數(shù)字移動(dòng)終端與數(shù)碼照相機(jī)成像差異

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(1.上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院, 上海 201114; 2.上海精密計(jì)量測(cè)試研究所, 上海 201109)

引 言

隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展,數(shù)字移動(dòng)終端的成像系統(tǒng)性能日益提高,已經(jīng)逐步取代了普及型數(shù)碼照相機(jī),再加上飛速發(fā)展的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方便了人們隨時(shí)上傳分享照片影像,使得數(shù)字移動(dòng)終端成為人們?nèi)粘Ｉ钪信臄z圖像和視頻的首選工具,更有趕超入門級(jí)單反照相機(jī)和無反照相機(jī)(微單照相機(jī))的趨勢(shì)[1]。數(shù)字移動(dòng)終端便于攜帶,經(jīng)常在日光下、室內(nèi)和夜間室外等各種不同場(chǎng)合拍攝,使用環(huán)境變化范圍大,拍攝的照片影像質(zhì)量參差不齊,與數(shù)碼照相機(jī)拍攝得到的照片影像在多個(gè)參數(shù)上存在差異。

本文針對(duì)數(shù)字移動(dòng)終端和數(shù)碼照相機(jī)各自的成像特點(diǎn),數(shù)字移動(dòng)終端依據(jù)《YD/T 1607—2007數(shù)字移動(dòng)終端圖像及視頻傳輸特性技術(shù)要求和測(cè)試方法》,數(shù)碼照相機(jī)依據(jù)《GB/T 29298—2012數(shù)字(碼)照相機(jī)通用規(guī)范》,分別對(duì)影像傳感器缺陷、白平衡、動(dòng)態(tài)范圍、色彩還原、像面亮度均勻度、典型照度下成像性能等方面進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的整合分析,得到了數(shù)字移動(dòng)終端和數(shù)碼照相機(jī)在拍攝影像質(zhì)量方面的差異,對(duì)不同需求的實(shí)際拍攝具有借鑒指導(dǎo)意義[2]。

1 理論分析

成像設(shè)備的影像性能是光學(xué)鏡頭、電子影像傳感器和圖像處理模塊共同作用的結(jié)果,整個(gè)成像的工作過程如圖1和圖2所示。光學(xué)鏡頭獲得了光信號(hào),再通過電子影像傳感器以數(shù)字采樣方式得到原始圖像編碼數(shù)據(jù),或稱之為數(shù)字底片,這種數(shù)字底片類似于傳統(tǒng)相機(jī)中的膠卷底片,能夠直接體現(xiàn)光學(xué)鏡頭和電子影像傳感器的性能。最后由圖像處理模塊將數(shù)字底片處理成用戶最終獲得的照片,這一步類似于膠卷的沖印過程或者Photoshop的圖片處理功能,都是按生產(chǎn)廠商的設(shè)定自動(dòng)對(duì)數(shù)字底片進(jìn)行處理修改。

圖1 數(shù)字移動(dòng)終端成像原理圖Fig.1 Imaging principle of mobile terminal

圖2 數(shù)碼照相機(jī)成像原理圖Fig.2 Imaging principle of digital still camera

1.1 數(shù)字移動(dòng)終端成像原理

數(shù)字移動(dòng)終端成像設(shè)備的工作原理如圖1所示,拍攝目標(biāo)景物的光線通過鏡頭生成的光學(xué)圖像投射到圖像傳感器表面,光電轉(zhuǎn)換器件將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)轉(zhuǎn)換后變?yōu)閿?shù)字圖像信號(hào),再送到數(shù)字信號(hào)處理芯片(含CCD)中進(jìn)行加工處理,最后通過數(shù)據(jù)傳輸端口將圖像信號(hào)顯示到手機(jī)屏幕上,用戶獲得圖像[3]。其中圖像傳感器是數(shù)字移動(dòng)終端成像設(shè)備的核心成像部件,決定成像質(zhì)量(圖片像素)的優(yōu)劣[4]。圖像傳感器主要分為電荷耦合器件(CCD)和互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)兩種[5]。CCD傳感器具有高靈敏度、高分辨率、低噪聲等優(yōu)點(diǎn),主要應(yīng)用在數(shù)碼相機(jī)上;CMOS傳感器具有低成本、低功耗以及高整合度的特點(diǎn),通常用在數(shù)字移動(dòng)終端上。

1.2 數(shù)碼照相機(jī)成像原理

數(shù)碼照相機(jī)的成像原理和數(shù)字移動(dòng)終端基本一致(圖2),只不過數(shù)碼照相機(jī)比數(shù)字移動(dòng)終端多了快門和光圈對(duì)曝光的控制,且光路結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜[6]。數(shù)碼照相機(jī)拍攝時(shí),影像光線通過鏡頭入射到數(shù)字相機(jī)的感光元件,光電二極管接收到光信號(hào),激發(fā)釋放出電荷,感光元件產(chǎn)生模擬電信號(hào)[7]。控制感光元件的芯片利用感光元件中的控制信號(hào)線路對(duì)光電二極管產(chǎn)生的電信號(hào)進(jìn)行控制,感光元件會(huì)將一次成像產(chǎn)生的電信號(hào)收集起來統(tǒng)一輸出[8]。經(jīng)過放大和濾波后的電信號(hào)被送到模數(shù)轉(zhuǎn)換器,由模數(shù)轉(zhuǎn)換器將此時(shí)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),數(shù)值的大小與電信號(hào)的強(qiáng)度即電壓的高低成正比,最后形成數(shù)字圖像,此時(shí)的數(shù)據(jù)保證了最原始的數(shù)字圖像的細(xì)節(jié)和面貌,沒有經(jīng)過任何加工處理。原始的數(shù)字圖像會(huì)被輸出到數(shù)字信號(hào)處理器[9]。在信號(hào)處理器中,這些圖像數(shù)據(jù)將經(jīng)過色彩校正、白平衡調(diào)整(這一步依據(jù)數(shù)字相機(jī)中的設(shè)定而進(jìn)行,不同品牌的設(shè)定有很大的區(qū)別)等后期處理,并且被編碼為數(shù)字相機(jī)可以讀取的數(shù)據(jù)格式后保存到存儲(chǔ)介質(zhì)[10]。

2 實(shí)驗(yàn)部分

實(shí)驗(yàn)針對(duì)數(shù)字移動(dòng)終端和數(shù)碼照相機(jī)的成像系統(tǒng)性能進(jìn)行測(cè)試比較,除成像系統(tǒng)之外其他部分(如屏幕等)的性能不在實(shí)驗(yàn)考慮范圍內(nèi)。數(shù)字移動(dòng)終端樣品只提供拍攝和存儲(chǔ)照片的功能,拍攝的測(cè)試用照片均通過專業(yè)處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析并獲得相關(guān)的測(cè)試結(jié)果。

2.1 電子影像傳感器缺陷

電子影像傳感器類似于原來的相機(jī)膠卷,但它是由數(shù)百萬個(gè)像素單元組成的,每個(gè)單元都能將獲得的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)并進(jìn)行記錄。每個(gè)單元就是圖像中的一個(gè)點(diǎn),許多個(gè)這樣的點(diǎn)組成了數(shù)字照片。所謂的壞點(diǎn)就是指那些不能正常工作的像素單元,若干個(gè)壞點(diǎn)連在一起就變成電子影像傳感器上的一處缺陷。當(dāng)我們看到一張有明顯黑點(diǎn)或者白點(diǎn)的照片時(shí)會(huì)感覺不舒服,所以缺陷的多少會(huì)直接影響照片圖像的好壞以及用戶的使用感受[11]。實(shí)驗(yàn)中使用移動(dòng)電話機(jī)樣品拍攝中性灰測(cè)試圖的方法檢測(cè)電子影像傳感器。所測(cè)試的10臺(tái)數(shù)碼相機(jī)和10臺(tái)數(shù)字移動(dòng)終端均表現(xiàn)良好,沒有出現(xiàn)明顯的電子影像傳感器缺陷。

2.2 白平衡

偏黃的暖色溫?zé)艄夂推椎睦渖珳責(zé)艄庹丈湓谕粋€(gè)物體上時(shí),我們看到顏色是不一樣的,這也是為什么很多人覺得網(wǎng)上或者店里看到的衣服和實(shí)際拿到的衣服顏色是不一樣的。拍攝照片時(shí)也會(huì)遇到這個(gè)問題,但是用戶總是希望自己拍的照片盡可能接近真實(shí),這時(shí)候就需要白平衡功能[12]。根據(jù)三原色理論,白色是通過紅、綠、藍(lán)三色按照相同的比例混合而成的,所以白平衡就是對(duì)準(zhǔn)一個(gè)白色或者灰色的目標(biāo),然后通過軟件調(diào)節(jié)紅、綠、藍(lán)的比例校準(zhǔn)電子影像傳感器中的電信號(hào)。實(shí)驗(yàn)中照明光源的色溫分別為3 400 K(暖色溫)和6 500 K(冷色溫),通過拍攝標(biāo)準(zhǔn)彩色測(cè)試圖(圖3),然后再經(jīng)過專業(yè)軟件分析特定測(cè)試區(qū)域(圖4)來測(cè)試照相機(jī)和數(shù)字移動(dòng)終端的白平衡性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在色溫為6 500 K時(shí),照相機(jī)和數(shù)字移動(dòng)終端均表現(xiàn)出了較好的白平衡性能,而在色溫為3 400 K時(shí),照相機(jī)的白平衡性能表現(xiàn)良好,數(shù)字移動(dòng)終端則出現(xiàn)了較大的偏差,但從整體上看各個(gè)數(shù)字移動(dòng)終端的白平衡性能基本能夠滿足用戶的拍攝需求。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)彩色測(cè)試圖及對(duì)照表Fig.3 Color-chart and reference table

圖4 白平衡測(cè)試區(qū)域Fig.4 White balance chart

2.3 動(dòng)態(tài)范圍

動(dòng)態(tài)范圍最早是信號(hào)系統(tǒng)的概念,對(duì)于電子影像傳感器來說,動(dòng)態(tài)范圍表示圖像中可區(qū)分的從“最暗”至“最亮”的范圍。動(dòng)態(tài)范圍越大,成像模塊所能表現(xiàn)的層次越豐富,能同時(shí)記錄的暗部細(xì)節(jié)和亮部細(xì)節(jié)也越多[13]。實(shí)驗(yàn)中使用20階的標(biāo)準(zhǔn)灰階測(cè)試圖(圖5),然后通過專業(yè)軟件分析從黑到白可識(shí)別的灰階級(jí)數(shù)。結(jié)果顯示,所有的數(shù)碼照相機(jī)均能分辨20階灰階,數(shù)字移動(dòng)終端能達(dá)到11階以上水平,其中大部分為12階至14階,有一款數(shù)字移動(dòng)終端可識(shí)別的灰階級(jí)數(shù)達(dá)到了15階。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)灰階測(cè)試圖(20階)Fig.5 Greyscale test pattern

2.4 色彩還原

色彩還原是重要的成像性能之一,是體現(xiàn)成像系統(tǒng)還原被拍攝物體顏色的能力。實(shí)驗(yàn)在色溫為6 500 K的光源照射條件下拍攝圖4所示的標(biāo)準(zhǔn)彩色測(cè)試圖,考量紅、綠、藍(lán)三原色的測(cè)試值與CIE標(biāo)準(zhǔn)值之間的偏差。

目前,市場(chǎng)上主流的照相機(jī)和數(shù)字移動(dòng)終端生產(chǎn)廠商在圖像處理模塊中按照自身的設(shè)計(jì)理念或多或少都會(huì)加入顏色管控功能,即在保證顏色不嚴(yán)重失真的情況下,通過改變紅、綠、藍(lán)三原色的比例使得成像效果更加鮮艷。這種顏色調(diào)節(jié)是需要通過長(zhǎng)期的經(jīng)驗(yàn)積累實(shí)現(xiàn)的。特別是數(shù)字移動(dòng)終端的色彩調(diào)節(jié)的幅度較大,與標(biāo)準(zhǔn)值間的偏差也會(huì)更大,這會(huì)給一部分普通用戶帶來比較好的感官體驗(yàn)。另一方面,數(shù)碼照相機(jī)在圖像處理模塊中對(duì)色彩還原的調(diào)節(jié)較小,成像獲得的圖像色彩更接近CIE的標(biāo)準(zhǔn)值。實(shí)際的色彩還原比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果也與上述情況基本吻合。按照色彩還原項(xiàng)目中平均色彩還原誤差值從小到大的順序分別抽取5個(gè)型號(hào)的照相機(jī)和5個(gè)型號(hào)的數(shù)字移動(dòng)終端拍攝彩色測(cè)試圖,詳見圖6和圖7。

圖6 數(shù)字移動(dòng)終端色彩還原結(jié)果Fig.6 Recovered color by the mobile terminal

圖7 數(shù)碼照相機(jī)色彩還原結(jié)果Fig.7 Recovered color by the digital still camera

2.5 像面亮度均勻度

像面亮度均勻度是指所拍攝的圖像亮度分布是否均勻,現(xiàn)有的技術(shù)可以通過成像模塊中的圖像處理模塊(CPU)對(duì)該參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚韮?yōu)化,但主要還是光學(xué)鏡頭和電子影像傳感器共同作用的結(jié)果。在光照充足的情況下,良好的像面亮度均勻度能夠保證所拍攝圖像質(zhì)量的整體提升。實(shí)驗(yàn)也是通過拍攝中性灰測(cè)試圖(圖1)評(píng)估照相機(jī)和數(shù)字移動(dòng)終端的像面亮度均勻度性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果令人滿意,所有實(shí)驗(yàn)樣品拍攝圖像的像面亮度均勻度均達(dá)到了90%以上,部分照相機(jī)更是達(dá)到了95%以上,這得益于出色的電子影像傳感器加工技術(shù)和優(yōu)良的后期圖像處理技術(shù),能夠帶給用戶良好的拍攝體驗(yàn)。

2.6 典型照度下的成像性能

典型照度下成像性能是指在夜間室外、家庭室內(nèi)、辦公室室內(nèi)和晴天傍晚室外四種典型照度下移動(dòng)電話的成像性能。在日光環(huán)境和陰天環(huán)境下,成像模塊都能夠獲得充足的光線以達(dá)到較好的成像效果。隨著移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展,3G、4G高速移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)使得手機(jī)用戶能夠隨時(shí)隨地上傳自己拍攝的照片或者視頻,所以拍攝可能在任意時(shí)刻進(jìn)行,特別是夜間或者其他昏暗的環(huán)境,而不是僅僅局限于光照條件好的時(shí)候。因此,實(shí)驗(yàn)選取了上述四種相對(duì)較暗的光照條件來比較照相機(jī)和數(shù)字移動(dòng)終端的的成像性能,實(shí)際實(shí)驗(yàn)中選取了與上述四種環(huán)境亮度相近的光照強(qiáng)度。

成像系統(tǒng)成像性能的常規(guī)檢測(cè)方法是根據(jù)分辨率測(cè)試圖檢測(cè)其視覺分辨率,即使用成像系統(tǒng)按照標(biāo)準(zhǔn)要求拍攝分辨率測(cè)試圖,然后通過人眼對(duì)拍攝圖像進(jìn)行判讀。該方法依賴于檢測(cè)人員的主觀判定,不利于對(duì)不同樣品進(jìn)行客觀比較。因此,實(shí)驗(yàn)通過計(jì)算照片的空間頻率感應(yīng)評(píng)價(jià)成像性能,整個(gè)計(jì)算過程通過專業(yè)的圖像分析軟件完成,沒有人為因素的干擾。根據(jù)用戶的實(shí)際拍攝需求,實(shí)驗(yàn)使用ISO 12233分辨率測(cè)試圖和TE265枯葉測(cè)試圖作為拍攝像源,其中ISO 12233分辨率測(cè)試圖用于較高對(duì)比度情況下的成像清晰度檢測(cè)(圖8方框內(nèi)即為所選取的檢測(cè)區(qū)域),而TE265枯葉測(cè)試圖(圖9)用于較低對(duì)比度情況下的成像細(xì)節(jié)檢測(cè)。

圖8 ISO 12233分辨率測(cè)試圖Fig.8 ISO 12233 resolution chart

在四種光照條件下,各樣品成像沒有出現(xiàn)無法對(duì)焦的情況。在光照條件從暗到亮的情況下,大部分照相機(jī)成像性能都表現(xiàn)得較為穩(wěn)定,實(shí)驗(yàn)結(jié)果中沒有出現(xiàn)數(shù)值上的較大起伏。相對(duì)而言,數(shù)字移動(dòng)終端的成像清晰度較低,在30 lx和80 lx兩種較暗的光照環(huán)境下表現(xiàn)較差,而個(gè)別數(shù)字移動(dòng)終端在較亮光照條件下的成像清晰度也較差。有兩款數(shù)字移動(dòng)終端的成像清晰度相對(duì)較高;國(guó)產(chǎn)數(shù)字移動(dòng)終端在高對(duì)比度情況下表現(xiàn)出良好的清晰度;國(guó)際一線品牌的數(shù)字移動(dòng)終端在該方面則表現(xiàn)得中規(guī)中矩。

圖9 TE265枯葉測(cè)試圖Fig.9 TE265 flag chart

在成像清晰度實(shí)驗(yàn)中,標(biāo)稱成像像素?cái)?shù)為800萬的數(shù)字移動(dòng)終端的清晰度與標(biāo)稱成像像素?cái)?shù)為1 300萬的數(shù)字移動(dòng)終端的清晰度相近,甚至超過了某些標(biāo)稱更高像素水平的照相機(jī)。這說明影響成像清晰度的因素并不只是電子影像傳感器的成像像素?cái)?shù),還應(yīng)該與光學(xué)鏡頭和圖像處理模塊相關(guān)。

由于TE265枯葉測(cè)試圖用于低對(duì)比度情況下成像細(xì)節(jié)的測(cè)試,所以所得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與高對(duì)比度情況下的成像清晰度實(shí)驗(yàn)結(jié)果不同,不僅在數(shù)值上相差較大,而且各個(gè)樣品會(huì)有不同的表現(xiàn)。

3 結(jié) 論

數(shù)字移動(dòng)終端與數(shù)碼照相機(jī)在影像傳感器缺陷與像面亮度均勻度方面基本無差異,但在白平衡、動(dòng)態(tài)范圍、色彩還原、典型照度下成像性能方面存在明顯差異,整體表現(xiàn)仍然是照相機(jī)拍攝水平高于數(shù)字移動(dòng)終端。建議各個(gè)數(shù)字移動(dòng)終端生產(chǎn)廠商在拍攝功能中增加“提供原始圖像編碼數(shù)據(jù)”的功能,類似于單反照相機(jī)中RAW格式的概念,即直接記錄由CMOS或者CCD圖像感應(yīng)器將捕捉到的光源信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)后的原始數(shù)據(jù),不做任何圖像處理。這樣能夠在保留自動(dòng)處理功能的同時(shí)也留給用戶更多專業(yè)設(shè)置的選擇。數(shù)字移動(dòng)終端的成像功能發(fā)展日趨專業(yè)化,用戶范圍也從普通消費(fèi)者不斷向?qū)I(yè)的攝影愛好者延伸,而原始圖像編碼數(shù)據(jù)能夠給用戶在后期制作中提供更大的發(fā)揮空間。因此,增加該功能可以使得數(shù)字移動(dòng)終端的成像功能滿足不同類型用戶的需求,有利于數(shù)字移動(dòng)終端成像系統(tǒng)的良性發(fā)展。

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