眩光是如何影响动态范围的

眩光通过模糊图像降低当前成像画面的动态范围,即冲淡图像暗部的细节。

01 | 简介

相机的动态范围(DR)是指场景中能够以足够的对比度和良好的信噪比(SNR)再现的色调光比范围。相机的动态范围通常受到眩光的限制,眩光是图像中的杂散光,主要由镜头内部元件之间的反射引起。眩光通过模糊图像降低当前成像画面的动态范围,即冲淡图像暗部的细节。这是相机(包括镜头)的动态范围比图像传感器的动态范围差的主要原因。

在过去测试中我们发现,测试卡图像中的眩光在理论上可能会被误认为是测试卡本身的图像,从而导致动态范围测量被夸大(有时甚至超过120DB),实际上有些用户会更喜欢相对夸张的动态范围测量结果,因为此时的结果更接近HDR传感器的规格。

通过研究分析这些图像,我们开发了避免由眩光引起夸张信噪比(SNR)测量的技术,使成像系统的动态范围能真实有效地测量分析。

02 | 眩光的影响

眩光可以用XYLA图的图像来说明,XYLA图是一个线性配置的高精度HDR测试图,本次示例选用的是由21个灰度色块组成,光密度步长为0.3的Xyla -21。图①拍摄自一个较低成本的“黑匣子”相机。

如图①所示,上面的横截面图是用图像统计模块制作的,取自Xyla图像的中心。图像中最亮色块的左侧眩光最为明显的,往右的灰阶上眩光逐渐衰减。

图① XYLA图像(来自同一图像;灰阶下部变亮)和相应的横截面图

而图②是在测试卡的外面(下面)拍摄的(不属于测试卡区域)。灰阶区域显示是变亮的,眩光更明显。图卡在灰阶渐变时有明显的亮度像素水平变化(x位置在800和1600之间)是由左侧最亮的色块眩光扩散造成。

图② Xyla图像的结果显示出强烈的Tone Mapping

这幅图像有非常强的局部ToneMapping,导致测量的伽马值特别低为0.148(且意义不大)。信噪比的变化方式也不寻常,因为它不像传统的线性图像传感器那样单调地下降。这表明相机使用了一个具有多个工作区域的HDR图像传感器。

因为图像有明显的桶形畸变,所以区域选择很困难。对比度分辨率图卡更容易使用,在有Tone Mapping的情况下能更好地显示系统性能。

如果眩光强度再差一点,很容易会被误认为是来自图像本身的信号,导致错误的动态范围测量。

眩光是非常复杂的。它可以给图像增加一个偏移量(通常称为“面纱眩光”),这在图像处理流程中很难与黑电平偏移量区分开来;大多数时候,它在明亮的色块附近最大,然后随着与这些色块的距离增大而减小。下降率小是表现良好的指数。

镜头反射是造成中距离眩光的一个主要原因。一个没有涂层的玻璃表面(折射率≅1.5)会反射入射光线的R = 4% = 0.04。(一片玻璃或一个镜头组件有两个表面)。

对于表面和光源之间的每个玻璃表面,初级反射的一部分R(原始入射光的R2)被反射回图像传感器,这被称为二次反射。由于大多数镜头表面是弯曲的,这种光是不聚焦的;也就是说,它更可能让图像的一部分变模糊。

根据Edmund Optics的说法,最好的抗反射涂层在可见光谱(约400-700nm)上的R≅0.4% = 0.004。在合理的入射角范围内,R=0.005可能更真实。每次二次反射回传感器的光线将是R2=0.000025=2.5*10-5=-92dB(20*log10(R2))。二次反射的数量NSeC随着镜头中元件M的数量(元件组粘合在一起,每个元件有两个接触到空气的玻璃表面)而迅速增加。一个元件为1;两个元件为6;三个元件为15;四个元件为28;五个元件为45。对于M组件:

M=5个元件是高质量的相机手机的特点;M≥12个元件是单反相机变焦镜头的普遍现象。总的来说,镜头眩光没有二次反射的数量所显示的那么严重,因为杂散光并没有覆盖整个图像;它随着与明亮区域的距离而减少。这就很容易理解为什么传感器的DR较高,但实际的相机的DR测量却被限制在70-90dB左右。

较差相机对比度分辨率图像的分析
红色箭头表示空间变化的眩光

由于ISO 18844眩光模型没有测量由镜头反射引起的空间依赖性眩光,所以它在描述实际系统性能方面的价值有限。

小结眩光主要是指图像中从亮区扩散出来的暗区的光。这种漫射光可能与实际的图卡信号相混淆(尤其是线性测试卡),导致成像系统的DR测量值偏大。此外,越来越多的眩光(可能是由于较差的,即较便宜的镜头涂层造成的)由于影响阴影或暗区原有的亮度,导致其对比度发生变化干扰实际动态范围测量值。因此,需要区分来自眩光的假信号混淆图卡的真实信号。 

03 | 动态范围测试卡

Imatest用于测量动态范围的图卡是具有(近似)环状色块配置的透射式(即背光)图卡;非线性图卡(如图①所示的Xyla测试卡),两层或三层的高密度叠加可测量更高的动态范围。

04 | 实际拍摄示例

近期我们分析了很多来自单反相机或其他高性能相机的动态范围图像,这些相机的眩光相对较低;也有来自较差相机所拍摄的具有严重眩光现象的图像。我们还未确定眩光如此严重的具体原因,这可能是由于多元素镜头的劣质涂层或镜筒中的挡板较少造成的。

来自高质量(佳能90mmT/S)镜头的原始图像的结果来自高质量(佳能90mmT/S)镜头的jpeg图像的结果
来自消费级(佳能75-300mm)镜头的原始图像的结果来自消费级(佳能75-300mm)镜头的jpeg图像的结果

这四张图片是在索尼A7Rii相机上用两个不同的镜头拍摄的48位RAW(或从RAW衍生的TIFF)和24位JPEG文件。

  • 一支消费级的佳能EF 75-300-mm f/4-5.6镜头(原始版本)设置为80mm,f/5.6。这支镜头有15个元素,分10组。
  • 质量非常高的佳能TS-E 90-mm f/2.8(T/S)镜头设置为f/5.6。由于这支镜头有5组6个元素,预计它的眩光比75-300要低。
  • 请注意,两个最暗的色块(35和36)的结果不在图中,因为它们的密度(8.184和8.747,相当于163.7和174.5dB)超过了图中的160dB限制。160dB相当于1亿:1的比例——远超出了现有成像设备或传感器的极限值。

正如预期的那样,90mmT/S镜头的DR明显更好,JPEG文件有更多的反应“肩”(图像浅色部分斜率降低的区域)。值得注意的是,JPEG图像的DR与原始图像相当——显然是因为伽马编码,它减少了明亮区域的像素级数,增加了黑暗区域的像素级数,使DR超出了线性8位(256级)文件的预期范围。 

请注意,在上述四幅图像中的三幅中,低质量的DR低于斜率的DR;在其余的图像中,它们非常接近。我们不建议使用基于斜率的DR本身(因为它远超出了信噪比=0dB(SNR=1)的区域;也就是说,它包括信噪比差导致噪声完全掩盖图像细节的区域。

05 | 低成本的“黑匣子”相机

与我们最近收到的一台低成本“黑匣子”相机的图像相比,两个镜头的DR值(中等质量和高质量)之间的差异似乎不大。

低成本“黑匣子”相机的动态范围结果

低质量(SNR=0dB,记为Low)的DR测量值为148dB;来自斜率的DR是66dB——远远低于几个基于信号质量的DR测量值(也低于90mmT/S镜头的基于斜率的DR)。

请注意,两个最暗的色块没有出现在这个图上,因为它们的密度(8.184和8.747)超过了测试卡最大测量范围160dB。(160dB的范围是1亿:1,超过了任何传感器或相机的极值。换句话说,如果最暗的地方有光信号透出,那最亮的灰阶会损坏传感器)。

为了了解发生了什么,我们需要观察高质量相机的图像黑暗部分,显示为额外的(X-)或XX-lightened,让细节在黑暗色块中可见,与低成本相机的可比区域进行比较。

佳能75-300mm(消费级)镜头的RAW(TIFF)图像暗区,
X-lightened

6个元件(5组)90mm镜头的RAW图像在第7行(从下往上第二行;色块27-32)显示出亮度下降的明显区域,尽管亮度不再下降,在底行仍然显示出明显的区域。在第30个色块中可以看到一个反射(可能来自镜头)。来自90mm镜头的JPEG图像有更多的噪声。有些可能是量化噪声,因为JPEG只有256级(0-255)。来自15个元件(10组)75-300mm镜头的图像肯定显示出更多的眩光现象。

来自低成本黑匣子相机的JPEG图像的暗区,X-lightened

现在,将这些结果——特别是来自90mmT/S镜头的RAW图像与来自低成本黑匣子相机的图像进行比较。

在底部两行(色块27-36)没有看到明显细节。每行的像素水平不是从左到右递减,而是从上到下递减,在底部两行保持相对稳定,带状(255级的结果)清晰可见。这显然是眩光,而不是来自测试卡的信号。

这几行的信噪比相当好,因为Imatest在噪声计算中消除了照明不均匀性的影响。(有一个设置可以将其关闭,但我们一般建议将其打开,以便在实际照明不均匀的情况下获得更好的结果)。但可惜的是,这个信号是一个假象,并不是真实的。 

我们得出的结论:低成本黑匣子相机基于质量的DR结果是不正确的,我们需要检测眩光影响图像信号的色块,并将它们从DR计算中排除。 

幸运的是,这对于具有圆形色块配置的DR测试卡来说并不困难,比如上面展示的36个色块的DR测试卡(对于线性图来说比较困难)。由于色块的安排,当眩光占据场景时,色块水平停止下降。这在上例中的底部两行中可以清楚地看到,在这些行中,图像从上到下变得更暗——与色块序列垂直。当色块亮度停止下降时,我们可以确信眩光占主导地位;也就是说,我们是在相机DR之外。对于超出基于斜率的DR的色块来说,情况就是这样。 

因此,将所有基于质量的DR值限制为基于斜率的DR(最大值)是有意义的。

在Imatest 5.2中,选项Ⅱ窗口(从Imatest主窗口右下方的按钮进入)提供了一个选择,即是否将基于质量的DR限制为基于斜率的DR。当勾选该选项时,该限制就会出现在结果显示中。

低成本黑匣子相机的动态范围(DR)结果
基于质量的DR受限于基于斜率的DR

我们过去测试的高质量单反/无反光镜镜头没有眩光问题,但眩光问题已经成为限制汽车或安防行业低成本镜头性能的主要因素。我们已经看到了眩光如何提高传统DR测量,同时降低实际相机DR的例子。

我们将与sensor镜头厂家进行大量的数据验证及讨论,在未来将为大家分享更佳的解决方式以避免眩光对动态范围测试带来的影响。

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