图像IQ测试以及Imatest软件的使用说明.docx
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1、图像质量测试和 Imatest 软件的使用说明编号版本备注author1V 1.02022-7-21,首版做成不再晃荡2345目录1. 解析力(Sharpness)41.1. 测试标准和测试图卡41.2. 测试原理介绍61.3. 测试方法82. 白平衡(WB)和色准(Color Accuracy)172.1. 白平衡原理172.2. 白平衡、色彩准确度测试182.3. 结果分析(图表分析)243. 亮度和色彩均匀性(Uniformity)283.1. 亮度和色彩均匀性介绍283.1. 亮度和色彩均匀性测试294. 动态范围(Dynamic Range)324.1 宽动态 HDR 介绍324.2
2、 动态范围表示方法和定义。334.3 HDR 测试方法365. 噪音(Noise)和信噪比(SNR)415.1 噪声和信噪比介绍415.2 噪音的测试426. 曝光准确性(Exposure Accuracy)和 ISO466.1 曝光准确性和 ISO 介绍466.2 曝光准确性 ISO 测试方法477. 畸变(Distortion)487.1 畸变介绍487.2 畸变计算公式507.3 畸变的测量518. 色差(Chromatic Aberration)548.1 色差(CA)介绍548.2 色差的测量599. 耀斑(flare)和杂散光(stary light)649.1 flare 介绍6
3、49.2 Flare 的测试679.2.1 参照ISO 18844进行测试679.2.2 使用 Kodak Q-13Q-14 灰阶卡进行测试721. 解析力(Sharpness)1.1. 测试标准和测试图卡国际标准组织(ISO)定义了成像系统锐利度(解析力)的测试标准:ISO 12223。 ISO 12223 标准详细定义了测试的方法、以及测试所用的标准图卡。最早发布的标准是:ISO 12223:2000,后来又先后发布了 ISO 12223:2014 和 ISO 12223:2017。其中 ISO 12223:2000对应使用的测试图卡如下图 1 所示:图 1通常运用此图卡通过读取 TV l
4、ine 的方式获取成像系统的解析力。此图卡目前已经落后汰了,取而代之的是使用 ISO 12223:2014 Edge(eDFR)测试卡,eSFR 图卡有标准版、增强版、扩展版,如下图 2,图 3 所示:图 2图 3Imatest 推荐使用 SFRplus 图卡来测量锐利度(解析力),SFRplus 在测试锐利度(解析力)的时候准确性相较 eSFR-iso 更高,SFRplus 图卡如下图所示。图 41.2. 测试原理介绍成像系统的解析力通常通过 MTF 曲线来表示,MTF(Modulation Transfer Function)译为调制传递函数。调制度随空间频率变化的函数称为调制度传递函数(
5、MTF)。这里有两个名词需要理解:调制度和空间频率。这里我们先看空间频率。我们都知道光学上的分辨率使用线对每毫米(lp/mm)来表示,那什么是线对呢,如图 5 所示,线对就是指相邻的黑白两条线,即一黑一白两条线称为一个线对。图 5了解了什么是线对我们再看什么是空间频率,空间频率指的是单位长度内(1mm)线对的数量,所以这里的单位也用 lp/mm 表示而不是(HZ),参见图 6 理解,图 6 中列出了三种常用空间频率,分别是 10lp/mm,20lp/mm 和 30lp/mm,代表了低频、中频和高频。注:需要说明的是这里的空间频率不是指测试的标板中需要在1mm 的宽度内画出多少线 对,而是由成像
6、系统生成图像后,根据Sensor 的尺寸大小计算获得的平均每毫米(mm)sensor 能拍摄多少条线对。图 6MTF 值= M / MM=(Imax Imin)/(Imax + Imin)=( 照度的最大值-照度的最小值) /( 照度的最大值 + 照度的最小值)其中 M和 M 代表的是调制度,M 是测试标板(参见图 5)本身的调制度,M是成像后得到的调制度。由公式可知调制度的取值范围为 0 到 1,理想状态下为 1。照度的最亮值和最最小值指一对线对中的最亮部分和最暗部分。了解了空间频率我们再来看看什么是调制度,这里先看下 MTF 数学方程:由 MTF 的数学公式可知,只要知道调制度 M 即可计
7、算出 MTF 值,而要计算调制度 M 和 M就需要得到测试标板和成像后的照度最大值和最小值。如图 7 所示,虽然线对疏密程度不同,但是原始测试标板的最大亮度和最小亮度都为 600:1,可以计算得调制度 M = (600-1)/(600+1)图 7而标板经过成像系统以后拍摄的图像有可能变成如图 8 所示。可以看到随着线对密度的增加,线对会变得越来越模糊,对比度也越来越低,直到完全无法区分。图 8至此我们已经了解了什么是 MTF,由以上讲解可知,MTF 值总是介于 0 到 1 之间,相同测试条件下可以认为 MTF 值越接近 1 说明成像系统解析力越好。反过来也可以这么认为:在相同 MTF 的情况下
8、成像系统每毫米显示的线对越多越能表明成像系统的解析力越好。我们经常会参考 MTF 分别为 50 、20 的时候,成像系统能每毫米能显示的线对判定图像的清晰度谁更好。1.3. 测试方法Imatest 软件并没有直接通过测试线对的方式计算 MTF,而是推荐使用 SFRplus 图卡进行图像解析力的测试。SFRplus 图卡配合 Imatest 软件提供的算法可以得到准确的 MTF,从而反应成像系统的解析力。SFRplus 除了能测试解析力(锐利度)外还可以测试噪声、色调等,Imatest 和 SFRplus的详细教程可参考 Imatest 官方教程:这里我们先介绍下测试环境和要求。1) 测试环境在
9、开始使用 Imatest 软件分析前我们需要搭建好测试环境并拍摄好图片,一个准确的测试环境是保证测试分析结果准确的前提,测试环境的基本要求如下:l 使用反射式面光源以左右 45夹角照射测试卡。l 色温建议 D65 或者 D50。l 照度建议需要达到 900lux。l 均匀性需大于 90%(4 倍测试卡大于 80%)。2) 拍摄要求拍摄环境搭建好后就可以对测试图卡进行图片拍摄了,拍摄测试图卡也是有要求的:l 尽量保持拍摄的图卡水平居中对齐。l 拍摄 SFRplus 图卡时,图卡的上下要留一段白色区域,并且此区域的高度应该占整幅图像的 0.5%到 25%,最佳范围为 1%到 6%。参考图 9 箭头
10、所示位置。l 图卡的左右两边缘可以不包含在拍摄的图像内,如图 9 所示,。也可以整张图卡都包含在拍摄的图片内,但是要保证图卡的周围背景色尽量少的产生干扰,背景色最好是白色或者轻灰色。如图 10 所示。图 9图 103) Imatest 软件使用经过第 2 步,拍摄好图片后就可以把图片导入到 Imatest 软件进行自动分析了。这些先看下 Imatest 的主界面,如图 11。使用 SFRplus 图卡测试我们只需关注图中红框里的自动分 析 SFRplus 和 SFRplus 设置两个功能模块。图 11通过自动分析 SFRplus 功能模块 Imatest 可以自动分析出图像并给出结果,不过在执
11、行自动分析 SFRplus 之前应该选择 SFRplus 设置进行基本的设置。接下来我们看下整个测试过程。l 首先点击 SFRplus 设置进行基本的配置,点击 SFRplus 设置后先会弹出一个文件选择框,选择需要测试的图片文件(可以多选)打开后出现图 12 的基本设置界面。一般情况下图中红框 1 部分保持默认设置即可。2 中的 ROI 选择和分析项可根据需求选择多个区域,分析的边缘也可以选择垂直或水平或两者。图 12l 点击更多设置可以设置更多的选项,如图 13 所示,主要分三大部分:显示选项、设置、可选参数。图 131显示选项MTF 绘图单位此项选择 MTF 曲线图中空间频率的单位,前文
12、说过空间频率用 lp/mm(Cycles/mm)来表示,lp/mm 主要用于测试胶卷,对于 cmos 等数字传感器 sensor 来说转换成使用 Cycles/pixel 或者 LW/picture height 会跟直观方便。Lp/mm 和 lw/ph 的转换公式为:2 * lp/mm * (picture height in mm)注:1 Cycle = 1 Line Pair (LP) = 2 Line Widths (LW)像素尺寸用于反应像素的大小,有三种表示方式(单位)其他显示结果默认情况下 MTF 图会显示出 MTF 为 50%时的空间频率,除此之外我们还可以在这个选项里曾加显示
13、 MTF 为其他值时(例如 20%P)的空间频率。一共可以增加显示三项如图:边缘绘图说实话我没看懂用来干啥的,选默认就好了,这软件真操蛋各种专业名词,各种设置,一般人玩不转。后面再慢慢研究吧专家模式和简单模式选择专家模式会有很多设置项可以进行修改设置,简单模式下很多设置下采用了默认值,不用修改,Imatest 提供了很多设置项,如果不是很理解这些测试项的作用,建议使用默认值即可。2设置在设置选项我们主要关注下图红框中的 Bar-to-bar 和 Lens-to-chart 两个参数即可,其中 Bar-to-bar 标注在你所使用的 SFRPlus 上,Lens-to-chart 是测试的摄像头
14、镜头到图卡的距离,需要使用尺子或测距仪测量,Imatest 获取 Lens-to-chart 是为了测量镜头的角度。3可选参数此部分可以填入一些可选的参数。包括焦距、光圈、快门、ISO 等。完成更多设置设置后可以点击跳转到 SFRplus 自动模式设置直接跳转到自动模式设置。自动设置模式的界面如下图所示。图 14自动模式设置主要控制自动测试的输出结果,可以控制选择各种输出结果,包括图 14中 1 单个区域(ROI)的边缘/MFT 图、色差图、噪声直方,频谱,统计图、主观质量的因素/锐度图、边缘粗糙度图。此外还可以控制输出多个区域(ROI)的汇总图,如图 14 中 2 所示,可以选择多种输出总图
15、。各种设置完成后在点击确定,回到 SFRplus 设置设置界面,点击确定或者保存并关闭,刚刚设置好的各种参数会自动保存,下次测试时会使用此次设置的参数。4) 结果分析完成 3 步骤的设置后,可以使用 Imatest 自动分析结果了,点击自动分析 SFRplus 按钮载入要分析的图片,Imatest 即可输出之前设置的想要的分析结果,各种结果将会以图表的形式输出。关于解析力的结果我们主要关注两张图:Multi-ROI summary display(图 15)和 Edge and MTF display。图 15从图 15,Multi-ROI summary display 图中可以看到测试所选
16、的区域(ROI)对应的 MTF50和 MTF20 对应的空间频率,其中黄框内的数字代表 MTF50 对应的空间频率,灰色框代表的是 MTF20 对应的空间频。图 16 是一张 Edge and MTF display 图,图中上半部分图描述了边缘轮廓的变化,主要看10%到 90%之间的上升距离,值越小说明锐化越好,对应解析力越好。下部分是 MTF 随空间频率变化的曲线,横坐标是空间频率,纵坐标是 MTF 值,可以看到 MTF 随着空间频率的增加会不断的下降。我们主要关注 MTF50 和 MTF50P 对应的空间频率,值越大说明解析力越好。图 165)2. 白平衡(WB)和色准(Color Ac
17、curacy)2.1. 白平衡原理接触过摄影的都会知道,如果相机不做白平衡出来,在不同物体下拍摄的图片会出现偏色的现象(高色温偏蓝、低色温偏红)。我们都知道每种颜色都能用 RGB 颜色空间表示,色温对颜色的影响(偏红或者偏蓝),实际是影响到了 RGB 分量,相当于拍摄的照片在不同色温的情况下没办法得到物体原本正确的 RGB 分量,所以就有了偏差。相机白平衡的作用就是为了还原物体的真实色彩,白平衡的准确性是反映相机成像质量的重要指标之一。前面已经说了色温会影响物体颜色的 RGB 分量(R 或者 B),具体不同色温下 R 或者 B分量的偏差一般可以通过灰阶图片(灰阶图片 R=G=B)进行测量,如图
18、 17,左侧是 24 色卡图,图卡最后一行是灰阶图,正常情况下我们可以检查不同色温下,灰阶成像的 RGB 值是否相等(或者通过判断 RGB 的差值)来判断白平衡的好坏。图 172.2. 白平衡、色彩准确度测试Imatest 也推荐使用 24 色卡进行白平衡测试, 一般情况下白平衡使用 Imatest 的 ColorCheck 模块进行测试,也可以使用 Multichart 或者 Multitest 模块进行测试,这两个模块功能更强大。我们这里还是以常用的 ColorCheck 模块进行白平衡和色彩还原度测试,另外两个模块感兴趣的童鞋可以参照 Imatest 自己摸索。图 18ColorChec
19、k 模块配合 24 色卡出了可以测试白平衡和色彩准确性还可以测试噪声和信噪比。这里主要介绍测试 AWB 和色彩准确性,测试的环境要求如下:l 色卡不需要充满整个画面,参见图 19。其实如需要测试噪声,色卡占的像素宽度 300到 1500 范围内就够了,如果只是分析白平衡,只需要 100 个像素宽度。图 19l 光照均匀性需保持正负 5%,测试白平衡时色卡周围可以加入一些可以影响白平衡的场景,可以更准确的评估白平衡。l 不同色温下白平衡的准确度也不一样,建议测试不同色温下的结果,室内、室外、白炽灯、日光灯等。当图片拍摄好后就可以使用Imatest 进行测试分析了,点击 ColorCheck 导入
20、测试的图片,再点击选择整个图像,出现图 20 所示界面。图 20如图 21,通过 1、2、3 可以调整整感兴趣区域,Imatest 会分析这些区域,需要保证每个蓝色小方框都能准确框再 24 色卡对应的色块内。图 21选择好感兴趣区域以后点击是的,继续按钮,会弹出图 22 设置界面。下面我们详细介绍下各项设置内容:ColorCheck 参考lets you select the ideal (reference) ColorChecker L*a*b* values,保持默认吧暂不理解具体作用。颜色空间文件的颜色空间,图片一般用是 sRGB测试结果图中,噪声的绘图方式。有五种表示方式可以选择。一
21、般用第五种,dB 的方式表示的多。(反应色彩准确度)测试结果图中,色差的值。有多种值可选:几种值的解释含义如下:Delta-C, Delta-E (standard (a*b*):CIE 1976 measurements. Geometrical distance on the a*b* plane ( Cab) or in L*a*b* color space ( Eab). Familiar, but not accurate for strongly chromatic colors.Delta-C 94, Delta-E 94:CIE 1994 measurements. Much
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- 图像 IQ 测试 以及 Imatest 软件 使用说明
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