测试课堂第五讲 | 色彩还原(Color Accuracy)

本文章主要介绍了图像质量重要参数之一——色彩还原(Color Accuracy),如何测试成像系统的色彩还原并使用图像质量分析软件进行数据分析并解读相应结果

一、基础概念

色彩还原 /Color Accuracy/

色彩还原,又叫色彩精度,即相机还原真实色彩的能力,是影响图像质量的一个重要因素。相机还原色彩的能力并非任何情况下都是越强越好,比如有些用户喜欢饱和度增强的色彩,但这时高精度的颜色不一定令人愉快。对于色彩测试,重要的是测量相机的色差,也就是其颜色偏移,色彩饱和度和白平衡效果等。

① 色偏

色偏(Color Error),又叫色差,是指拍摄的图像中某种颜色的色相、饱和度与真实的图像有明显的区别,而这种区别通常不是人们所希望的。色差△Eab =1时称为1个NBS(美国国家标准局的缩写)色差单位。1个NBS单位大约相当于视觉色差识别阈值(颜色宽容度)的5倍。

② 色彩饱和度

色彩饱和度(Saturation),指色彩的鲜艳程度,也称作纯度。在色彩学中,原色饱和度最高,随着饱和度降低,色彩变得暗淡直至成为无彩色,即失去色相的色彩。如下图色彩饱和度的对比展示。

③ 白平衡

白平衡(White Balance),简单来说就是“在不同光源条件下,成像系统的白平衡功能都能将白色物体显示为白色”。 事实上,白平衡是通过对白色被摄物的颜色还原(产生纯白的色彩效果),进而达到其他物体色彩准确还原的一种数字图像色彩处理的计算方法。相机的白平衡设定可以校准色温带来的偏差,在拍摄时我们可以大胆地调整白平衡来达到想要的画面效果。

如下图,左边的图整体白平衡误差明显,且众多色块明显偏色,这种色彩响应对于消费电子行业的影像效果来说是不能接受的。

当图像在显示器上渲染时,使物体呈现其应有的颜色。确切地说,不论拍摄时场景色温是多少,白平衡算法都会把图像的色温变换到标准色温。目前主流的显示器都是支持sRGB色域的,一些标准定义的白点是日光下的白点(如D50、D55或D65)。所以,当白平衡将物理世界中的白色映射为Daylight下的白色后,我们再对场景下其他颜色的辨别就会更加准确,这个过程也就是模拟人眼对颜色的自适应过程。

在日常拍摄中,会遇到各种色温场景,光源不同,色温也不同。这时,拍摄的画面会出现偏色,而白平衡就是用来解决这一问题的。所以白平衡越准确,相机还原的色彩就越接近人眼观测到的色彩。

二、测试图卡推荐

针对色彩测试,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色彩指标,具体可以参考色彩精度、色彩饱和度、白平衡等客观指标。可以在实验室内,拍摄专业的色彩测试卡,通过软件分析得到数据结果。常见的色彩测试卡包括:X-Rite Colorchecker24色经典测试卡、IT8.7/2校色测试卡、ColorChecker Digital SG标准色卡、ChromaDuMonde 24+4R测试卡和其他带色块带测试图卡。

X-Rite Colorchecker24色经典测试卡

通常我们推荐X-Rite Colorchecker24色测试卡来测试色彩指标,X-Rite Colorchecker测试卡的色块是在众多色彩中一系列经科学配制的 24个参照色,包含了彩色、原色和灰度色块等。这些色块大多代表自然物体,如人体皮肤、树叶和蓝天。由于它们代表各自对应物的色彩,并且以同样的方式反射可见光谱中的光,这些色块可在任何光源下与其代表的自然物体的色彩相匹配。不仅可用于色彩再现。还可用于数码相机创建白平衡,以确保在任何光照条件下都可产生标准白。

ColorChecker Digital SG标准色卡

为了满足数码摄影师的需要,Digital SG色卡提供最高质量的颜色参考标准。ColorChecker Digital SG标准色卡中140个色块,每个色块都是经过特殊筛选后来扩大颜色色域,这样你就能使用它来捕获相机和扫描仪的全部颜色范围。

ColorChecker Digital SG标准色卡包含了ColorChecker标准色卡的颜色块:代表了自然中的颜色,如肤色、树叶和天空等。人类肤色介调色保证了更加精准的颜色,灰色介调保证了相机或者扫描仪更精准地控制白平衡,而减小光源对其的影响。

ColorChecker Digital SG 超越了传统的 ColorChecker,代表了更大的色域并提供了更精细的单个颜色。

IT8.7/2校色测试卡

IT8.7/2校色卡是一张被精确测量色值信息的5*7英寸照片,因为符合美国ASNI国家标准IT8.7/2而得名,用于制作扫描仪色彩特性ICC,矫正扫描仪偏色。后来也衍生用于制作打印机、相机的色彩特性ICC,配合Monaco EZcolor、Profile Prism、Vuescan、Silverfast等校色软件,矫正设备的偏色。因此它也常备称作“扫描仪校色卡”或者“打印机校色卡”。该卡校色效果显著,堪称偏色克星。

三、测试流程

1、设备选用:

LE007反射面光源ColorChecker24色经典测试卡

2、将ColorChecker24色经典测试卡吸附在中性灰色背板上,左右居中、水平平齐;

3、测试推荐色温、照度条件(A光:30Lux、800Lux;TL84:30Lux、800Lux;D50/D65: 30Lux、800Lux,有条件的话可以验证D75:30Lux&300Lux),此次我们以光源D65,色温6500K;照度800Lux测试为例;测试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,图像画面占比建议在1/2到2/3之间,画面中测试卡表面不反光;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

1、打开imatest软件,点击colorcheck模块。

2、选择需要分析的图像(可进行批量分析),点击确认。

3、点击拖动鼠标,框选需要分析的区域。

4、软件会自动识别色块,需调整ROI大小,确保ROI在色块中心,ROI大小建议在0.65左右,若畸变较大可根据实际情况调整。

5、在“Colorchecker参考”这里需要选择24色卡的标准色彩数据。如果是自己测试的色度数据,需要选择LAB file 项目以打开测试的色度文件。

(1) 对于反射24色卡,推荐选择X-Rite defalut:post-Nov2014 D50;

(2) 对于透射24色卡,选择LAB D50 file(CSV or CGATS),然后点击确认,软件会提示加载参考文件进去。

6、选择需要使用的色差公式,以及显示的分析结果种类,点击确认。

7、保存结果数据。

五、结果分析与解读

1、色差评价:

(1) 方形表示色卡的参考值,圆形表示拍摄图像的计算值;

(2) 浅灰色线是SRGB颜色空间;

(3) 平均彩度百分数,是相机拍摄图像平均彩度/色卡参考值的平均彩度;这里用彩度表达饱和度,当饱和度大于100%时,表示彩度被夸大,色彩鲜艳,人眼感觉舒服;超过120%时,表示彩度过度夸大,色彩过于强烈,图像丢失细节严重,人眼感觉不适。

注意:各行业对上述参数标准不同。

2、颜色分析:

(1) 在每个色块上有三个颜色显示(如上图),1表示实际拍摄颜色,2参考值经过亮度调整的颜色,3表示参考值颜色,当1越接近于3表明颜色还原精度越高。

(2) 白平衡误差在灰色块上(Colorchecker色卡最低行2-5)清晰可见。灰色块表达了白平衡还原,【红色字体】表示饱和度差值,【蓝色字体】表示色温差值;当饱和度S<0.02时,差别几乎不可见,几乎察觉不到偏色;当S>0.1时,差别就很明显,视觉上偏色十分严重,尤其表现在浅灰色色块。

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