什么是清晰度(sharpness)及其如何测量?

什么是清晰度(sharpness)及其如何测量?

清晰度或称锐度决定了一个成像系统所能再现的细节数量。它是由不同色调或颜色的区域之间的界限来定义的。

图1. 条形图案。原始的(图的上半部)与镜头退化的(图的下半部)。

在图1中,清晰度是用空间频率增加的条形图案来说明的。图中的上半部分是锐利的,其边界是清晰的;下半部分是模糊的,说明了条形图案在通过模拟镜头后是如何退化的。

注意:所有的镜头都在一定程度上模糊了图像。

锐度在图像边缘等特征上最为明显(图2),可以通过边缘(阶梯)响应来测量。

有几种方法用于测量锐度,其中包括10-90%的上升距离技术、调制传递函数(MTF)、特殊和频域以及斜边算法。

上升距离和频域

图像的清晰度可以通过图像内一个边缘的 “上升距离 “来测量。

通过这种技术,锐度可以通过一个像素水平在其最终值的10%到90%之间的距离来确定(也称为10-90%上升距离;见图3)。

图3. 10-90%的上升距离对模糊和锐利边缘的说明
图3. 10-90%的上升距离在模糊和尖锐边缘上的图示

上升距离没有被广泛使用,因为没有方便的方法可以从一个成像系统的各个组成部分(即镜头、数字传感器和软件锐化)的上升距离中计算出来。

为了克服这个问题,测量是在频域中进行的,其中频率是以每一距离(毫米、英寸、像素、图像高度,或有时是角度[度或毫弧度])的周期或线对来测量。

在频域中,通过组合由纯音(正弦波)组成的信号,可以产生一个复杂的信号(音频或图像),其特征是周期或频率(图4)。一个完整系统的响应是每个组成部分的响应的乘积。

图4. 在频域中测量锐度
图4. 周期(1/frequency)的定义

频域和空间域是通过傅里叶变换联系起来的。

高频(短周期)下的系统响应越大,系统能传达的细节就越多(图5)。系统响应可以用频率响应曲线F(f)来表征。
注:高频率对应的是精细的细节。

调制传递函数
图5. 高频对应的是空间和频率域的精细度
图5. 高频对应着空间域和频率域的精细细节

在给定空间频率下的相对对比度(输出对比度/输入对比度)被称为调制传递函数(MTF),它类似于空间频率响应(SFR),是测量清晰度的关键。在图6中,MTF是用正弦和条形图案、振幅图和对比度图来说明的–每个图案的空间频率都从左到右连续增加。

注:Imatest将SFR和MTF交替使用。SFR通常与完整的系统响应相关,而MTF通常与特定组件的个别影响相关。换句话说,系统SFR相当于成像系统中每个组件的MTF的乘积。

高空间频率(在右边)对应于精细的图像细节。摄影组件(胶片、镜头、扫描仪等)的反应在高空间频率下趋于 “滚落”。这些部件可以被认为是低通滤波器,通过低频而衰减高频。

图6. 正弦和条形图案,振幅图,以及对比度(MTF)图
图6. 正弦和条形图案,振幅图,以及对比度(MTF)图

图6由上、中、下三幅图组成,描述如下。

条形图案,正弦图案(上图)–上图说明了(1)原始正弦图案,(2)有镜头模糊的正弦图案,(3)原始条形图案,(4)有镜头模糊的条形图案。请注意,镜头模糊导致高空间频率的对比度下降。
振幅(中间图)–中间图显示了带透镜模糊的条形图案的亮度(MTF方程式部分的 “调制 “V)(见图6的红色曲线)。正弦图案的调制,由纯频率组成,被用来计算MTF。(注意,在高空间频率下,对比度会降低)。
MTF %(下图)-下图显示了相应的正弦图案对比度(见蓝色曲线;代表MTF),这也是在MTF公式部分定义的。根据定义,低频MTF极限总是1(100%)。在图6中,MTF在61 lp/mm(每毫米线对)时为50%,在183 lp/mm时为10%。请注意,频率和MTF都是以指数符号的对数尺度显示的[100=1%;101=10%;102=100%,等等];振幅(中间图)是以线性尺度显示的。一个完整的成像系统的MTF是其各个组成部分的MTF的乘积。

MTF公式

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