯下降;

　　·觀測的分辨率值是系統(tǒng)的總體特性，而不能分攤到各個部件上。

　　為此，目前國際上一般均采用調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)來表示分辨率。

　　2、調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)

　　所謂調(diào)制傳遞函數(shù)，即輸出調(diào)制度Mout與輸入調(diào)制度Min之比。即

　　或者說調(diào)制傳遞函數(shù)是調(diào)制度與空間頻率的關系。當輸入正弦光波(即一個確定的空間頻率的物像投射在CCD上)時，CCD的輸出也將是隨時間變化的一種正弦波，設波峰為A，波谷為B，則可得調(diào)制度為

　　通常用零空間頻率下的值進行歸一化，得到無量綱量即調(diào)制傳遞函數(shù)MTF。并且，MTF隨空間頻率的增高而減小。

　　由于MTF表示的是轉移過程前后調(diào)制度M的比值，它與圖像的形狀、尺寸、對比度、照度等無關，因此是客觀而科學的。而且由于MTF是正弦波空間頻率振幅的響應。在給定的空間頻率下，整個系統(tǒng)的MTF等于系統(tǒng)各部分MTF的乘積。即

　　值得提出的是，有時還用對比傳遞函數(shù)(CTF)來評價分辨率。所謂對比傳遞函數(shù)就是方波空間頻率振幅的響應。同MTF一樣，CTF也隨空間頻率的增高而減小。但是CTF不能按各部分的乘積來評價，可是方波的振幅響應容易測量，所以也常采用。

[nextpage]　　　攝像機的分辨率

　　通常，固體攝像機的分辨率在鏡頭的分辨率與視頻信號帶寬(6MHz)保證的前提下，主要取決于圖像傳感器的像素數(shù)，本文列出了根據(jù)像素數(shù)計算攝像機的分辨率的公式，據(jù)此公式，我們知道解析度為500×582像素的攝像機，其分辨率不可能為420TVL。

　　分辨率有時也稱清晰度，對CCD攝像機來說，則應有垂直方向的清晰度和水平方向的清晰度，兩者的比值也可稱為清晰度比。下面分別介紹一下攝像機的垂直清晰度與水平清晰度：

　　1、垂直清晰度

　　垂直清晰度是由一幀圖像的掃描行數(shù)決定的。由于在場消隱期間看不到掃描線，對于我國625行50場的掃描制式來說，畫面的有效掃描行數(shù)約為575行;而對于美國525行60場的掃描制式來說，畫面的有效掃描行數(shù)約為490行。由于水平掃描線之間是離散的，所以兩條相鄰的水平掃描線之間一定會丟失部分細節(jié)(或說對于掃描線相同的黑白水平線攝像時，掃描線與黑白水平線正好重合的概率不等于一)。一般來說，大概有30%(凱爾系數(shù))的細節(jié)會丟失。所以認為，垂直清晰度RV等于有效掃描行數(shù)n乘以經(jīng)驗值0.7(即70%)，即

　　RV = 0.7n (8)

　　所以，對625行的掃描制式來說，實際有效的清晰度為575×0.7=402TVL;對525行的掃描制式來說，其垂直清晰度為490×0.7=343TVL。因此垂直清晰度對同一電視制式來說，基本上是固定的。

　　2、水平清晰度

　　由于垂直清晰度對同一電視制式來說，基本上是固定的，因此攝像機的清晰度主要是看水平清晰度。這個水平清晰度是當用與畫面高度相等的黑白相間的垂直平行線作被攝物時，在水平方向上所能夠再現(xiàn)的線數(shù)。而黑白條圖形都是一定頻率的方波信號，所以根據(jù)行掃描速度和傳送帶寬也可確定水平清晰度的值。

　　水平清晰度用RH表示，如果一條掃描線上能夠再現(xiàn)m個像素，則可用下式來表示水平清晰度：

　　式中，m為水平方向的像素數(shù)，V是畫面的垂直高度，H為水平長度，V/H也叫做光柵高寬比。一般V/H=3/4=0.75，所以(9)式可寫成

　　RH =3/4×m=0.75m (10)

　　該式即為黑白攝像機的清晰度公式。但現(xiàn)實上因為光學因素會低于這個理論值，如為抑制因條紋圖案接近間距發(fā)生的水波紋，所使用的光學低通濾波器及鏡頭的分辨率等。

　　對單板彩色CCD攝像機，因彩色濾光片效果，其分辨率低于相同像素數(shù)的黑白攝像機，其清晰度的表示式為

　　RH = 0.75m×α (11)

　　式中，α為因彩色濾光片排列所改變的經(jīng)驗值：對原色直線排列條紋濾光片，α=0.53?0.57;對補色方塊色差線順序濾光片，α=0.8?0.85。彩色CCD攝像機多使用后者。

　　因此，對像素數(shù)為500(H)×582(V)的低解析攝像機來說，其黑白機的水平清晰度RH = 0.75×500 = 375TVL，所以對分辨率無特殊優(yōu)化處理等功能的一般攝像機來說，這種像素數(shù)不可能有420TVL，至于彩色攝像機就更不可能稱420TVL了，而最好也只能是375×0.83=310TVL;至于752(H)×582(V)的高解攝像機，黑白機的水平清晰度為0.75×752=564TVL，不可能為600TVL，而彩色機也只有460TVL。所以，不是你說得越高越好，而是要有科學依據(jù)的。

[nextpage]　　　分辨率的測試

　　通常，分辨率的測試是用安裝有成像質(zhì)量好的鏡頭的攝像機，去拍攝圖2所示的分辨率測試卡，并通過波形監(jiān)視器用人眼來讀取所能分辨的最大線數(shù)。其具體方法如下：

　　·按圖3布置測試環(huán)境。將分辨率測試卡置于標準測試燈光盒上，距攝像機約3m遠。攝像機的視頻輸出端接波形監(jiān)視器，并使波形監(jiān)視器的輸出連至高分辨率黑白監(jiān)視器(600線以上)上;

　　·將景物照度設定為2000lx，光源色溫設定為3200K;

　　·調(diào)節(jié)鏡頭焦距(或選配合適的定焦鏡頭并前后稍稍移動攝像機)使分辨率卡的圖像充滿監(jiān)視器的屏幕，并通過精確對焦使圖像最清晰;

　　·用選行示波器觀察圖2所示的分辨率卡，就可得到圖4所示的波形;

　　·調(diào)節(jié)鏡頭光圈使信號白電平達到100%(700mV)，則此時調(diào)制深度剛超過5%的電視線數(shù)即為該攝像機的極限分辨率。

　　最低照度

　　最低照度的含義及條件

　　眾所周知，攝像機說明書中的最低照度指標是非常重要的，因為它是衡量攝像機優(yōu)劣的一個重要參數(shù)。這個指標說明了攝像機能攝取監(jiān)控場景目標上照度的最低值。并且，它也是當被攝景物的光亮度低到一定程度，而使攝像機輸出的視頻信號電平低到某一規(guī)定值時的景物光亮度值。確切地說，最低照度是攝像機產(chǎn)生的亮度輸出電平為額定標準電平700mv的一半時被攝物體的照度值。

　　此外，在標定最低照度這一參數(shù)時，還應特別注明鏡頭的最大相對孔徑。如使用F1.2的鏡頭，當被攝景物的光亮度值低到0.041x時，攝像機輸出的視頻信號幅值為最大幅值的50%，即達到350mV(一般標準視頻信號最大幅值為700mV即0.7V)，則稱此攝像機的最低照度為0.04lx / F1.2。被攝景物的光亮度值再低，攝像機輸出的視頻信號的幅值就達不到350mV，因此，監(jiān)視器的屏幕上是滿屏很難分辨出層次的、灰暗的圖像。

　　目前，市場上對最低照度的規(guī)范尚不統(tǒng)一，有些產(chǎn)品說明書中照度指標很低的攝像機的低照度特性，可能還不如照度指標稍高一些的攝像機的低照度特性好。究其原因，就是在測定低照度指標時，使用的測定標準與鏡頭的孔徑不同。如果將攝像機輸出的視頻信號幅值降為最大幅值的30%(即210mV)為基準時，再進行測量，則被攝景物的光亮度值還可以再低，如0.03lx;若再進一步將光學鏡頭換為F1.0的鏡頭，則由于光能量的增加，被攝景物的光亮度值還可再進一步降低到0.02lx。

[nextpage]　　　由上分析可見，最低照度的數(shù)值實際上與下述四個因素有關：

　　·鏡頭的光圈的大小;

　　·光源的色溫的高低;

　　·視頻信號的幅度的大小;

　　·目標的反射率和背景的情況。

　　因此，只有標明了以上四個相關條件，而測試出的最低照度值才是有意義的。若拋開測定標準，而單純地以某品牌攝像機的照度標稱值，去和另一個品牌攝像機的照度標稱值去比較，是不能準確得出哪臺攝像機的低照度特性更好的結論的，因為它們所用鏡頭的相對孔徑和輸出視頻信號的規(guī)定值等條件可能是不一樣的。又如，若使用針孔鏡頭，攝像機的最低照度指標，肯定要加大。所以，目前攝像機中的最低照度指標，只能用于設計及選購器材時的參考。

　　最低照度的檢測方法

　　通常，最低照度的檢測方法有下面兩種：

　　1、對比法

　　選用兩個同型號的鏡頭，安裝在欲檢測的攝像機與國外名廠品牌的原裝攝像機上，去作對比。將它們置于暗室，并分別對準相同的層次豐富的物體，再用調(diào)光器調(diào)節(jié)光照度的大小，直至看不清物體的暗部層次，或者將鏡頭光圈調(diào)小一級作對比。這樣，就可根據(jù)國外名廠品牌的原裝攝像機的最低照度值，即可推測出欲檢測的攝像機的最低照度值。

　　2、儀器法

　　同上一樣，也是在暗室中測試，即將欲檢測的攝像機對準一個十級灰度測試卡，然后用調(diào)光器調(diào)節(jié)光照度的大小，直至攝像機輸出的視頻信號在示波器上的幅值降為350mv，最后再用照度計測量這個灰度測試卡表面的照度值，即為所測試條件下的最低照度值。

　　信噪比

　　信噪比的含義及其與照度的關系

　　攝像機說明書中的信噪比，也是攝像機的一個主要參數(shù)。一般來說，攝像機攝取較亮場景時，在監(jiān)視器上顯示的畫面通常比較明快，觀察者往往看不到畫面中的干擾噪點;而當攝像機攝取較暗場景時，監(jiān)視器上顯示的畫面就比較昏暗，觀察者此時很容易看到畫面中有雪花狀的干擾噪點。這些干擾噪點的強弱，與攝像機信噪比指標的好壞有著直接的關系。顯然，攝像機的信噪比越高，干擾噪點對畫面的影響就越小。所以，據(jù)此可看出攝像機信噪比指標的好壞。

　　所謂“信噪比”，指的是信號電壓對于噪聲電壓的比值，通常用符號S/N來表示。在一般情況下，由于信號電壓遠高于噪聲電壓，其比值非常大，因此實際計算攝像機信噪比的大小，通常都是對均方信號電壓與均方噪聲電壓的比值取以10為底的對數(shù)再乘以系數(shù)20而得，即

　　式(12)的單位用dB表示。

　　值得指出的是，一般攝像機給出的信噪比值，均是在AGC(自動增益控制)關閉時的值。因為當AGC接通時，會對小信號進行提升，這樣會使得噪聲電平也相應提高。在電視監(jiān)控系統(tǒng)中使用的CCD或CMOS攝像機，其信噪比的典型值一般為45dB~55dB，而網(wǎng)絡攝像機的信噪比值，則要求高于這個值。

[nextpage]　　　信噪比的檢測方法

　　在實際測量信噪比參數(shù)時，一般有下列三種方法：

　　1、簡易判別法

　　該法是將欲檢測的攝像機鏡頭的光圈關閉或蓋上鏡頭蓋，在監(jiān)視器上觀察雪花狀的干擾噪點的多少，以判別信噪比大小的程度。

　　2、對比法

　　該法用兩個同型號的鏡頭，安裝在欲檢測的攝像機與國外名廠品牌的原裝攝像機上作對比。將它們置于暗室，并對準黑平衡測試卡，再用調(diào)光器調(diào)節(jié)光照度的大小，直至監(jiān)視器畫面上明顯出現(xiàn)雪花狀的干擾噪點。比較兩攝像機的噪點的密度和大小，根據(jù)國外名廠品牌的原裝攝像機的信噪比，以估計欲檢測的攝像機的信噪比值。

　　3、儀器法

　　該法是將欲檢測的攝像機對準十級灰度測試卡，再調(diào)整光圈的大小，使攝像機輸出的視頻信號電平達到350mv。再將該攝像機輸出的這個信號，直接連接于視頻雜波測量儀上，就可在儀表盤上直接讀取信噪比的值。

　　由上看出，對一個攝像機來說，是希望分辨率與信噪比越高越好，最低照度越低越好。但這三大指標不是可以任意寫的，而是必須通過測試的。(未完待續(xù))

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