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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。

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工业:
安全/监控安全/监控

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监测监测

用广角镜头提高图像分辨率

发表于09/13/2019.

|作者:Mark Peterson和Andrea Iniguez，高级技术副总裁，业务发展副总裁

尽管有煽动性的媒体报道称，安全行业的百万像素竞赛已经结束，但最近与相机制造商的对话表明，情况并非如此。事实上，相机公司似乎准备好了提高赌注，并计划提高相机的分辨率，以效仿之前的手机和数码相机公司。例如，诺基亚推出了4100万像素的手机摄像头。虽然这款相机确实可以提供4100万像素的原生分辨率，但图像分辨率很可能受到镜头的限制。如果没有良好的百万像素镜头，所谓的百万像素分辨率只是一种营销炒作。在新闻中有如此多的炒作，这有助于澄清分辨率是如何定义的，以及什么因素决定图像分辨率。

很多定义

决议有很多定义;没有一个定义适用于所有情况。这里我们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

HD * 1080 2,073,600 1080 1920

2 MPix 1920000 1200 1600

3 MPix 3,145,728 1536 2048

5 MPix 4,915,200 1920 2560

表1：不同百万像素摄像头格式的像素数。

*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。

定义3:

分辨率可以是图像可以被复制或记录的细节水平。图像的细节是由分辨率决定的。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。这是我们将在本白皮书的其余部分进一步扩展的定义。

决议要求

每次视频监控应用中所需的锐度水平还没有行业标准。目标上的像素越多，分辨率越高，将更有可能的识别和正面识别。然而，更高的细节需要更高的分辨率摄像机或更多相机，因此更高的带宽和存储。有一个平衡必须在细节水平和项目预算之间进行。

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。

表2：视场来增加每个脚的像素减小，使得每个图片具有相同数量的像素，因此导致相同的网络加载量。

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。

相机图像宽度分辨率镜头焦距视场视场增加

不太宽18像素/英尺4.5毫米58?(36英尺)

1.3MPix广角18像素/英尺2.2 mm* 96?(71英尺)2 x

3MPIX超级宽19 PIX / FT 1.7 mm * 120？（110英尺）3x

5MPIX超宽18 PIX / FT 1.3 mm * 132？（144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。

*对于相同的视野，直线镜头（见下文）和具有桶形失真的镜头将具有不同的焦距。180？Fisheye镜头可具有2.2mm的焦距，因为它的失真大于80％，而直线透镜可以具有1.3mm的焦距和仅125的视野。

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

透镜的焦距越短，视场就越宽。超过90度，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®不显示桶形失真，从而保持图像分辨率到图像的边缘。

传统的桶形失真(也称为鱼眼失真)的广角镜头使图像看起来弯曲，并在中心凸出。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

利用直线透镜，垂直于相机的共同平面中的物体在中心和边缘处具有相同的图像分辨率，即使边缘处的物体远离相机。这如下图2和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。

该直线性地产生称为3D拉伸或倾斜的效果，在该效果中，图像边缘处的物体似乎被拉伸，因为它们沿着透镜的切线角度被“扁平”到平面上。通过直线镜片，宽的视野，这种效果更加明显。这种效果不是大多数人用于看到的东西，而是与具有桶形失真的镜头相比，它具有对图像边缘处的物体的分辨率（每只脚的像素）的优点。对于具有桶失真的镜头，图像边缘处的物体将小于中心的物体，并且它们将朝向中心弯曲。

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。

如下图6所示，如下图6所示，随着物体在距相机恒定距离的恒定距离周围移动，清楚地显示了分辨率的增加。由于它们移动到图像的边缘，因此距离相机11.5ft的人的图像将增加。在图像边缘处，与中心相比，它们可以更清楚地识别，并与具有筒状失真的镜头相比。具有桶形失真的镜头不会显示对象宽度的增加。

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IIA镜头的图像分辨率和视野计算。这两个图表也有来自AIRIA的图像分辨率计算器网页的公制单位。

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

与上述相同的5mpix相机具有32像素/脚的图像分辨率，距离为23英尺。

表5：根据图像宽度的单位分辨率为每英尺或仪表。对于最常见的Megapixel相机，表8也列出了像素数。

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。