测试课堂第六讲 | 清晰度MTF

1 | 基础概念

清晰度

清晰度(Sharpness),是衡量图像质量最重要的因子之一,反映了成像设备能表达成像画面清晰程度和展现部分细节信息的能力。表现清晰度或成像系统分辨力的指标,常见的有,SFR(空间频率响应)和MTF(调制传递函数)。

SFR是电子相机的一个重要特性,它的测量标准允许用户比较和验证不同相机的空间分辨率水平。ISO 12233国际标准规定了测量电子照相机空间频率响应的方法,它适用于输出数字数据或模拟视频信号的单色和彩色摄像机的测量。分辨率是相机通过光学方式捕捉精细间隔细节的能力,通常作为一个单值指标来报告。空间频率响应(SFR)是一种多值度量,它测量对比度损失作为空间频率的函数。一般来说,对比度随着空间频率的变化而降低到细节不再被视觉分辨的程度。这个极限频率值是相机的分辨率,相机的分辨率及其SFR由许多因素决定。

上半部分为原始线条图
下半部分为镜头失焦后的效果

注意:所有镜头都会在一定程度上模糊图像。

MTF

MTF(即Modulation Transfer Function),中文为调制传递函数,是指调制度随空间频率变化的函数称为调制度传递函数。传递函数最开始是为了说明镜头的能力,在各个摄像头镜头中经常采用MTF描述镜头的MTF曲线,以表明镜头的能力,它类似于空间频率响应(SFR),是测量清晰度的一个关键。

清晰度的测量在频率域进行,单位用“Ip/mm”每毫米单位内包含的线对,或者用“c/p”每像素包含多少周等。

单位长度内能记录的信息越多,设备精度越高,性能越好,所再现的图像清晰度越高。

MTF50和MTF50P,是图像或者成像设备视觉清晰度表示的参数。

(1) MTF50是MTF曲线上MTF为50%时对应的空间频率值,一定程度上可以表示成像系统获取图像细节的能力。锐化处理在一定范围内,MTF50的值随着系统的锐化效果增加而增大,但锐化过度的话会导致细节丢失,甚至轮廓边缘出现可见且令人讨厌的伪像。

(2) MTF50P可以反映成像设备或者系统经锐化处理后的清晰度情况,经锐化后MTF曲线最大值大于1,出现峰值,MTF50P是峰值MTF降为50%时对应的空间频率值,OverSharpening可以代表成像设备锐化处理程度。当图像处理软件锐化MTF出现峰值时(MTF>1),MTF50P的结果值比MTF50更具参考性。

2 | 测试卡推荐

针对清晰度测试,我们可以选择合适的图像测试卡,评估一个成像系统大致的清晰度指标,具体可以参考MTF的结果值。可以在实验室内拍摄专业的清晰度测试卡,通过软件分析得到数据结果。常见的清晰度测试卡包括:SFRplus测试卡、ISO 12233分辨率测试卡、eSFR-ISO测试卡、SFRreg测试卡等,这几种测试卡各有特点。

SFRplus测试卡

  • SFRPlus测试卡重复利用测试卡的空间,信息量较多(可分析参数较多),相比ISO12233测试卡的实际利用率只有10%,有了大幅度提高;
  • 画面占比更多的5°斜块,利于分析信号处理的信息更多,例如降噪,锐化;
  • 每个斜块中的定位靶标,也支持软件可以进行ROI全自动选择;
  • 4:1的低对比度,更是避免了由于高反差导致的阶调溢出,增加曝光宽容度的同时,精度和重复性也更高。

针对不同应用视场角的摄像头选用的图卡类型也不尽相同,如消费电子(手机、运动相机…)畸变较小的,可以使用普通无畸变的测试卡;如车载摄像头、安防监控等畸变较大的摄像头会选择使用预畸变SFRPlus测试卡。

ISO 12233分辨率测试卡

ISO12233分辨率图卡遵照ISO-12233:2000标准制作,适用于民用静止照片数码相机、手机、监控摄像机等图像及视频采集设备的清晰度分析。包含了3种分辨率测试方式:SFR测试、MTF测试(频率线测试)、TVLine测试(楔形线测试)。


eSFR-ISO测试卡

ISO 12233:2014标准发布了倾斜边缘测试法去评价数字图像的空间频率响应,定义了测试评价相机分辨力的三种测试卡,Imatest基于此标准,设计制作了eSFR ISO测试卡,可以自动分析清晰度、阶调响应和噪声等像质参数。

SFRreg测试卡

SFRreg 测试卡包含一个倾斜的边缘象限圆圈图案。它用于测量 MTF和横向色差。SFRreg测试卡可以放置在任意的位置和角度,以适应各种测试场景:

  • 远距离试验,传统的图表会不符实际得变大
  • 超宽视场测试 (>170),点不能到达外场
  • 自动对焦测试,一帧可以包含在不同距离的多个目标

3 | 测试流程

(1)设备选用

LE007反射面光源SFRplus测试卡

(2)将SFRplus测试卡吸附在中性灰色背板上,左右居中、水平平齐;

(3)调整光源色温及亮度等级到目标值(6500K,800Lux),整个图卡的表面照度均匀性需达到90%以上;

(4)将设备固定在夹具中,需检查设备镜头有无脏污,若有则需使用镜布进行擦拭,若镜头损坏则需更换设备;

(5)将三脚架、云台调平,调整画面,图像画面左右居中,取景框的上下两边要卡住测试卡图案区域的黑边区域,适当露出一些白边,保证软件能够正确识别测试卡中的各种元素;镜头表面和测试卡表面相对平行且画面上下、左右对称;

(6)拍摄时,先进行镜头遮挡,重新触发3A,等画面稳定后进行拍摄。建议拍摄3张样本图像。

四、imatest分析与解读

imatest分析步骤

(1)打开imatest软件,点击SFRplus设置模块

(2)选择需要分析的图像,点击确认。

(3)SFRplus模块会自动框选ROI区域,根据测试需求选择不同视场的ROI

(4)根据需求分析垂直边或水平边或一起分析

(5)点击更多设置

对于SFRplus模块,根据需要更改几个部分的设置。这几个部分包含:

  • MTF单位的设置(可以根据需要自行选择,常用的有LW/PH、LP/PH、Cylcle/mm等);
  • MTF结果的选择(可以自行输入数值,常用的有MTF50、MTF50P、MTF20、MTF10等);
  • 图卡对比度的设置(常用的SFRplus测试卡对比度是4:1,有些特殊的是10:1);
  • 畸变系数多项式选择(较为常用的选择为Best of above,软件会自动更加图片匹配合适的多项式进行畸变的运算);
  • 视场角计算(需要SFRplus测试卡上下两条黑边的最短距离,以及摄像头到测试卡的距离)。

(6)点击转到SFR plus自动设置,勾选分析需要保存的结果图,在多ROI汇总图选选择“所有3个次要数据”,点击确定。

(7)所有设置完成后,点击确定。

(8)在显示设置中可以查看多个不同的结果。

(9)打开自动分析SFRplus模块。

(10)选择需要分析的图像(可批量分析),点击确定后会根据前面的设置自动分析保存相应结果图。

结果解读

查看所有的分析区域加权平均后的结果,MTF50P数值越大图像成像效果越好。

可查看单个ROI区域的MTF结果值以及锐化程度。

如果MTF50与MTF5OP接近,Oversharpening值在25%以下,说明图像锐化适中,或者说没有过度锐化;Udersharpening值在大于10%,说明图像没有过度锐化,或者锐化程度很轻。

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