高清攝像機能否使用標清鏡頭——一些關于調制傳遞（MTF）的思考

張子斌

（安徽電視臺 制作中心，安徽 合肥 230000）

1 調制傳遞（MTF）

MTF是Modulation Transfer Function的縮寫，直譯過來就是模量傳遞函數，也即調制傳遞。對于一個成像設備，比如攝像機或者數碼相機，專業人士往往關心的并不是它的外形設計，而是作為成像設備，它對真實被攝物體的還原能力有多強。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指標，也就是對比度[1]（Contrast）和分解力（Resolution）。目前在對比度和分解力方面廣泛采用MTF測試方法[2]。

某鏡頭的MTF測試曲線圖如圖1所示。

圖1 某鏡頭的MTF測試曲線圖

圖1橫坐標的單位為lp/mm，其中lp是Line Pairs（線對頻率）的縮寫，是指黑白相間測試條紋的頻率，這個單位也就是每毫米黑白條紋相間出現的次數，黑白條紋越密集，lp值越大，橫坐標越靠右。縱坐標代表MTF測試值，鏡頭對比度[1]和分解力越強，MTF值越高，鏡頭指標也就越好。

鏡頭還原能力測試圖如圖2所示。

圖2 鏡頭還原能力測試圖（截圖）

圖2左側的數值就是鏡頭還原測試卡能力的百分比數值，也就是之前MTF測試曲線圖上縱坐標的直觀含義。MTF值越低，相應測試環境下該鏡頭的還原能力就越差。

當然，上面所述只是對于MTF的基本測試方法和原理，真正的MTF測試和計算要遠遠比這些復雜，這里不做詳細介紹。筆者所關心的是標清鏡頭是否能使用在高清攝像機上。要解決這個問題，就需要通過MTF測量方法和參數來對標清鏡頭和高清鏡頭做詳細的對比。

2 高標清鏡頭比較

現有電視系統中，標清電視信號（SDTV）的帶寬為5.5 MHz，而高清電視信號（HDTV）的帶寬為30 MHz。這些參數反過來界定了電視信號的水平分辨率，也就是每幅電視畫面的水平線數，可以用TVL/ph（Television Lines per picture height）來表示。TVL/ph這個單位對于標清和高清系統都通用，可以通過數學計算和lp/mm這個單位關聯起來，圖3是TVL/ph和lp/mm轉換的直觀體現。

圖3 水平解析度和線對頻率的關系圖

為了能更好地和對應的高清信號做對比，把標清信號也選為16∶9的畫幅來做一個比較。通過圖3可以知道，作為一個標清鏡頭，它在0～31 lp/mm這個測試范圍內都有很高的MTF值，不必去關心它在高于31 lp/mm以后，也就是橫坐標的測試結果如何，對于標清攝像機的對比度[1]和分解力的要求，它完全能勝任。而作為1 080線的高清電視信號制式，必須要求分解力的要求達到872 TVL/ph，轉換后如圖3所示，必須達到82 lp/mm的測試范圍。當然，作為鏡頭設計者也必須在0～82 lp/mm這個測試范圍內保證鏡頭有很好的MTF值，也就是在這個范圍內都有良好的圖像還原能力，來滿足高清電視對對比度[1]和分解力還原的要求。

鏡頭帶寬要求測試曲線圖如圖4所示。

圖4 鏡頭帶寬要求測試曲線圖

在做鏡頭性能測試時，對于一個標清鏡頭，僅需要考慮圖4的上方小圈Optical Bandwidth For SDTV所在的橫坐標范圍MTF值是否優良，即使在這個范圍之外的鏡頭MTF值再差，使用在標清攝像機上也不會對成像效果有任何影響。而對于高清鏡頭，必須考慮下方大圈Optical Bandwidth For HDTV所在的橫坐標范圍內鏡頭的MTF值，這一范圍內的所有指標都會對高清攝像機的成像效果產生影響。

從上面分析得知，對于帶寬的要求，高清鏡頭約是標清鏡頭的2.7倍，這就對高清鏡頭的設計和生產提出了很高的要求。不論是對鏡頭透鏡材料的選擇（1個高清鏡頭可能會超過35片透鏡組合），還是對鏡頭透鏡的研磨工藝，都比標清鏡頭的設計和制造高出了許多倍。這也就是為什么高清鏡頭的價格大大超過了標清鏡頭的原因。

如果需要將標清鏡頭使用在高清攝像機上，為了和高清鏡頭在同一測試指標下做比較，那么就需要去考慮標清鏡頭在超過31 lp/mm范圍內的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對于鏡頭很重要的功能來比較高清鏡頭和標清鏡頭在同一測試值下的MTF性能，選取56 lp/mm這個線對頻率進行測試，線對頻率所在坐標如圖5所示。

圖5 MTF與線對頻率的關系曲線圖

首先來看在56 lp/mm這個線對頻率下，鏡頭成像的畫面不同位置的MTF值對比。如圖6所示，上面一條HDTV曲線為高清鏡頭的MTF測試曲線，另一條為標清鏡頭的。橫坐標為鏡頭成像位置，從左到右為從鏡頭中心點到鏡頭邊緣，分別對每個位置做MTF測試。

圖6 鏡頭位置MTF測試曲線圖

從圖6可以看到，不論是高清鏡頭還是標清鏡頭，在鏡頭中心成像的對比度[1]和分解力都不錯，越靠近鏡頭邊緣，MTF值呈下降趨勢，尤其是超過了鏡頭中心點和邊緣的中部，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，畫面還原對比度[1]和分解力都不如畫面中央。尤其是標清鏡頭，在鏡頭邊緣的MTF值快速下降。而高清鏡頭的MTF值始終超過標清鏡頭，它的對比度[1]和分解力都超過了標清鏡頭。

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

圖7 變焦范圍MTF測試曲線圖

當然希望一個鏡頭在它的變焦范圍內對被攝物體的對比度[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，會導致在變焦過程中鏡頭的MTF值起伏變化，這也是鏡頭設計者需要去考慮的重要問題。可以看到，鏡頭往往在小焦距時有良好的MTF表現。另外，高清鏡頭在這個參數下有良好的MTF曲線，而標清鏡頭的MTF值起伏變化很大。由于標清鏡頭在設計時，并沒有考慮到超過31 lp/mm測試范圍外的MTF表現，也許在標清MTF測試范圍內，標清鏡頭有更好的MTF曲線，但是超過它的工作范圍，它的性能就遠遠低于高清鏡頭了[3]。

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

圖8 聚焦范圍MTF測試曲線圖

同樣，鏡頭的設計者也希望不同變焦范圍內能有平直的MTF曲線，也就是說在不同距離的焦點下，鏡頭都對對比度[1]和分解力有良好的還原能力，但是不可能設計出如此完美的鏡頭，所以設計者會將最良好的MTF設計到最常用的拍攝焦面距離范圍內，從上面的分析可以看出，高清鏡頭再次大大超越了標清鏡頭的MTF性能。另外，高清鏡頭在2 m以上的拍攝范圍內均有良好的MTF表現，MTF曲線比較平坦，但是對于標清鏡頭，在這個線對頻率下，良好的MTF僅僅在2.5～5.0 m的焦面范圍內，超過這個范圍，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很大因素，即使有人能設計出完美的透鏡，依然擺脫不了光圈衍射產生的后果。如圖9所示，橫坐標恢復為測試指標lp/mm，是在同一光圈下高清鏡頭和標清鏡頭的MTF值在不同測試基準下的結果。

圖9 光圈范圍MTF測試曲線圖

圖9中4條細斜線為理想透鏡下光圈和線對頻率的關系。可以看出，隨著線對頻率的增加，由于光的衍射效應，會造成MTF值持續下降。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。可以看出，同一光圈下，在超過31 lp/mm之后，隨著線對頻率的增大，標清鏡頭的實際MTF值下降大大超過了高清鏡頭。

3 結論

標清鏡頭在相同高清拍攝環境中，對畫面對比度[1]和分解力的還原能力都比高清鏡頭遜色許多，畢竟標清鏡頭在設計時，并沒有考慮到那么大的帶寬范圍。筆者曾經咨詢專業人士，得知如果高清和標清鏡頭卡口和電纜線定義一致的話，標清鏡頭可以裝在高清攝像機上，高清鏡頭也可以使用在標清攝相機上。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，但是如果將標清鏡頭使用在高清攝相機上，對于成像質量會有很大的影響，所以并不推薦將標清鏡頭使用在高清攝相機上。但是如果標清攝相機使用了高清鏡頭，可以提高標清攝相機的成像質量。

[1] 吳鍇，張志明，周建軍.長焦距連續變焦電視跟蹤系統角偏差的精確測量與處理[J].電視技術，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.長焦距大變倍比中波紅外變焦距系統設計[J].紅外與激光工程，2012（7）：1867-1871.