數(shù)碼照相機(jī)分辨率的自測(cè)評(píng)估

鄭曉東 呂瑋閣 虞仲曉

信息時(shí)代，圖像記錄裝置無處不在。除了我們傳統(tǒng)的數(shù)碼照相機(jī)，還包括手機(jī)攝像頭、安防攝像頭等，應(yīng)用于攝影、人臉識(shí)別、機(jī)器視覺、汽車駕駛、影視制作、視頻直播、醫(yī)療等各行各業(yè)。圖像記錄裝置的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)是所記錄圖像的分辨率。提到分辨率，一般用戶首先想到的是照相機(jī)或攝像模組所用CMOS影像傳感器的像素?cái)?shù)，這也是手機(jī)或照相機(jī)廠家向用戶提供的主要技術(shù)參數(shù)之一。但要獲得好的成像質(zhì)量，需要CMOS影像傳感器像素?cái)?shù)量和鏡頭成像質(zhì)量相匹配，再加上好的圖像處理軟件（照相機(jī)固件）才能獲得滿意的結(jié)果。單純?cè)黾酉袼財(cái)?shù)并不一定意味著更好的圖像質(zhì)量。在影像傳感器受光尺寸固定的情況下，增加像素?cái)?shù)量，意味著要減少每個(gè)像素的感光面積。通常情況下，這會(huì)減少每個(gè)像素所能夠累計(jì)的光電子數(shù)，不利于獲得高信噪比的圖像。因此，用戶沒有必要單純追求高的像素?cái)?shù)。

在這里，我們介紹一種自己在家里也可以做的數(shù)碼照相機(jī)分辨率評(píng)測(cè)方法，大家可以用這種方法評(píng)測(cè)自己相機(jī)的分辨率特性，用于比較不同照相機(jī)與鏡頭組合的真實(shí)成像特性。該方法也是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 19953～2005數(shù)碼照相機(jī) 分辨率的測(cè)量》里所推薦的方法，但由于測(cè)試條件無法全部達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求，測(cè)試結(jié)果僅供個(gè)人參考，用于比較自己或朋友間不同相機(jī)與鏡頭組合的分辨率特性，探尋鏡頭的“最佳光圈”。具有法律效力的正規(guī)測(cè)試仍需要委托國(guó)家照相機(jī)質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心等國(guó)家認(rèn)證的專業(yè)檢測(cè)機(jī)構(gòu)。

一、 準(zhǔn)備測(cè)試圖

根據(jù)自己的需要，測(cè)試用的測(cè)試圖可以在網(wǎng)絡(luò)上下載pdf文件自己打印，也可以購(gòu)買商用產(chǎn)品。在網(wǎng)絡(luò)瀏覽器的搜索引擎中輸入“ISO 12233”，搜索內(nèi)容選擇“圖片”，就可以找到一些可供下載的圖片文件。最新版本的ISO 12233：2014測(cè)試圖包括了正弦和光電轉(zhuǎn)化率的測(cè)試圖案，自己打印不易準(zhǔn)確重現(xiàn)測(cè)試卡的技術(shù)要求。對(duì)個(gè)人用戶，我們?nèi)酝扑]使用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/ T 19953～2005中推薦的舊版ISO 12233 ： 2000測(cè)試圖案，如圖1所示。

打印測(cè)試圖所用打印機(jī)的分辨率應(yīng)該盡量要高，推薦使用激光打印機(jī)進(jìn)行打印，打印用紙可以選擇專用的照相用紙或白度較高的一般A4打印紙。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求是，測(cè)試圖白色背景和黑色線條部分的反射率之比小于80并大于40倍。打印完后，可用放大鏡檢查一下測(cè)試卡楔形線條末端（最細(xì)的部分）線條之間是否黑白線的間隔清晰可辨？測(cè)試卡中的楔形線為雙曲線形，如圖2。在整個(gè)測(cè)試圖中分布有多組，用于分別測(cè)量視場(chǎng)不同區(qū)域的分辨率。線條橫向配置的圖案，測(cè)量鏡頭的垂直方向分辨率；豎直設(shè)置的圖案，評(píng)價(jià)鏡頭水平方向分辨率；45°斜放的，評(píng)價(jià)斜向分辨率。每個(gè)方向配置的圖案一般分兩組，一組有5條雙曲線，對(duì)應(yīng)低分辨率區(qū)，標(biāo)記的數(shù)字是1～5；另一組有9條雙曲線，對(duì)應(yīng)高分辨率區(qū)，對(duì)應(yīng)的數(shù)字為6～20（中心區(qū)域）或6～10（邊緣區(qū)域）。

購(gòu)買或自制好測(cè)試卡后，將測(cè)試卡固定到光照均勻的墻壁或支架上，使測(cè)試卡與地面保持垂直。

二、拍攝測(cè)評(píng)

將被測(cè)照相機(jī)或手機(jī)安裝到三腳架上，對(duì)準(zhǔn)測(cè)試圖。前后調(diào)整相機(jī)與測(cè)試卡之間的距離，使相機(jī)視場(chǎng)的上下邊緣與測(cè)試圖外緣黑色框中向上（下邊緣）和向下（上邊緣）的白三角形所指示的測(cè)試卡邊緣對(duì)齊。圖3是測(cè)試卡上邊緣黑、白三角形相對(duì)指示的測(cè)試卡邊緣示意圖。即將照相機(jī)視場(chǎng)的上、下邊緣分別對(duì)準(zhǔn)測(cè)試圖上、下邊緣的黑白邊界轉(zhuǎn)換處，并對(duì)準(zhǔn)測(cè)試圖中心。根據(jù)照相機(jī)視場(chǎng)的寬、高比，照相機(jī)的左右邊緣視場(chǎng)將與測(cè)試圖中的4：3、3：2或16：9的橫向三角形所標(biāo)識(shí)的邊界對(duì)齊。

如果調(diào)整過程中無法精確對(duì)準(zhǔn)，可以通過圖像的后續(xù)處理對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行修正。

為了對(duì)準(zhǔn)方便，也可以在測(cè)試卡的中心區(qū)域放置一塊小的反射鏡，調(diào)整照相機(jī)，使照相機(jī)經(jīng)鏡子反射后的像在視場(chǎng)的中心區(qū)，如圖4所示。由于照相機(jī)經(jīng)反射鏡所成的虛像到照相機(jī)的物距是測(cè)試卡到照相機(jī)物距的2倍，要觀察照相機(jī)的清晰反射像需要進(jìn)行調(diào)焦。圖4中a和b是鏡頭焦點(diǎn)分別對(duì)焦到測(cè)試圖和照相機(jī)經(jīng)反射鏡所成虛像時(shí)的圖像；圖4a中，測(cè)試圖的線條清晰，照相機(jī)的反射像模糊；而圖4b中，照相機(jī)的反射像清晰，線條不清晰。

拍攝時(shí)照相機(jī)各類參數(shù)的設(shè)定：

拍攝測(cè)試圖時(shí)，被評(píng)測(cè)照相機(jī)的設(shè)置應(yīng)調(diào)整為出廠時(shí)的初始設(shè)定狀態(tài)，無法確定初始設(shè)定時(shí)則按照常用參數(shù)來設(shè)置。白平衡根據(jù)拍攝測(cè)試圖時(shí)所用照明光源的光譜特性予以調(diào)整。即，日光照明的話，選擇日光白平衡；如使用其他光源照明，選擇對(duì)應(yīng)的白平衡選項(xiàng)。優(yōu)先選擇自動(dòng)白平衡模式，ISO100或以下，記錄像素?cái)?shù)設(shè)置為照相機(jī)的最高像素?cái)?shù)。調(diào)焦方式可分別選擇手動(dòng)和自動(dòng)兩種方式拍攝，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較。

照相機(jī)方位對(duì)準(zhǔn)、參數(shù)設(shè)定完成后，就可以拍攝測(cè)試卡的圖像。對(duì)于變焦鏡頭，可根據(jù)自己的需要，選取長(zhǎng)焦、中焦、短焦三個(gè)焦距位置分別拍攝。比如，對(duì)55～210mm的鏡頭，分別對(duì)55mm、100mm、210mm三個(gè)焦距進(jìn)行評(píng)測(cè)。焦距變化后，照相機(jī)距離測(cè)試圖的位置也需要重新調(diào)整，以便使測(cè)試圖的全高（即縱向黑/白三角形頂尖所指示的上下邊緣之間的有效高度）正好充滿照相機(jī)高度方向的視場(chǎng)。如果無法使測(cè)試圖的全高正好充滿照相機(jī)的全高視場(chǎng)，比如，三腳架各軸的調(diào)整精度有限，照相機(jī)位置和方位對(duì)準(zhǔn)困難；廣角鏡頭拍攝時(shí)存在較大畸變，測(cè)試圖邊緣成像后不再是直線，或者照相機(jī)的分辨率已經(jīng)高于測(cè)試圖所能提供的最高分辨率等情況，可以使測(cè)試圖全高成像后只占照相機(jī)視場(chǎng)全高的一部分，在判讀時(shí)對(duì)結(jié)果進(jìn)行換算，詳細(xì)處理方法見第3節(jié)，結(jié)果判讀。

由于測(cè)試圖中只有黑白兩種圖案，通過觀察照片的直方圖分布檢查照片的曝光是否合適。應(yīng)將測(cè)試圖中白色背景對(duì)應(yīng)的灰度水平控制在直方圖的未飽和區(qū)域內(nèi)，即照片直方圖的最右邊部分不要有很多像素分布。

三、結(jié)果判讀

拍攝完成后，將所拍攝的照片導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，對(duì)結(jié)果進(jìn)行判讀。用看圖軟件將所拍攝的測(cè)試圖顯示在計(jì)算機(jī)的顯示器上。為了便于觀察，可以對(duì)圖片進(jìn)行任意倍率的放大縮小，放大倍率以觀察舒適為宜。

目視判讀的原則是，對(duì)照片中分辨率測(cè)量用楔形圖（如圖2所示）從低分辨率區(qū)域（5條雙曲線）向高分辨率區(qū)（9條雙曲線）域掃視，仔細(xì)尋找照片中楔形線的線條數(shù)發(fā)生變化的位置。在低分辨率區(qū)，雙曲線由5條模糊為4條，高分辨率區(qū)是雙曲線由9條混雜為8條。如圖5所示，圖中矩形區(qū)1右邊所對(duì)應(yīng)的雙曲線為5條，而矩形區(qū)2右邊所對(duì)應(yīng)的雙曲線混疊成了4條，虛線箭頭所指示的位置即為我們要判讀的分辨率數(shù)值。該位置所對(duì)應(yīng)的數(shù)字乘以100，即為該視場(chǎng)的分辨率，單位為：線數(shù)/像高，記作：LW/PH。它所代表的是在整個(gè)像高范圍內(nèi)照相機(jī)能夠分辨多少條線。視覺分辨率高于600LW/PH時(shí)，統(tǒng)一以50LW/ PH分檔取值；低于600LW/PH時(shí)，則以10LW/PH分檔取值。

除目視判讀外，有興趣的讀者也可以嘗試用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)結(jié)果進(jìn)行自動(dòng)判讀。比較常用的軟件有國(guó)產(chǎn)的“Iseetest”，下載網(wǎng)址為：http：//www.iseetest.com/；美國(guó)的“Imatest”，下載網(wǎng)址為：https：//www.imatest.com/，等。這些軟件的試用版都可以免費(fèi)下載試用。

如果所拍攝圖像中，測(cè)試圖高度未充滿照相機(jī)的視場(chǎng)全高，需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行如下處理：

用Photoshop或其他相應(yīng)軟件測(cè)量所拍攝的測(cè)試圖全高在照片中高度方向的像素?cái)?shù)，照片全高的像素?cái)?shù)應(yīng)該是已知的（比如，1220萬像素的圖像一般為4272×2848，即像高方向的像素?cái)?shù)為2848）。當(dāng)測(cè)試圖在高度方向未充滿照相機(jī)視場(chǎng)全高時(shí)，分辨率的測(cè)評(píng)結(jié)果應(yīng)為：

四、實(shí)測(cè)案例

圖6為所拍攝的示例照片及其直方圖。從直方圖中可見，測(cè)試圖部分的像素基本都分布在直方圖的中部及左側(cè)。直方圖可以從相機(jī)顯示屏上觀察或通過Photoshop、ACDsee等讀取。從照相機(jī)給出的的直方圖就可檢查曝光是否合適。圖7為將測(cè)試圖中心視場(chǎng)部分的楔形線部分放大后的局部判讀圖。

判讀出結(jié)果后，可按照表1的格式記錄所測(cè)得的數(shù)據(jù)。

其中，圖像像素?cái)?shù)可通過Photoshop、ACDsee或畫圖板軟件獲得，本示例照片的像素?cái)?shù)為6000×4000。照片中測(cè)試圖全高在垂直方向的像素?cái)?shù)為：958。根據(jù)第3節(jié)所給公式（1）換算后，分辨率最后結(jié)果應(yīng)為：視覺讀數(shù) （4000/958）×100。

需要注意的是，表1中，45°方向的部分分辨率沒有判讀結(jié)果。這是因?yàn)檎障鄼C(jī)的性能超出了所拍攝測(cè)試卡的測(cè)試范圍。需要采用具有更高分辨率的測(cè)試圖樣，即具有更密集的條紋的測(cè)試圖進(jìn)行測(cè)試?；蛘咴谝欢ǚ秶鷥?nèi)，通過拉大拍攝距離，縮小拍攝測(cè)試圖的方法進(jìn)行拍攝和判讀。測(cè)量視場(chǎng)遠(yuǎn)角區(qū)域的分辨率時(shí)，若左、右上（下）角都有判讀值，則取其平均值為上（下）角分辨率判讀值。

國(guó)標(biāo)規(guī)定，對(duì)被檢數(shù)碼照相機(jī)視覺分辨率的評(píng)價(jià)，可選用下列任一方案：

（1）最低分辨率；

（2）最低分辨率、水平平均分辨率和垂直平均分辨率；

（3）最低分辨率、水平平均分辨率和垂直平均分辨率和45°平均分辨率；

（4）最低分辨率和最高分辨率；

（5）最低分辨率、最高分辨率和45°平均分辨率。

選定好評(píng)價(jià)方案后，就可以對(duì)不同型號(hào)的相機(jī)分辨率性能進(jìn)行直接比較了。