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高清摄像机上的 标清镜头: 合适还是 不合适? 标清与高清之间的本质区别在于 高清晰度 这一核心问题.

这意味着高清电视与传统视 频之间的主要区别是具有更高的 清晰度 ,因而可以提供更高的图像锐度.所以任何有关 融合标清产品和高清产品的讨论,从其对最终图像 高清晰度 方面的影响来看,都需要 进行严谨的探讨.与构成现有数字成像系统的数字摄像机和录像机不同,镜头采用了模拟 技术.就其完全的字面意义而言,它就是一项物理技术.镜头还具有动态调节功能,其卓 越的控制性能能够影响投射到摄像机图像传感器的物体图像.镜头在光照水平、聚焦和焦 距范围方面的变化还存在某些技术不足.因此,本白皮书旨在探讨 清晰度 ,重点着眼于 镜头的分辨率性能.对于图像 清晰度 ,需要建立一些光学层面的衡量标准.音频和视频 系统(例如电视摄像机)的介绍会考虑频带及其各自频带所涵盖频率范围内的特定系统响应. 介绍镜头的分辨率性能时会采用类似的方法. 光学带宽 镜头的对比度和分辨率是紧密关联的.通过线条相互之间的相对对比度,可以从视觉上区 分一系列近距离交替的黑白线条.因为这些线条的粗细和间距是递减的,所以人类视觉系 统才能区分这些交替的线条.有时我们无法区分这些线条,是因为它们模糊不清,形成一 个灰色区域.当测试图物体场景通过镜头时会发生相同的情形.当交替线条的空间频率增 加时,镜头的光学表现力会逐渐下降,可以简单地用图

1 表示.换句话说,镜头的对比度 再现性能转换为交替黑白线条细节的精细程度的函数.镜头输出的这一特殊表现形式在技 术上称之为 调制传递函数 或 MTF .横轴表示空间频率(从左到右精细的细节逐渐增 加),以每毫米的线对数(Lp/mm)计算.纵轴表示镜头光学图像输出的对比度(黑色相对于白 色的振幅). 空间频率( (每毫米的线对数) 图1:通过调制传递函数(MTF)表示镜头的光学带宽.MTF 表示随着交替黑白线条细节精细程度的增加,镜头 对比度性能的变化. 光学带宽与视频电子带宽的相互关系 任何特定的电视系统均受限于有限的电子带宽,通常由指定的数字滤波器限定,例如标清 系统为 5.5 MHz 规格,1080/60i 和720/60p 高清系统为

30 MHz 规格.电子带宽进而决定 了在三个系统均可支持的每画幅线(TVL/ph)中指定的最大水平分辨率.TVL/ph 规格在数学 上与光学 Lp/mm 值相互关联,关联方式如图

2 所示. 线 高清 线线高清 空间频率(每毫米的线对数) 标清 图2:将数字标清系统和两种高清系统的边界频率叠加在光学空间频率通带上. 由此可见,如果标清镜头要提供符合该摄像机分辨率性能的成像信息,应具有

0 至31 Lp/mm 的高分辨率.光学器材制造商努力在

0 至31 Lp/mm 的范围内使 MTF 曲线保持 尽可能高的水平,而不太关心此范围以外的 MTF 曲线.1080 线高清标准明确规定摄像机 必须具备

872 TVL/ph 的分辨率.如图

2 所示,反过来此数据可以转换为

82 Lp/mm.镜头 设计者的目标是在

0 -

82 Lp/mm 光学带宽范围内使 MTF 保持尽可能高的水平,以实现高 清摄像机的性能. 标清 频带边缘 高清 频带边缘 高清 标清 高清光学带宽 标清光学带宽 每毫米的线对数 图3:显示典型 2/3 英寸高清镜头和标清演播室镜头的 MTF 特性(于图像中央测量),及其各自光学带宽之间的 显著区别. 镜头分辨率考虑因素 首先,应注意高清镜头的光学带宽要求是标清镜头的 2.7 倍.其次,高清镜头在标清空间 频率范围内会产生更高的 MTF.要达到这一更高的光学性能水平,必须精心地使光学设计 过程的许多方面达到最高水平.必须仔细选择构成每个镜头镜片的材料(典型高清演播室镜 头可能有