數(shù)碼照相機(jī)色彩還原與鏡頭色貢獻(xiàn)關(guān)系研究

上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院 龔錢冰，奚玉成，于西龍，韓帥

一、引言

機(jī)器視覺系統(tǒng)不可或缺的部分是光學(xué)鏡頭。成像的質(zhì)量和算法的實(shí)現(xiàn)及效果都會受到光學(xué)鏡頭極大的影響。光學(xué)鏡頭行業(yè)的最上游為光學(xué)玻璃、光學(xué)塑料等光學(xué)材料產(chǎn)業(yè)，上游為光學(xué)元件、電子元件、機(jī)械結(jié)構(gòu)件等，其中核心是光學(xué)材料和光學(xué)元件。隨著光學(xué)理論的完善、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化、加工技術(shù)的提高，鏡頭種類日趨繁多，價(jià)格區(qū)間較大，擁有較廣泛的用戶市場[1]。評價(jià)一個(gè)鏡頭性能是否優(yōu)質(zhì)時(shí)最常用的一個(gè)重要指標(biāo)就是色貢獻(xiàn)指數(shù)，它指的是在其他條件都相同的情況下，無鏡頭與有鏡頭相比改變光學(xué)成像的整個(gè)色彩程度的三個(gè)數(shù)的標(biāo)志。對于數(shù)碼照相機(jī)其中一個(gè)最重要的成像性能就是色彩還原，它是成像系統(tǒng)還原被拍攝物體顏色能力的體現(xiàn)。

針對數(shù)碼照相機(jī)的成像特點(diǎn)，本文依據(jù)《GB/T29298-2012數(shù)字（碼）照相機(jī)通用規(guī)范》《GB/T 9917.1-2002 照相鏡頭 第1部分：變焦距鏡頭》 和 《GB/T 9917.2-2008 照相鏡頭 第2部分：定焦距鏡頭》進(jìn)行了色彩還原色貢獻(xiàn)指數(shù)測試試驗(yàn)，通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的整合分析，得到了數(shù)碼照相機(jī)色彩還原和鏡頭色貢獻(xiàn)指數(shù)之間的關(guān)系，通過研究它們之間的關(guān)系旨在為實(shí)際拍攝提供借鑒和指導(dǎo)[2]。

二、理論分析

受不同的電子光學(xué)鏡頭組、電子影像傳感器和圖像處理技術(shù)模塊應(yīng)用的影響，成像設(shè)備的性能有很大的差距。首先，光學(xué)鏡頭進(jìn)行圖像取景，從物體處獲得光信號，光信號通過鏡頭組聚焦在電子影像傳感器上。隨后通過采樣方式將原來的光信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，將光學(xué)鏡頭取到的景數(shù)字化，這樣就得到了“數(shù)字底片”，光學(xué)鏡頭組和電子影像傳感器的相關(guān)性能優(yōu)劣就可以在數(shù)字底片中得到較好的體現(xiàn)。數(shù)字底片與傳統(tǒng)相機(jī)中的膠卷底片是相類似的。因此數(shù)字底片的優(yōu)劣直接影響了最后得到的照片。膠卷底片到照片需要進(jìn)行沖印，而數(shù)字底片變成照片則需要圖像處理模塊的加工，數(shù)字底片形成后，圖像處理模塊會按照程序編程中的設(shè)定對“數(shù)字底片”進(jìn)行處理修改，最后獲得成片。成像需要經(jīng)歷的流程如圖1所示。

所有的成像設(shè)備的成像原理基本一致，都需要經(jīng)過如圖1所示的過程，與數(shù)字移動終端相比，數(shù)碼照相機(jī)對成像要求會更多，所以多了快門和光圈，增加了對曝光的控制，而且在光路的設(shè)計(jì)上會更加復(fù)雜。

圖1 數(shù)碼照相機(jī)成像原理圖

數(shù)碼照相機(jī)按下快門后，物體發(fā)出的光線經(jīng)過多個(gè)鏡頭組的匯聚后將光照到相機(jī)對應(yīng)的感光元件上，位于感光元件上的光電二極管接受來自物體的光信號后，光子的能量給了光電二極管PN結(jié)共價(jià)鍵上被束縛的電子，使得電子掙脫束縛，成為光生載流子，形成電信號，光的強(qiáng)度不同形成的電信號的強(qiáng)度也不同。相機(jī)控制芯片收集并輸出感光元件上不同的電信號。在進(jìn)入數(shù)模轉(zhuǎn)換器之前，模擬電信號先要經(jīng)過放大和濾波，而后模擬信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，數(shù)字信號的大小與經(jīng)過放大和濾波后的模擬電信號的強(qiáng)度高低成正比，最后形成數(shù)字圖像，此時(shí)的數(shù)據(jù)最大可能地保留了拍攝物體細(xì)節(jié)和面貌，沒有通過軟件處理。原始的數(shù)字圖像獲得后，下一步要做的就是數(shù)字信號處理[3]。圖像數(shù)據(jù)會按照數(shù)字信號處理器的軟件設(shè)置經(jīng)過色彩校正、白平衡調(diào)整等后期處理，最后被編碼后保存到存儲介質(zhì)。

三、試驗(yàn)部分

本次試驗(yàn)針對數(shù)碼照相機(jī)的成像系統(tǒng)性能的色彩還原部分和鏡頭的色貢獻(xiàn)指數(shù)進(jìn)行測試，其他性能部分（如分辨率、白平衡、均勻性等）不在本次試驗(yàn)考慮范圍內(nèi)。由數(shù)碼照相機(jī)進(jìn)行拍攝和存儲照片，測試用照片在拍攝后的數(shù)據(jù)分析和相關(guān)的測試結(jié)果均由專業(yè)處理軟件進(jìn)行。

（一）色彩還原

成像性能通常會用色彩還原度來進(jìn)行考量，它是成像系統(tǒng)還原被拍攝物體顏色能力的一種體現(xiàn)。本次試驗(yàn)在色溫為6500K的光源照射條件下拍攝標(biāo)準(zhǔn)彩色測試圖，通過比較三原色紅（R）、綠（G）、藍(lán)（B）的測試值與CIE標(biāo)準(zhǔn)值之間的偏差來判斷成像性能的優(yōu)劣。

目前主流的照相機(jī)生產(chǎn)廠商會在保證顏色不嚴(yán)重失真的情況下在圖像處理模塊中加入顏色管控功能，使得成像效果更加艷麗。這種顏色管控功能主要是改變紅（R）、綠（G）、藍(lán)（B）三原色的比例。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抽取了六個(gè)型號的照相機(jī)拍攝彩色測試圖。

（二）鏡頭色貢獻(xiàn)指數(shù)

鏡頭的色貢獻(xiàn)指數(shù)，在其他條件都相同的情況下，無鏡頭與有鏡頭相比改變光學(xué)成像的整個(gè)色彩程度的三個(gè)數(shù)的標(biāo)志。

鏡頭的軸向光譜透射比，是指當(dāng)入射的單色光束與鏡頭光軸平行時(shí)，透過鏡頭的光通量Φλ1與相應(yīng)的入射光通量Φλ2之比，用公式（1）表示。

式中τ（λ）是波長為λ時(shí)鏡頭的光譜透射比。

藍(lán)（B）、綠（G）、紅（R）光譜透射比值分別先求對數(shù)，然后都分別減去一個(gè)同樣的正整數(shù)，使其中最小的一項(xiàng)等于零，然后各項(xiàng)小數(shù)分別乘以100，使其余小數(shù)全部消除。最后計(jì)算得到的三個(gè)數(shù)即為這組鏡頭的色貢獻(xiàn)指數(shù)。如表1所示。

表1 色貢獻(xiàn)指數(shù)計(jì)算

這時(shí)，色貢獻(xiàn)指數(shù)表示為：GB/CCI=0/5/4。

（三）鏡頭色貢獻(xiàn)指數(shù)與色彩還原試驗(yàn)結(jié)果比對

1.色彩還原

式（2）中：

△Eab：彩色標(biāo)板上每塊色塊的CIE LAB色差；

Lm、am、bm：CIE LAB 色空間的明度指數(shù)（L）和色品指數(shù)（a、b）的測得值；

Ln、an、bn：CIE LAB色空間的明度指數(shù)（L）和色品指數(shù)（a、b）的標(biāo)準(zhǔn)值；

表2所示為樣品1的色彩還原度。

表2 樣品1的色彩還原度

2.色貢獻(xiàn)指數(shù)

表3為樣品1的色貢獻(xiàn)指數(shù)。

表3 樣品1的色貢獻(xiàn)指數(shù)

這時(shí)，色貢獻(xiàn)指數(shù)表示為：GB/CCI=0/4/2。

同等試驗(yàn)條件下，我們總共對10臺照相機(jī)和10臺手機(jī)分別進(jìn)行了色彩還原和色貢獻(xiàn)指數(shù)測試，得到20組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如下結(jié)論是通過對數(shù)據(jù)的比對分析得到：對于照相機(jī)而言，其色彩還原和色貢獻(xiàn)指數(shù)偏差較小，且色彩還原偏差越小的產(chǎn)品，其色貢獻(xiàn)指數(shù)也越接近基準(zhǔn)值；而對于手機(jī)而言，色彩還原和色貢獻(xiàn)指數(shù)偏差較大，但其色彩還原和色貢獻(xiàn)指數(shù)偏差也呈現(xiàn)一定的正相關(guān)性。

四、結(jié)語

在影像傳感器缺陷與像面亮度均勻度方面，數(shù)字移動終端與數(shù)碼照相機(jī)基本無區(qū)別，但色彩還原和色貢獻(xiàn)指數(shù)方面存在明顯區(qū)別，整體表現(xiàn)是照相機(jī)色彩還原和色貢獻(xiàn)指數(shù)偏差優(yōu)于數(shù)字移動終端。

數(shù)字移動終端生產(chǎn)廠商可以給予拍攝者更多權(quán)限，增加“原始圖像編碼數(shù)據(jù)”功能，使得拍攝者獲得模數(shù)轉(zhuǎn)換后數(shù)字信號的權(quán)限，即可以使拍攝者能在獲得光源圖像后用感應(yīng)器將捕捉到的所有光源圖像信號自動轉(zhuǎn)化成為拍攝數(shù)字信號后的所有原始數(shù)據(jù)的圖像權(quán)限。去除自動圖像處理，可以給用戶更多自主選擇的權(quán)利。有助于消費(fèi)受眾范圍的擴(kuò)大，吸引更多專業(yè)的攝影愛好者，為后期制作提供更大的發(fā)揮空間，也有利于數(shù)字移動終端成像系統(tǒng)的良性發(fā)展。