高清摄像机能否使用标清镜头——一些关于调制传递（MTF）的思考

张子斌

（安徽电视台 制作中心，安徽 合肥 230000）

1 调制传递（MTF）

MTF是Modulation Transfer Function的缩写，直译过来就是模量传递函数，也即调制传递。对于一个成像设备，比如摄像机或者数码相机，专业人士往往关心的并不是它的外形设计，而是作为成像设备，它对真实被摄物体的还原能力有多强。如果不去考虑色彩的因素，最重要的莫过于锐度和反差这两个指标，也就是对比度[1]（Contrast）和分解力（Resolution）。目前在对比度和分解力方面广泛采用MTF测试方法[2]。

某镜头的MTF测试曲线图如图1所示。

图1 某镜头的MTF测试曲线图

图1横坐标的单位为lp/mm，其中lp是Line Pairs（线对频率）的缩写，是指黑白相间测试条纹的频率，这个单位也就是每毫米黑白条纹相间出现的次数，黑白条纹越密集，lp值越大，横坐标越靠右。纵坐标代表MTF测试值，镜头对比度[1]和分解力越强，MTF值越高，镜头指标也就越好。

镜头还原能力测试图如图2所示。

图2 镜头还原能力测试图（截图）

图2左侧的数值就是镜头还原测试卡能力的百分比数值，也就是之前MTF测试曲线图上纵坐标的直观含义。MTF值越低，相应测试环境下该镜头的还原能力就越差。

当然，上面所述只是对于MTF的基本测试方法和原理，真正的MTF测试和计算要远远比这些复杂，这里不做详细介绍。笔者所关心的是标清镜头是否能使用在高清摄像机上。要解决这个问题，就需要通过MTF测量方法和参数来对标清镜头和高清镜头做详细的对比。

2 高标清镜头比较

现有电视系统中，标清电视信号（SDTV）的带宽为5.5 MHz，而高清电视信号（HDTV）的带宽为30 MHz。这些参数反过来界定了电视信号的水平分辨率，也就是每幅电视画面的水平线数，可以用TVL/ph（Television Lines per picture height）来表示。TVL/ph这个单位对于标清和高清系统都通用，可以通过数学计算和lp/mm这个单位关联起来，图3是TVL/ph和lp/mm转换的直观体现。

图3 水平解析度和线对频率的关系图

为了能更好地和对应的高清信号做对比，把标清信号也选为16∶9的画幅来做一个比较。通过图3可以知道，作为一个标清镜头，它在0～31 lp/mm这个测试范围内都有很高的MTF值，不必去关心它在高于31 lp/mm以后，也就是横坐标的测试结果如何，对于标清摄像机的对比度[1]和分解力的要求，它完全能胜任。而作为1 080线的高清电视信号制式，必须要求分解力的要求达到872 TVL/ph，转换后如图3所示，必须达到82 lp/mm的测试范围。当然，作为镜头设计者也必须在0～82 lp/mm这个测试范围内保证镜头有很好的MTF值，也就是在这个范围内都有良好的图像还原能力，来满足高清电视对对比度[1]和分解力还原的要求。

镜头带宽要求测试曲线图如图4所示。

图4 镜头带宽要求测试曲线图

在做镜头性能测试时，对于一个标清镜头，仅需要考虑图4的上方小圈Optical Bandwidth For SDTV所在的横坐标范围MTF值是否优良，即使在这个范围之外的镜头MTF值再差，使用在标清摄像机上也不会对成像效果有任何影响。而对于高清镜头，必须考虑下方大圈Optical Bandwidth For HDTV所在的横坐标范围内镜头的MTF值，这一范围内的所有指标都会对高清摄像机的成像效果产生影响。

从上面分析得知，对于带宽的要求，高清镜头约是标清镜头的2.7倍，这就对高清镜头的设计和生产提出了很高的要求。不论是对镜头透镜材料的选择（1个高清镜头可能会超过35片透镜组合），还是对镜头透镜的研磨工艺，都比标清镜头的设计和制造高出了许多倍。这也就是为什么高清镜头的价格大大超过了标清镜头的原因。

如果需要将标清镜头使用在高清摄像机上，为了和高清镜头在同一测试指标下做比较，那么就需要去考虑标清镜头在超过31 lp/mm范围内的MTF值。下面就从镜头画面的不同位置、镜头变焦范围、不同物距聚焦范围这几个对于镜头很重要的功能来比较高清镜头和标清镜头在同一测试值下的MTF性能，选取56 lp/mm这个线对频率进行测试，线对频率所在坐标如图5所示。

图5 MTF与线对频率的关系曲线图

首先来看在56 lp/mm这个线对频率下，镜头成像的画面不同位置的MTF值对比。如图6所示，上面一条HDTV曲线为高清镜头的MTF测试曲线，另一条为标清镜头的。横坐标为镜头成像位置，从左到右为从镜头中心点到镜头边缘，分别对每个位置做MTF测试。

图6 镜头位置MTF测试曲线图

从图6可以看到，不论是高清镜头还是标清镜头，在镜头中心成像的对比度[1]和分解力都不错，越靠近镜头边缘，MTF值呈下降趋势，尤其是超过了镜头中心点和边缘的中部，MTF值下降的斜率都有所增大。这说明同一镜头，被摄物体越靠近镜头边缘，画面还原对比度[1]和分解力都不如画面中央。尤其是标清镜头，在镜头边缘的MTF值快速下降。而高清镜头的MTF值始终超过标清镜头，它的对比度[1]和分解力都超过了标清镜头。

再来看一下在这个线对频率，不同的变焦范围下高清镜头和标清镜头的MTF值有什么变化。图7中横坐标为镜头变焦范围，从左至右焦距从小到大。

图7 变焦范围MTF测试曲线图

当然希望一个镜头在它的变焦范围内对被摄物体的对比度[1]和解析力的还原能力都没有太大变化，也就是使镜头在变焦范围内的MTF曲线尽量平直[3]。但是，由于镜头是由很多片透镜组合而成，而在变焦过程中，多片透镜间相互影响，会导致在变焦过程中镜头的MTF值起伏变化，这也是镜头设计者需要去考虑的重要问题。可以看到，镜头往往在小焦距时有良好的MTF表现。另外，高清镜头在这个参数下有良好的MTF曲线，而标清镜头的MTF值起伏变化很大。由于标清镜头在设计时，并没有考虑到超过31 lp/mm测试范围外的MTF表现，也许在标清MTF测试范围内，标清镜头有更好的MTF曲线，但是超过它的工作范围，它的性能就远远低于高清镜头了[3]。

被摄物体在不同物距下要得到清晰的成像，都需要将焦点保持在被摄物体成像面上。图8是在不同物距下，标清镜头和高清镜头的MTF表现。

图8 聚焦范围MTF测试曲线图

同样，镜头的设计者也希望不同变焦范围内能有平直的MTF曲线，也就是说在不同距离的焦点下，镜头都对对比度[1]和分解力有良好的还原能力，但是不可能设计出如此完美的镜头，所以设计者会将最良好的MTF设计到最常用的拍摄焦面距离范围内，从上面的分析可以看出，高清镜头再次大大超越了标清镜头的MTF性能。另外，高清镜头在2 m以上的拍摄范围内均有良好的MTF表现，MTF曲线比较平坦，但是对于标清镜头，在这个线对频率下，良好的MTF仅仅在2.5～5.0 m的焦面范围内，超过这个范围，MTF值快速下降，这就大大限制了镜头的使用。

光圈也是影响镜头性能的一个很大因素，即使有人能设计出完美的透镜，依然摆脱不了光圈衍射产生的后果。如图9所示，横坐标恢复为测试指标lp/mm，是在同一光圈下高清镜头和标清镜头的MTF值在不同测试基准下的结果。

图9 光圈范围MTF测试曲线图

图9中4条细斜线为理想透镜下光圈和线对频率的关系。可以看出，随着线对频率的增加，由于光的衍射效应，会造成MTF值持续下降。光圈值越大，光圈孔越小，MTF曲线的斜率也就越大，也就是说还原能力下降越快。可以看出，同一光圈下，在超过31 lp/mm之后，随着线对频率的增大，标清镜头的实际MTF值下降大大超过了高清镜头。

3 结论

标清镜头在相同高清拍摄环境中，对画面对比度[1]和分解力的还原能力都比高清镜头逊色许多，毕竟标清镜头在设计时，并没有考虑到那么大的带宽范围。笔者曾经咨询专业人士，得知如果高清和标清镜头卡口和电缆线定义一致的话，标清镜头可以装在高清摄像机上，高清镜头也可以使用在标清摄相机上。笔者通过大量资料查阅和推敲，虽然在使用上并没有什么影响，但是如果将标清镜头使用在高清摄相机上，对于成像质量会有很大的影响，所以并不推荐将标清镜头使用在高清摄相机上。但是如果标清摄相机使用了高清镜头，可以提高标清摄相机的成像质量。

[1] 吴锴，张志明，周建军.长焦距连续变焦电视跟踪系统角偏差的精确测量与处理[J].电视技术，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] 江伦，黄玮.长焦距大变倍比中波红外变焦距系统设计[J].红外与激光工程，2012（7）：1867-1871.