科技论文

组件供应商

成员自2019年以来

泰亚科技是一家屡获殊荣的美国光学设计和制造公司，以质量和创新而闻名。Theia提供高性能镜头广泛的应用，包括机器视觉，工厂自动化，视频监控和智能交通系统。泰亚的专利线性光学技术®提供了超广角镜头，使用全光学畸变校正，没有桶畸变。泰亚家族的高分辨率长焦镜头非常适合ITS/LPR/ANPR和其他高细节应用。Theia镜头提供高达4K分辨率，包括多达2/3“格式的电动模型，可在C, CS和D25板安装版本。泰亚镜头是在美国设计和制造的ISO 9001和ISO 14001标准。Theia面向全球OEM公司、分销商和集成商销售产品。泰亚还提供光学工程和定制设计服务，并拥有多项已颁发和正在申请的美国和外国镜片技术专利。

下内容提交:

工业:
安全/监控安全/监控

应用程序:
监测监测

如何计算图像分辨率

发布09/13/2019

图像的细节是由分辨率决定的。透镜的焦距越短，视场就越宽。大于90?大多数镜头开始显示弯曲，桶形扭曲的图像压缩图像的边缘。直线透镜，如那些使用Theia技术的线性光学技术™不会显示桶形失真，从而保持图像分辨率直到图像边缘。

很多定义

决议有很多定义;没有一个定义适用于所有情况。这里我只列出与视频监控行业相关的定义。

定义1:分辨率可以表示为用于记录图像的图像传感器的电视线数或像素数。线条的数量越多，相机记录的细节或视场就越大。对于模拟摄像机，这是通常的定义。图像中的电视线路数可达320、480、570等。

定义2:分辨率可以表示为像素的总数。对于百万像素的相机，分辨率通常是总像素数除以100万，然后四舍五入。下面的表1显示了典型的百万像素相机分辨率的例子。

Megapixels像素总数垂直像素水平像素

高清* 720 921600 720 1280

1.3 MPix 1,310,720 1024 1280

高清* 1080 2073,600 1080 1920

2 MPix 1920000 1200 1600

3 MPix 3,145,728 1536 2048

5 MPix 4,915,200 1920 2560

表1:不同百万像素相机格式的像素数。

*高清视频有两种定义。1080高清相机的两倍分辨率意味着比720高清相机有两倍的细节和视野。

清晰度3:分辨率可以是图像能够被复制或记录的细节水平。在图像传感器分辨率表示为镜头设计者和光学工程师常用的每毫米线对(lpm)。当图像传感器上的像素总数增加时，像素大小就会变小，需要更高质量的镜头来实现最佳聚焦。这些高质量的镜头，包括Theia技术公司生产的镜头，被评为百万像素或百万像素相机，这意味着图像将在相机的分辨率下清晰聚焦。

定义4:分辨率可以用物体上每英尺或米的像素来表示。图像传感器的尺寸映射到物体上是计算图像中可以看到的细节层次的最直观的方法。从根本上说，它是相机的水平视场(HFOV)除以水平像素数。这就给出了与图像质量相关的每英尺像素数。这是我将在本白皮书的其余部分进一步扩展的定义。

决议要求

对于每个视频监控应用所需的清晰度水平，目前还没有一个行业标准。一个目标上的像素越多，分辨率就越高，越有可能被识别和积极的识别。然而，更高的细节要求更高分辨率的摄像头，或更多的摄像头，从而需要更多的带宽和存储空间。必须在细节和项目预算之间取得平衡。

在下面的表2中，一幅图像显示了不同级别的分辨率，从“高细节”(60像素/英尺清晰识别)到“运动跟踪”(10像素/英尺宽视场)。每幅图像都有相同数量的像素，但随着视野的增加，图像中每英尺的像素会减少。因为一张图像中没有比另一张图像更多的像素，所以不会影响通过网络传输的数据量，也不会因为获得更高的图像分辨率或更大的视场而降低网络性能。

识别(高细节)60 200检测(一般安全)20 70

表2:随着视野的增加，每英尺像素减少，因此每张图片有相同数量的像素，从而导致相同数量的网络加载。

广角视野

百万像素相机更高分辨率的另一个优势是，与模拟相机相比，它能够以相同或更好的分辨率覆盖更广的区域。由于整个视场的可用像素总数更大，所以可以在不降低图像分辨率的情况下增加视场。

下面的表3比较了不同相机在距离被摄对象32英尺处以相同图像分辨率的视场。随着相机分辨率(总像素数)的增加，恒定图像分辨率(每英尺像素数)下的视场也会增加。很明显，相机中的像素越高，在恒定图像分辨率下的视场就越宽。下面的图1也显示了这种视野的增加。

相机图像宽度镜头焦距视场分辨率视场增大

不太宽的4.5毫米58?(36英尺)18像素/英尺

广角2.2 mm* 96?(71英尺)18像素/英尺2X

超宽1.7 mm* 120?(110英尺)19 pic /ft 3X

超宽1.3 mm* 132?(144英尺)18像素/英尺4X

表3:图像分辨率不变时，图像宽度随像素总数的增加而增加。

*对于同一视场，直线透镜(见下文)和桶形畸变透镜的焦距不同。一个180 ?鱼眼镜头的焦距可达2.2mm，因为它具有超过80%的失真，而直线镜头的焦距可达1.3mm，视场仅为125°。

图1:视野随着相机分辨率(总像素数)的增加而增加，而图像分辨率(像素每英尺)没有任何变化。300万像素和500万像素的图像被垂直裁剪，以消除图像中无趣的天空和地面区域。这种裁剪减少了像素的总数，但不影响每英尺分辨率的像素

直线诉鱼眼

大多数广角镜头都有筒形失真(也被称为鱼眼失真)，这使得图像看起来是弯曲的，在中心突出。直镜头，就像Theia科技公司为安防行业制作的那些镜头，可以让在图像传感器上看起来笔直的线条在现实世界中保持笔直。这增加的好处在边缘图像的分辨率(即一个物体能够涵盖更多的像素在图像对象的边缘图像)而与桶形失真镜头使图像压缩边缘和分辨率降低。对于典型的扭曲的广角镜头，潜在的有价值的信息在镜头中丢失，没有软件，变形或其他，可以在图像中重新捕获或重建这些丢失的信息。任何变形都将创建一个像从直线透镜，但在低分辨率的图像。使用直线透镜，图像在边缘分散在更多的像素上，增加了检测和识别的概率。

平面内物体

使用直线透镜，在垂直于相机的公共平面上的物体在中心和边缘具有相同的图像分辨率，即使边缘上的物体离相机远得多。如下面的图2和图3所示。

图2:垂直于相机的平面上的物体在图像的中心和边缘具有相同的图像分辨率。

图3:这些目标位于一个10x10英尺的网格中。在距离相机20英尺的地方，使用Theia的SY110镜头，120度视野，HFOV为60英尺。图像边缘的目标距离相机的距离是原来的两倍，但却比图像中心沿同一平面的目标看得更清楚。

这种直线产生了一种称为3D拉伸或倾斜的效果，在这种效果中，图像边缘的物体似乎被拉伸了，因为它们沿着与镜头相切的角度被“压平”到一个平面上。对于直线镜头，视野越宽，这种效果就越明显。这种效果并不是大多数人所习惯看到的，但它的优势在于提高了图像边缘物体的分辨率(每英尺像素)，而不是带有桶形失真的镜头。对于桶形失真镜头，图像边缘的物体会比中心的物体小，并且会向中心弯曲。

下面的图4显示了这种3D拉伸。靠近图像边缘的黑色汽车的长度沿一个陡峭的切线角度被压平在图像平面上，因此它看起来被拉伸了。但这两辆车的宽度是相同的因为它们在同一平面上，垂直于摄像机。因为这种效果只在物体的长度与相机在第三个(深度)维度平行时才会出现，比如汽车的长度，所以它被称为3D拉伸。

图4:三维拉伸。物体沿着切线投影到图像平面上，使得与镜头轴平行的图像边缘的物体看起来被拉伸了。

弧形物体

对于直线镜头，以相机为中心的弧线中物体的分辨率计算稍微复杂一些。当一个物体在不改变与相机距离的情况下从图像中心向边缘移动时，该物体的分辨率将显著提高。如下面的图5和图6所示。

图5:距离相机等距离的圆形物体，随着它们从图像中心移动到边缘，分辨率会增加。

这种情况，如图6所示，清楚地显示了当物体在距离相机恒定距离的弧线上移动时，分辨率会增加。当一个人站在距离相机11.5英尺的地方，当他移动到图像的边缘时，由于3D拉伸，他的图像将会增加宽度。在图像边缘，它们可能比中心和与桶形失真的镜头更清楚地识别。有筒形失真的镜头不会显示物体宽度的增加。

图6:当被摄对象以摄像机为中心在一个圆圈内移动时，由于3D拉伸，被摄对象的尺寸会增大，使他们更容易在图像边缘被识别。这135 ?视场是用忒伊亚的SY125镜头拍摄的。

基于线性光学技术的透镜分辨率性能

下图显示了图像分辨率和水平视场(HFOV)作为Theia的直线镜头的相机距离的函数。例如，如果一个使用5MPix相机和Theia的SY110镜头的普通监控应用程序需要每英尺20像素，相机需要离图像中心的物体37英尺远。如图1所示，当物体垂直于相机移动时，图像分辨率将保持为每英尺20像素，即使物体离相机越来越远。广角非直线透镜的分辨率会随着物体沿这条线运动而降低。

图7a和7b:基于忒亚镜头的图像分辨率和视场计算。这两个图表也可以从忒亚的图像分辨率计算器的网页上获得公制单位。

解析计算

给定一个镜头和相机，可以使用下面的简单方程来计算图像分辨率。如果不知道视场，可以用表4中的方程计算直线透镜的视场。如果镜头有枪管变形，最好在规格表中查找HFOV。

直线透镜视场作为透镜焦距的函数:示例

5MPix相机配有Theia的SY110镜头，视野为80英尺，距离为23英尺。

表4:直线透镜HFOV作为焦距的函数。芯片宽度取决于相机。表8列出了最常用的尺寸。

一旦计算出水平视场，并且知道相机，图像分辨率就是像素与HFOV的比值。

图像分辨率作为视场的函数示例

同样的5MPix相机在23英尺外的图像分辨率为32像素/英尺。

表5:分辨率，单位为像素每英尺或米，取决于图像宽度的单位。最常见的百万像素相机的像素数也在表8中列出。

透镜焦距用于给定图像分辨率的计算

对于一个已知分辨率要求的设计，可以将上面的方程倒转来计算给定相机所需的镜头焦距。这个方程如下所示。