ISO 12233-2014版分辨力和空间频率响应标准

目录

1.介绍

2.适用范围

3.术语和定义

4.Imatest推荐测试卡

5.Imatest分析方法

1. 介绍

目的

空间分辨率是电子静止摄像机的重要属性。分辨率测量标准允许用户比较和验证空间分辨率测量方法。本文档定义了用于模拟和数字电子静物相机分辨率测量的术语、测试图和测试方法。

技术背景

消费类数码相机的术语“分辨率”通常被错误地解释为可寻址光电元件的数量。虽然存在用于确定相机像素数的现有协议，但不要将这些协议与本文档中所述的分辨率解释相混​​淆。定性地说，分辨率是照相机对细微间隔细节进行光学捕捉的能力，通常被报告为单值度量。空间频率响应 (SFR) 是一种多值度量，用于测量作为空间频率函数的对比度损失。通常情况下，对比度作为空间频率的函数会降低到细节不再在视觉上分辨的水平。这个极限频率值是照相机的分辨率。相机的分辨率和SFR是由许多因素决定的。这些包括但不限于相机镜头的性能、光学成像设备中可寻址光电管的数量以及相机中的电路，其中可以包括图像压缩和伽玛校正功能。

而分辨率和SFR是相关的指标，它们的区别在于其综合性和实用性。如本文档所述，分辨率是一个单频率参数，该参数指示输出信号是否包含用于视觉检测的最小细节信息阈值。换句话说，分辨率是候选相机在引用条件下能有效捕获的最高空间频率。它对于快速制造测试、质量控制监控或提供最终用户容易理解的简单指标来说是非常有价值的。用于确定分辨率的算法已经通过人类观察者的视觉实验进行了测试，并且与他们对高频细节损失的估计具有很好的相关性。

SFR的数值描述的对比是通过改变相机作为一种空间频率的对比功能描述。它对于工程、诊断和图像评估目的非常有益，并作为伞形函数，从中导出清晰度和锐度等指标。通常，专家会选择与指定 SFR 级别相关联的空间频率作为修改后的非视觉分辨率值。

与本文档的第一版不同，描述了两个 SFR 测量。此外，第一个 SFR 计量方法，基于边缘的空间频率响应，与第一版中描述的方法相同，只是测试图使用了较低的对比度边缘。靠近倾斜的垂直和水平边缘的感兴趣区域 (ROI) 被数字化并用于计算 SFR 级别。倾斜边缘的使用允许在相对于图像传感器光电元件的多个相位测量边缘梯度，并产生相位平均的 SFR 响应。

第二版介绍了第二种基于正弦波的 SFR 计量技术。使用极坐标格式的正弦波调制目标（例如西门子星），它旨在提供 SFR 响应，该响应对消费数码相机的图像内容驱动处理引入的不良空间频率特征更具弹性。从这个意义上说，它旨在更容易地解释来自此类相机来源的 SFR 水平。比较基于边缘的 SFR 和基于正弦的 SFR 的结果可能表明使用非线性处理的程度。

在确定视觉分辨率或SFR的第一步是在摄像机下捕捉一个合适的测试图图像。测试图应包括足够精细的细节和频率内容，如棱、线、方波或正弦波图案。本文档中定义的测试图是专门设计用来评估电子静止图像照相机的。它不一定被设计用来评估其他电子成像设备，如输入扫描仪、CRT显示器、硬拷贝打印机或电子照相复印机，也不是电子静止图像照相机（如透镜）的单独组件。

本文档中描述的一些测量是使用数字分析技术进行的。如果有足够的数字化设备，它们也适用于通过将模拟信号数字化的摄像机的模拟输出。

测量 SFR 和分辨率的方法——选择原理和指导

本节旨在为选择本文档中提出的不同分辨率计量方法提供更详细的理由和指导。虽然通过空间频率响应的模拟光学系统的分辨率计量已经很好地建立并且在方法（例如正弦波、线、边缘）之间基本一致，但此类系统的计量数据通常是在控制良好的条件下捕获的，其中所需的数据线性和空间各向同性假设成立。一般来说，即使在实验室捕获环境下，从许多数码相机的文件中假设这些条件是不安全的。在将数字图像文件作为完成文件提供给用户之前，将其曝光和图像内容相关的图像处理防止了这种情况。这种处理会根据场景中的特征或在本文档中的目标，产生不同的 SFR 响应。例如，在摄像机边缘检测算法中，可以对边缘特征进行特定的操作，并根据复杂的非线性决策规则选择性地增强或模糊边缘检测。根据意图，这些算法也可以对重复的场景特征进行不同的调整，例如正弦波或条形图案中的场景。即使对于本文档中推荐的受限相机设置，这些非线性算子也会根据目标特征集产生不同的 SFR 结果。当然，这会导致混淆使用哪些目标，无论是单独使用还是组合使用。下面提供了选择指南。

边缘是自然场景中的常见特征。他们也往往作为判断图像质量和显示图像伪像的视觉敏锐度线索。这种逻辑规定使用SFR计量在本文档的当前和过去的版本。这也是为什么在许多消费数码相机中，边缘特征易于进行图像处理的原因：它们在视觉上很重要。所有其他的成像条件相同的情况下，相机的SFR使用不同的目标对比度边缘特征可以明显不同，特别是他们的形态。这主要是由于非线性图像处理算子造成的，对于严格的线性成像系统不会发生。为了缓和这种行为，选择了较低对比度的倾斜边缘特征（图 C.1）来代替第一版的较高对比度版本。这种特征选择仍然允许超过半采样频率的敏锐度 SFR 结果，并有助于防止高对比度目标特征可能发生的非线性数据削波。在自然发生的场景中，它也是对视觉上重要的对比度级别的更可靠的渲染。

正弦波特征长期以来一直是直接计算模拟成像系统 SFR 的选择，并且它们在直观上令人满意。它们是基于边缘方法的经验引入到第二版的。由于正弦波转换速度比边缘慢，所以它们不容易被识别为嵌入式处理器中的边缘。因此，使用它们可以在很大程度上避免图像处理对 SFR 施加的模糊性。或者，如果图像处理受到缺乏清晰特征的影响，相机可能会使用更积极的处理。第二版采用了正弦波星爆测试模式。使用适当的分析软件，可以计算高达半采样频率的基于正弦波的 SFR。基于上述原因，基于正弦波的目标也具有低对比度，与基于边缘的版本一致。目标设计相对于其他正弦目标的另一个好处是它的紧凑性和双向特性。

所有的经验表明，当今的数码相机没有单一的 SFR。即使在本文档中所建议的严格的捕获限制下，大多数数码相机所允许的特征集也阻止了这种独特的特性。通过完整记录捕获条件和计算 SFR 的相机设置，可以减少混淆。有人建议，在相同的捕获条件下比较基于边缘和基于正弦波的 SFR 结果可能是评估数码相机中空间图像处理贡献的好工具。

最后，有时全SFR的表征是不需要的，如在行尾的照相机组件测试。

2. 适用范围

本文件规定的测量分辨率和电子照相机的SFR的方法。它适用于单色和彩色摄像机输出数字数据或模拟视频信号的测量。

3. 术语和定义

3.1 可寻址光电管：图像传感器的有源光电管数

注1：等于进入有源光电管的行数和每行的产品主动光电管的数量。

3.2 混叠：输出图像由于没有足够的采样在asampled成像系统出现

注1：通常表现为重复的图像特征的或锯齿状的台阶边缘过渡莫尔模式。

3.3 周期每毫米（CY /毫米）：空间频率单位，定义为每毫米的空间周期数。

3.4 边缘扩散函数：归一化的空间信号分布在线性成像系统的成像理论无限锋利的边缘产生的输出

3.5 有效光谱中性：具有光谱特性，导致在一个特定的成像系统产生相同的输出作为光谱中性对象

3.6 电子静止图像照相机：图像传感器的相机，输出一个模拟或数字信号代表一个静止画面

注1：该相机还可以记录或存储模拟图像或数字信号，表示可移动介质上的静止图像，如存储卡或磁盘。

3.7 伽玛校正：改变相对信号电平的信号处理操作

注1：伽马校正部分是为了校正显示器的非线性光输出与信号输入特性。光输入和输出信号的电平之间的关系，称为摄像机的光电转换函数（OECF），提供伽玛校正曲线形状的图像捕捉装置。

注2：伽马校正通常是一种算法，查找表或电路，分别在图像的每个颜色分量上操作。

3.8 水平分辨率：分辨率在较长的图像尺寸中测量的值，对应于“横向”图像方向的水平方向，通常使用垂直或近垂直方向的测试图特征。

3.9 图像的纵横比：图像宽度与图像高度之比

3.10 图像压缩：改变数字图像数据编码方式的过程，以减小图像文件的大小。

3.11 图像传感器：将入射电磁辐射转换为电子信号的电子装置

例如：电荷耦合器件（CCD）阵列，互补金属氧化物半导体（CMOS）阵列。

3.12 每毫米线数对：空间频率单位，定义为每毫米宽度相等的黑白线对数。

3.13 线扩散函数：归一化的空间信号分布在线性输出一个成像系统的成像理论无限细的线

3.14 每幅图像的线宽：指定的测试图的特征宽度空间频率的单位的相对活性区高度图

注1：在进入LW / pH值表示的宽度相同，可以在一个测试目标的高度或一个摄像机视图垂直领域内处于边缘线的总数。

注2：此单位是使用任何方向的“功能”（如线）。具体来说，它适用于水平、垂直和对角线。

例如：如果在图的活性区的高度为20厘米，1个1000 LW/PH黑色线具有宽度等于20 / 1 000厘米。

3.15 线性化的：数字信号的转换进行反转摄像机光电转换函数（OECF）到焦平面的接触或场景亮度

3.16 线/毫米：空间频率单位，定义为每毫米宽度相等的黑白线数。

注1：每毫米（LP /毫米）一行对等于2行/毫米。

3.17 调制：信号电平归一化幅度

注1：这是平均信号电平除以最小信号电平和最大信号电平的差值。

3.18 调制传递函数：光学传递函数的模

注1：对于进入MTF有意义，这是必要的，成像系统是在等晕区，其线性范围操作。因为大部分的电子照相机提供空间彩色取样和非线性处理，一个有意义的MTF的相机只能近似通过SFR。

3.19 归一化的空间频率：空间频率单位，用于指定成像系统的分辨率特征，而不是周期/毫米或任何其他长度单位。

3.20 光学传递函数：光学传递函数的二维傅里叶变换成像system’spoint扩展函数

注1：对于进入光学传递函数具有重要意义，它是必要的，成像系统是在等晕区，其线性范围操作。光学传递函数是一个复杂的函数的模量在零空间频率值的统一。因为大部分的电子照相机提供空间彩色取样和非线性处理，一个有意义的OTF的相机只能近似通过SFR。

3.21  点扩散函数：归一化的空间信号分布在线性输出一个成像系统的成像理论的无限小的点源

3.22 分辨率：测量照相机系统或照相机系统的组成部分的能力，用来描绘图象细节

3.23 采样成像系统：通过在离散点阵列上或沿一组离散线采样图像而不是连续的点来生成图像信号的成像系统或装置。

注1：每一点的取样是用有限大小的取样孔或面积进行的。

3.24 空间频率响应：作为输入空间频率函数的成像系统的相对振幅响应

注1进入SFR通常是由一个曲线输入正弦空间亮度分布单位振幅的输出响应表示，在一个范围内的空间频率。SFR除以它的价值在0空间频率归一化在0空间频率值为0产量。

3.24.1 基于边缘的空间频率响应e-sfr：成像系统对倾斜边缘输入的测量振幅响应

3.24.2 基于正弦波的空间频率响应s-sfr：成像系统对正弦波输入范围的测量振幅响应

3.25 光谱中性：表现出反射或透射特性，在波长范围内是恒定的。

3.26 测试图：安排测试模式设计测试的成像系统的特定方面

3.27 测试模式：用于测量图像质量属性的光谱反射或透射特性的指定安排

3.27.1 双色调模式：这isspectrally中性模式有效光谱中性，并由专门的在规定的空间布局两反射或透射比的值

注1：双色调模式进入通常用于measureresolution视觉分辨率的方法。

3.27.2 双曲楔试验模式：双色调模式连续变化，并随空间频率

注1：双色调进入双曲楔测试模式是用来measure resolution通过视觉分辨率的方法在这个文件。

3.28 垂直分辨率：分辨率在与“垂直方向”图像方向相对应的较短图像尺寸中测量的值，通常使用水平或近水平方向的测试图特征。

3.29 视觉分辨率：在空间频率上，所有的测试模式频率的黑白线不能再被人类观察者区分。

注1：这是在显示或打印复制入门的特征。

4. Imatest推荐测试卡

CIPA楔形图 CIPA Resolution Chart	Imatest eSFR ISO测试卡 eSFR Test Chart
​西门子星状图   Simens Star Chart	老版 ISO 12233：2000测试卡