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DXOMARK测量相机的模糊度

872401.com 2020年5月8日 我爱研发网            参与:5人 我来说两句
  一、模糊度的介绍
  
  我们都知道评价一只摄影镜头成像质量的最重要因素就是成像的清晰度。清晰度可以理解为影像上各细部条纹及其边界的清晰程度。图像清晰度的视觉感受直接关系到边缘细节和图像背景的反差,也就是所谓的分辨率和对比度。分辨率是图像再现被摄景物纤维细节的能力,分辨率越高,所拍摄的影像越细腻,能展现更多的细节。而对比度是图像鲜明地再现景物中间层次的能力,对比度越高,所拍摄的影像轮廓越鲜明,边缘越锐利。分辨率高而对比度低的相机,所成影像轮廓不鲜明,边缘不锐利,给人的感觉反而不清晰。
  
  下面这个图卡测试的例子可以非常显著的看出来:四个成像系统拥有相同的极限分辨率(在这个例子中大约在13处),但是却有不同的对比度,从左到右的对比度逐渐降低,或者说模糊度逐渐增大。
 
  在整个图像上具有相同的分辨能力(有限的分辨率),但是从左到右增加了感知模糊的程度。
  
  清晰度的概念与重现被摄物细节的能力有关,自然也与调制传递函数(MTF)有关,我们通常使用MTF曲线来展现成像的清晰度。MTF表示对每个空间频率,由摄像机系统生成的图像的细节保存。它测量的是相机系统输出对比度与测试目标频率之间的关系。极限分辨率便是系统能够分辨的最高空间频率。
  
  我们常用极限分辨率作为清晰度的度量。然而,这并不十分令人满意,正如上面拍摄的图卡所示,我们没法通过极限分辨率来看到成像的对比度或称为模糊度。
  
  因此需要找到一种计算感知模糊的方法,以便可以确定成像中的对比度。这种测试方法需要满足以下条件:1、容易去解释;2、相机系统的所有组件(光学、传感器、相关软件)都可以考虑;3、感知模糊的评测不能受到图像旋转的影响;4、成像系统很容易根据感知模糊的质量等级进行分类;5、模糊的评价与传感器或感光板的大小无关;6、两个叠加系统的模糊评价是每个系统的模糊之和(可加性)。
  
  DxOMark图像实验室的研究人员根据“模糊测量的唯一性”(发表在《IEEE ICIP2004学报》)中的内容,设计了一种计算模糊系数的方法,通过扩散特定的点来测量数字图像的退化程度。
  
  由于模糊系数与面积有关,与传感器的分辨率或大小无关。它采用一个独特的数字综合了MTF曲线信息,这使得在同一个光学链中满足比较性和可加性。这个数字以模糊单位表示,缩写为BxU。相对于用lp/mm(每毫米线对)表示的清晰度的方法是对高频的测量,而BxU是对低频的MTF曲线性能的测量。令人满意的是,这与人眼对细节的感知是完全一致的。上述四种分辨率模式的BxU在模糊度方面给出了预期的排序。
  
  二、模糊度的测量
  
  DXO测量BxU是使用点图来分析的。在拍摄成像中,为保证测量的BxU值统一有效,通常要注意相机的电子变焦功能要关闭,相机的分辨率调到最大值,锐化滤镜关闭,最大程度的使用传感器,曝光修正必须停用等因素。
  
  BxU的模糊测量是在一个区域内取平均值,因此对于一个区域来说是均匀的。在Analyzer中,BxU单位是以像素的平方或像素的个数表示。
  
  Analyzer可以测量RGB图像以及RAW图的BxU值。对于RGB图像,Analyzer可在R、G、B通道以及亮度Y通道计算BxU值;对于RAW图,Analyzer可在R、Gr、Gb和B通道计算BxU值。这些值是在视场的不同位置计算出来的。
  
  通过Analyzer分析测出来的BxU值的输出如下:
  
  在这个输出列表的Summary选项中,包含了4个通道的BxU值,RGB色彩通道以及亮度Y通道。中心值以及四角处值的平均值。BxU用两种不同的单位表示:像素的平方(图像中实际测量的)和相当于20*30cm的图像的毫米的平方表示。后面这个结果主要是用于比较不同分辨率的相机。使用的时候要注意用毫米的平方表示的结果显示使用的10-3显示的
  
  在这个输出列表的Summary选项卡中,纵坐标包含R、G、B颜色通道和亮度Y通道的BxU值。横坐标包含视场中心的值和四个角的平均值。这些值以两种不同的单位表示:像素的平方(即图像中的实际测量值)和毫米的平方(相当于20*30cm的图像格式)。毫米的平方这一单位常用以比较不同分辨率的相机。请注意,mm2中的结果显示为10-3的倍数,以便于使用。
  
  我们知道了Analyzer给出的成像系统的BxU值,但是我们该如何将客观计算出来的BxU值与人主观观测的模糊程度对应起来呢?通常对于RGB图像来说,以像素的平方计算BxU值时,在0-1.5区间内,说明成像清晰度的水平是锐利的;在1.5-2.5区间内表示成像有轻微的模糊;在2.5-3.5区间内,表明成像区域内有肉眼可见的模糊;如果大于3.5,那么就表明成像过于模糊。而对于RAW图来说,BxU的值可能会更大一点,这取决于RAW转换所做的锐化处理。
  
  Analyzer分析成像系统的BxU的精度在±5%,最主要的是取决于被处理图像部分的大小。例如,如果一个模糊度的测量是4 BxU,它的精度是±0.2 BxU。
  
  一个独立的模糊度是没有意义的。总是有必要将它与影响它的参数联系起来。例如,说相机的模糊度是3.4 BxU是没有意义的。然而,在没有锐化滤镜的情况下,6 Mpix的6倍焦距相机在f/2.8下的模糊度是3.4 BxU,这是有意义的。任何有关曝光校正、降噪滤波器、饱和度或对比度的信息必须被提及,以验证测量结果。
  
  三、如何比较两台相机的模糊度
  
  比较具有不同分辨率或不同传感器大小或不同镜头的两个相机可能看起来很困难。这完全取决于如何观察两个摄像机输出的图像。通常我们采用一个输出200*300mm格式的打印图像比较。
  
  假设一张图像的像素为X,成像格式为3:2,测量的模糊度BxU值为b,以200 x 300毫米的格式打印;b可以用以下公式转换:
  
  BxU200 x 300 mm= (b x 200 x 300 / x) mm2
  
  假设打印技术不增加图像的模糊,BxU200 x 300mm的值对应于在200 x 300毫米的介质上打印图像时产生的模糊感。
  
  我们可以这么理解:如果一个图像的BxU值为b,可理解为模糊点的宽度为b像素。对于200 x 300毫米格式的打印,图像的x像素分布在一个(200 x 300) mm2的面积。因此,每个像素的面积为(200 x 300/x) mm2。对于200 x 300 mm格式的打印图像,BxU的b值对应于BxU200 x 300 mm的(b x 200 x 300 / x) mm2的值。
  
  如果我们比较两台不同分辨率的相机,我们可以转换成200 x 300mm的图像格式来比较BxU值。以单反相机为例,假如它的分辨率为3504x2336,焦距35mm,光圈f:22;而手机相机的分辨率为1600x1200,焦距4.5mm,光圈f:3.2。DSLR的BxU等于4.70;手机相机的BxU是1.55。
  
  数码单反相机BxU200 x 300mm= (4.7 x 200 x 300/(3504 x 2336))mm2= 0.0344
  
  手机相机BxU200 x 300mm= (1.55 x 200 x 200/(1200 x 1200))mm2= 0.0431
  
  因此,当以同样的分辨率打印时,单反会比手机成像更锐利。通常来说,这种模糊度的对比对于高分辨率的相机更有利,分辨率越高的图像,其模糊度就越低。
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