测试课堂第二讲 | 动态范围

1 | 基础概念

动态范围  /  DR  /

动态范围(Dynamic Range,简称DR),又叫曝光范围,是指相机捕捉的光强的范围。通常表示为f-Stops,EV(曝光值),或区段(曝光范围)。

动态范围最早是作为一种描述信号系统的概念,对图像信号来说是可变光信号最大值和最小值的比值。在摄影中,动态范围又被称为宽容度,通俗来讲,动态范围是用来描述画面中从最暗的阴影部分到最亮的高光部分的光量强度分布范围。通常情况下用分贝(dB)表示,也可以用比特(bit)或档来表示。

动态范围越大,图像中所能表现的层次就越丰富,所包含的色彩空间也就越广。

动态范围场景展示

当在强光源(日光、灯具或反光等)照射下的高亮度区域及阴影、逆光等相对亮度较低的区域在图像中同时存在时,相机输出的图像会出现明亮区域因曝光过度成为白色,而黑暗区域因曝光不足成为黑色的现象,严重影响图像质量。

高动态范围  /  HDR  /

高动态范围(High Dynamic Range,简称HDR),在数字图像与数码摄影领域,是用来实现比普通数字图像技术更大范围曝光、更高动态范围(即更大的明暗差别)的一组技术,能够更好地反映出真实环境中的视觉效果。

HDR技术所要解决的问题就是在有限的亮度范围内表示出宽广的亮度范围。高动态范围成像的目的就是要正确地表示真实世界中从太阳光直射到最暗的阴影这样大的范围亮度。 

曝光过度
曝光不足
曝光正常

如上图所示,当拍摄的场景在光线上有巨大的差异时,更大的动态范围就能获得更大的影调空间——例如一个有明亮窗户和昏暗内部的地点。来自窗户的光线比墙壁内部的光线要亮得多,如果动态范围不够大,这时要么窗户的光线太亮,曝光过度(看起来是白色的),要么墙壁太暗,曝光不足(看起来是黑色的),这会导致图像失去细节。

因此,动态范围越大,就能尽可能地保留这些高光区和阴影区的信息,图像所能展示的层次就越丰富。

2 | 测试卡推荐

针对动态范围测试,我们可以通过在实验内拍摄相应的图像测试卡进行分析后,参考DR这一客观指标,去评估一个成像系统大致的动态范围。

常见动态范围测试卡

  • 透射测试卡:

36阶动态范围测试卡UHDR(150dB)、HDR(100-120dB)、SDR(50-80dB),20阶OECF灰阶卡等。

36阶宽动态范围测试卡
36阶可见光+红外动态范围测试卡
36阶动态范围测试卡
OECF 20阶测试卡
20阶可见光+红外动态范围测试卡
  • 反射测试卡:

OECF14524测试卡、OECF15739测试卡、20阶OECF灰阶卡、Q14灰阶测试卡等。

OECF 14524测试卡
OECF 15739测试卡
20阶OECF灰阶测试卡
Q14灰阶测试卡

对于这几种图卡的分析,我们一般不推荐使用反射卡来测试动态范围,一是反射卡灰阶块数较少,二是反射卡灰阶密度无法满足更高的动态范围。

3 | Imatest软件Stepchart模块分析操作

1、Imatest软件中使用Stepchart模块打开图像,参考以下设置:

2、选择需要分析的样图,点击打开。

3、选择ROI区域。

4、Settings对图像进行参数设置。

5、结果解读:

我们推荐参考SNR=1条件下的动态范围数据,对像质要求较高的,可以参考SNR=4或10情况下的动态范围数据(db值),动态范围(DR)越大越好。

6、保存分析数据。

4 | 注意事项

当我们在对成像系统做DR测试时,首先要选择合适的测试卡,以便确保测试较为准确。因为动态范围测试与相机曝光关联甚密,尤其需要关注高亮和弱光区域的曝光情况及亮度信息响应。

当Camera状态不合适时(ISP问题或驱动影响的曝光问题),会严重影响像质(Image Quality)测试,比如下面这一较为极端的现象。

测试样图
结果分析


问题:

1.相机标称的动态范围数据远高于软件测试的数据

2. SNR=1、2、4条件下,对应的DR数据时Undefined

3.高亮区域明显过曝,但是弱光区域信息严重不足

问题分析:

1.光照强度较高的情况下,测试卡最亮的前四阶过曝,像素值达到极限255

2.从第24阶开始像素值为0,且从24-36阶都是0

3.可能是Imatest软件参数设置出错(未设置参数计算动态范围)。

4.光密度文件选择错误,未选择测试卡出厂标定的密度文件

5.测试卡选择出错(卡的范围远超相机动态范围)致使无法调节光源照度实现相机有较好的曝光效果

当我们确认分析步骤3和步骤4和5无误后,那应该是步骤1和2的问题。测试卡亮区过曝,这个可以理解,最亮区域超过相机的感光极限,所以会过曝,我们着重对暗部信息做出进一步验证。因为暗部信息为0,所以我们认为背光强度不足,当我们试着增大背光亮度,远超sensor感光极限,但是还是发现总有多阶暗部信息一直为0。

至此,我们判断该问题应该为相机对弱光信号处理出现问题,或者是Sensor感光性能出问题、或者是暗部过度降噪、或者是BLC不正确等原因。这种情况下,负责相机驱动和ISP的图像工程师,应及时对相机做检查分析。

5 | 实操演练

DR测试方法推荐

前提:确保测试卡的DR范围略微超高相机的DR范围,光源强度足够,可以完全展现图卡的动态范围。

1.调整图卡亮度等级(第一阶像素达到255或254微过曝,余下灰阶像素应逐阶递减)。

2. 按照规范,拍下标准的测试图片(建议多个照度条件下,拍多张图片)

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