高清攝像機(jī)能否使用標(biāo)清鏡頭——一些關(guān)于調(diào)制傳遞（MTF）的思考

張子斌

（安徽電視臺(tái) 制作中心，安徽 合肥 230000）

1 調(diào)制傳遞（MTF）

MTF是Modulation Transfer Function的縮寫，直譯過來就是模量傳遞函數(shù)，也即調(diào)制傳遞。對(duì)于一個(gè)成像設(shè)備，比如攝像機(jī)或者數(shù)碼相機(jī)，專業(yè)人士往往關(guān)心的并不是它的外形設(shè)計(jì)，而是作為成像設(shè)備，它對(duì)真實(shí)被攝物體的還原能力有多強(qiáng)。如果不去考慮色彩的因素，最重要的莫過于銳度和反差這兩個(gè)指標(biāo)，也就是對(duì)比度[1]（Contrast）和分解力（Resolution）。目前在對(duì)比度和分解力方面廣泛采用MTF測(cè)試方法[2]。

某鏡頭的MTF測(cè)試曲線圖如圖1所示。

圖1 某鏡頭的MTF測(cè)試曲線圖

圖1橫坐標(biāo)的單位為lp/mm，其中l(wèi)p是Line Pairs（線對(duì)頻率）的縮寫，是指黑白相間測(cè)試條紋的頻率，這個(gè)單位也就是每毫米黑白條紋相間出現(xiàn)的次數(shù)，黑白條紋越密集，lp值越大，橫坐標(biāo)越靠右?？v坐標(biāo)代表MTF測(cè)試值，鏡頭對(duì)比度[1]和分解力越強(qiáng)，MTF值越高，鏡頭指標(biāo)也就越好。

鏡頭還原能力測(cè)試圖如圖2所示。

圖2 鏡頭還原能力測(cè)試圖（截圖）

圖2左側(cè)的數(shù)值就是鏡頭還原測(cè)試卡能力的百分比數(shù)值，也就是之前MTF測(cè)試曲線圖上縱坐標(biāo)的直觀含義。MTF值越低，相應(yīng)測(cè)試環(huán)境下該鏡頭的還原能力就越差。

當(dāng)然，上面所述只是對(duì)于MTF的基本測(cè)試方法和原理，真正的MTF測(cè)試和計(jì)算要遠(yuǎn)遠(yuǎn)比這些復(fù)雜，這里不做詳細(xì)介紹。筆者所關(guān)心的是標(biāo)清鏡頭是否能使用在高清攝像機(jī)上。要解決這個(gè)問題，就需要通過MTF測(cè)量方法和參數(shù)來對(duì)標(biāo)清鏡頭和高清鏡頭做詳細(xì)的對(duì)比。

2 高標(biāo)清鏡頭比較

現(xiàn)有電視系統(tǒng)中，標(biāo)清電視信號(hào)（SDTV）的帶寬為5.5 MHz，而高清電視信號(hào)（HDTV）的帶寬為30 MHz。這些參數(shù)反過來界定了電視信號(hào)的水平分辨率，也就是每幅電視畫面的水平線數(shù)，可以用TVL/ph（Television Lines per picture height）來表示。TVL/ph這個(gè)單位對(duì)于標(biāo)清和高清系統(tǒng)都通用，可以通過數(shù)學(xué)計(jì)算和lp/mm這個(gè)單位關(guān)聯(lián)起來，圖3是TVL/ph和lp/mm轉(zhuǎn)換的直觀體現(xiàn)。

圖3 水平解析度和線對(duì)頻率的關(guān)系圖

為了能更好地和對(duì)應(yīng)的高清信號(hào)做對(duì)比，把標(biāo)清信號(hào)也選為16∶9的畫幅來做一個(gè)比較。通過圖3可以知道，作為一個(gè)標(biāo)清鏡頭，它在0～31 lp/mm這個(gè)測(cè)試范圍內(nèi)都有很高的MTF值，不必去關(guān)心它在高于31 lp/mm以后，也就是橫坐標(biāo)的測(cè)試結(jié)果如何，對(duì)于標(biāo)清攝像機(jī)的對(duì)比度[1]和分解力的要求，它完全能勝任。而作為1 080線的高清電視信號(hào)制式，必須要求分解力的要求達(dá)到872 TVL/ph，轉(zhuǎn)換后如圖3所示，必須達(dá)到82 lp/mm的測(cè)試范圍。當(dāng)然，作為鏡頭設(shè)計(jì)者也必須在0～82 lp/mm這個(gè)測(cè)試范圍內(nèi)保證鏡頭有很好的MTF值，也就是在這個(gè)范圍內(nèi)都有良好的圖像還原能力，來滿足高清電視對(duì)對(duì)比度[1]和分解力還原的要求。

鏡頭帶寬要求測(cè)試曲線圖如圖4所示。

圖4 鏡頭帶寬要求測(cè)試曲線圖

在做鏡頭性能測(cè)試時(shí)，對(duì)于一個(gè)標(biāo)清鏡頭，僅需要考慮圖4的上方小圈Optical Bandwidth For SDTV所在的橫坐標(biāo)范圍MTF值是否優(yōu)良，即使在這個(gè)范圍之外的鏡頭MTF值再差，使用在標(biāo)清攝像機(jī)上也不會(huì)對(duì)成像效果有任何影響。而對(duì)于高清鏡頭，必須考慮下方大圈Optical Bandwidth For HDTV所在的橫坐標(biāo)范圍內(nèi)鏡頭的MTF值，這一范圍內(nèi)的所有指標(biāo)都會(huì)對(duì)高清攝像機(jī)的成像效果產(chǎn)生影響。

從上面分析得知，對(duì)于帶寬的要求，高清鏡頭約是標(biāo)清鏡頭的2.7倍，這就對(duì)高清鏡頭的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)提出了很高的要求。不論是對(duì)鏡頭透鏡材料的選擇（1個(gè)高清鏡頭可能會(huì)超過35片透鏡組合），還是對(duì)鏡頭透鏡的研磨工藝，都比標(biāo)清鏡頭的設(shè)計(jì)和制造高出了許多倍。這也就是為什么高清鏡頭的價(jià)格大大超過了標(biāo)清鏡頭的原因。

如果需要將標(biāo)清鏡頭使用在高清攝像機(jī)上，為了和高清鏡頭在同一測(cè)試指標(biāo)下做比較，那么就需要去考慮標(biāo)清鏡頭在超過31 lp/mm范圍內(nèi)的MTF值。下面就從鏡頭畫面的不同位置、鏡頭變焦范圍、不同物距聚焦范圍這幾個(gè)對(duì)于鏡頭很重要的功能來比較高清鏡頭和標(biāo)清鏡頭在同一測(cè)試值下的MTF性能，選取56 lp/mm這個(gè)線對(duì)頻率進(jìn)行測(cè)試，線對(duì)頻率所在坐標(biāo)如圖5所示。

圖5 MTF與線對(duì)頻率的關(guān)系曲線圖

首先來看在56 lp/mm這個(gè)線對(duì)頻率下，鏡頭成像的畫面不同位置的MTF值對(duì)比。如圖6所示，上面一條HDTV曲線為高清鏡頭的MTF測(cè)試曲線，另一條為標(biāo)清鏡頭的。橫坐標(biāo)為鏡頭成像位置，從左到右為從鏡頭中心點(diǎn)到鏡頭邊緣，分別對(duì)每個(gè)位置做MTF測(cè)試。

圖6 鏡頭位置MTF測(cè)試曲線圖

從圖6可以看到，不論是高清鏡頭還是標(biāo)清鏡頭，在鏡頭中心成像的對(duì)比度[1]和分解力都不錯(cuò)，越靠近鏡頭邊緣，MTF值呈下降趨勢(shì)，尤其是超過了鏡頭中心點(diǎn)和邊緣的中部，MTF值下降的斜率都有所增大。這說明同一鏡頭，被攝物體越靠近鏡頭邊緣，畫面還原對(duì)比度[1]和分解力都不如畫面中央。尤其是標(biāo)清鏡頭，在鏡頭邊緣的MTF值快速下降。而高清鏡頭的MTF值始終超過標(biāo)清鏡頭，它的對(duì)比度[1]和分解力都超過了標(biāo)清鏡頭。

再來看一下在這個(gè)線對(duì)頻率，不同的變焦范圍下高清鏡頭和標(biāo)清鏡頭的MTF值有什么變化。圖7中橫坐標(biāo)為鏡頭變焦范圍，從左至右焦距從小到大。

圖7 變焦范圍MTF測(cè)試曲線圖

當(dāng)然希望一個(gè)鏡頭在它的變焦范圍內(nèi)對(duì)被攝物體的對(duì)比度[1]和解析力的還原能力都沒有太大變化，也就是使鏡頭在變焦范圍內(nèi)的MTF曲線盡量平直[3]。但是，由于鏡頭是由很多片透鏡組合而成，而在變焦過程中，多片透鏡間相互影響，會(huì)導(dǎo)致在變焦過程中鏡頭的MTF值起伏變化，這也是鏡頭設(shè)計(jì)者需要去考慮的重要問題?？梢钥吹剑R頭往往在小焦距時(shí)有良好的MTF表現(xiàn)。另外，高清鏡頭在這個(gè)參數(shù)下有良好的MTF曲線，而標(biāo)清鏡頭的MTF值起伏變化很大。由于標(biāo)清鏡頭在設(shè)計(jì)時(shí)，并沒有考慮到超過31 lp/mm測(cè)試范圍外的MTF表現(xiàn)，也許在標(biāo)清MTF測(cè)試范圍內(nèi)，標(biāo)清鏡頭有更好的MTF曲線，但是超過它的工作范圍，它的性能就遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于高清鏡頭了[3]。

被攝物體在不同物距下要得到清晰的成像，都需要將焦點(diǎn)保持在被攝物體成像面上。圖8是在不同物距下，標(biāo)清鏡頭和高清鏡頭的MTF表現(xiàn)。

圖8 聚焦范圍MTF測(cè)試曲線圖

同樣，鏡頭的設(shè)計(jì)者也希望不同變焦范圍內(nèi)能有平直的MTF曲線，也就是說在不同距離的焦點(diǎn)下，鏡頭都對(duì)對(duì)比度[1]和分解力有良好的還原能力，但是不可能設(shè)計(jì)出如此完美的鏡頭，所以設(shè)計(jì)者會(huì)將最良好的MTF設(shè)計(jì)到最常用的拍攝焦面距離范圍內(nèi)，從上面的分析可以看出，高清鏡頭再次大大超越了標(biāo)清鏡頭的MTF性能。另外，高清鏡頭在2 m以上的拍攝范圍內(nèi)均有良好的MTF表現(xiàn)，MTF曲線比較平坦，但是對(duì)于標(biāo)清鏡頭，在這個(gè)線對(duì)頻率下，良好的MTF僅僅在2.5～5.0 m的焦面范圍內(nèi)，超過這個(gè)范圍，MTF值快速下降，這就大大限制了鏡頭的使用。

光圈也是影響鏡頭性能的一個(gè)很大因素，即使有人能設(shè)計(jì)出完美的透鏡，依然擺脫不了光圈衍射產(chǎn)生的后果。如圖9所示，橫坐標(biāo)恢復(fù)為測(cè)試指標(biāo)lp/mm，是在同一光圈下高清鏡頭和標(biāo)清鏡頭的MTF值在不同測(cè)試基準(zhǔn)下的結(jié)果。

圖9 光圈范圍MTF測(cè)試曲線圖

圖9中4條細(xì)斜線為理想透鏡下光圈和線對(duì)頻率的關(guān)系?？梢钥闯?，隨著線對(duì)頻率的增加，由于光的衍射效應(yīng)，會(huì)造成MTF值持續(xù)下降。光圈值越大，光圈孔越小，MTF曲線的斜率也就越大，也就是說還原能力下降越快?？梢钥闯?，同一光圈下，在超過31 lp/mm之后，隨著線對(duì)頻率的增大，標(biāo)清鏡頭的實(shí)際MTF值下降大大超過了高清鏡頭。

3 結(jié)論

標(biāo)清鏡頭在相同高清拍攝環(huán)境中，對(duì)畫面對(duì)比度[1]和分解力的還原能力都比高清鏡頭遜色許多，畢竟標(biāo)清鏡頭在設(shè)計(jì)時(shí)，并沒有考慮到那么大的帶寬范圍。筆者曾經(jīng)咨詢專業(yè)人士，得知如果高清和標(biāo)清鏡頭卡口和電纜線定義一致的話，標(biāo)清鏡頭可以裝在高清攝像機(jī)上，高清鏡頭也可以使用在標(biāo)清攝相機(jī)上。筆者通過大量資料查閱和推敲，雖然在使用上并沒有什么影響，但是如果將標(biāo)清鏡頭使用在高清攝相機(jī)上，對(duì)于成像質(zhì)量會(huì)有很大的影響，所以并不推薦將標(biāo)清鏡頭使用在高清攝相機(jī)上。但是如果標(biāo)清攝相機(jī)使用了高清鏡頭，可以提高標(biāo)清攝相機(jī)的成像質(zhì)量。

[1] 吳鍇，張志明，周建軍.長(zhǎng)焦距連續(xù)變焦電視跟蹤系統(tǒng)角偏差的精確測(cè)量與處理[J].電視技術(shù)，2005，29（12）：89-90.

[2] HDTV lens design management of optical aberrations[EB/OL].[2013-01-13].http://www.docin.com/p-515247226.html.

[3] 江倫，黃瑋.長(zhǎng)焦距大變倍比中波紅外變焦距系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].紅外與激光工程，2012（7）：1867-1871.