发布时间：2023年12月18日
色差（Chromatic Aberration）又称为彩色边纹（Color fringing）。本文，我们将从基本概念、类型、测量及计算为大家详细介绍色差（Chromatic Aberration）这一经典像质参数。
1、概念介绍
色差（CA）是导致镜头性能下降的几种像差之一。（其他包括像差、散光、球面像差和场曲率。）这是因为玻璃的折射率随光的波长变化而变化，即玻璃以不同的程度弯曲不同颜色的光。这种现象称为色散。它表现为色彩边缘模糊，最明显地出现在图像边界附近的切线边缘上。有时它会与另一种效应混淆，我们称之为像素偏移——这是一种通常在传感器上均匀发生的颜色通道偏移，可能由多芯片传感器的物理错位或去马赛克错误引起。
减小色差是镜头设计的传统目标之一。这通过组合具有不同色散特性的玻璃元素来实现。但在一些镜头类型中，尤其是超广角镜头、长焦距镜头和极端变焦镜头中，色差仍然是一个问题。在许多设计用于数码相机的镜头中，色差不再是主要考虑因素，因为如果在去马赛克之前应用了纠正（只要不是太极端），它可以在数字领域内进行纠正。
测量提示——横向色差最好使用（几乎）位于图像边缘或角落附近的切线边缘进行测量，例如，边缘 B（上图）。在径向边缘如 A 处，横向色差不可见。
imatest 对不完全切线的边缘应用了修正。
像素偏移（非色差CA）最好在靠近图像中心的近似垂直和水平边缘上进行测量，因为在那里色差最小。
如果感兴趣区域（ROI）的中心距离到角落的距离小于30%，则无法可靠地测量横向色差。在这种情况下，测试卡将以淡色显示，百分比的横向色差将被省略。
上面图示了两种色差。
- 纵向色差导致不同波长的光聚焦在不同的图像平面上。imatest无法通过单张图像进行测量；它会导致光学调制传递函数（MTF）响应的降低 — 不同颜色的降低程度不同。可以通过在多个距离获取SFRplus、eSFR ISO或棋盘图像，批量分析它们，然后在FocusField后处理器中运行生成的JSON文件来测量它。
- 横向色差是由于图像的放大率随波长而异而导致的色彩边缘模糊。它往往比纵向色差更明显。imatest可以测量横向色差。
横向色差最好在图像的边缘或角落附近的切线（或几乎是切线）上进行测量。在径向边缘上它是不可见的。上面的测试图中显示了切线曲线和径向线（它们相差90度），分别用酒红色和蓝色表示。由于典型的imatest SFR边缘相对于垂直和水平的角度在3到7度之间，测量色差的最佳边缘是图像左右两侧的近垂直边缘。ISO 12233:2000测试卡（右侧显示）已经过时，适合的边缘数量非常有限。上图中的矩形B是其中之一。 SFRplus测试卡以各种尺寸和媒介形式提供，非常适合测量色差。
| 右侧的缩略图来自一台拥有相当高色差的1200万像素紧凑型数码相机。下方显示了所选区域。红色边缘，即横向色差的结果，清晰可见。该矩形右侧的黑白边缘同样有鲜明的绿色边缘。imatest分析边缘并生成一个数字，指示横向色差的严重程度。 |  CA测量的ROI |
2、imatest色差测量
由imatest SFR计算的上述边缘的R、G和B色彩通道的平均过渡在下图中显示。边缘已经被归一化，使其在渐近极限处为0和1，即它们是无尺寸的，在距离过渡中心较远的地方趋近于0和1。请注意，这三个边缘不仅仅是简单地平移，如果三种颜色的焦距略有不同，你可能期望是这样的。它们由于去马赛克（RAW转换）而发生了变形，如下所讨论。当分析Bayer RAW图像（未去马赛克）时，你会看到简单的平移。
色差的可见度与振幅最高的边缘（在本例中为红色）和最低的边缘（在本例中为蓝色）之间的面积成正比。这个面积可以通过以下积分来表达。
由于 x 具有像素的距离单位，而Edge是无尺寸的，CA（area）的单位是像素——即使它是一个面积，它也有距离的单位。由此方程定义的CA称为面积色差。在右侧的图中以品红色显示（CA(area) = 1.88像素）。
交叉点之间的距离（过渡中心的中心）也显示在图中。它与光学CA成正比（镜头的实际色差，除非在原始转换期间已经进行了校正），但在视觉上不太显著。
（反向显示：显示的级别始终从左向右增加）
虽然以像素为单位的面积是感知色差的一个良好度量标准，但它也存在一些缺点：
- 它对具有高像素数的相机进行了惩罚。
- 结果强烈依赖于测量位置。大多数镜头的色差大致与图像中心的距离成正比。
为了解决这些问题，色差还可以以百分比形式表示，相对于图像中心到感兴趣区域（ROI）的距离，同时根据ROI与中心的角度进行修正。在上述例子中，CA（area）= 0.110%，即从图像中心到ROI的距离的百分之0.110。下方绿色框中描述了这一校正。这个测量方法提供了最佳的整体结果，因为它相对独立于测量位置和像素数量。下面的表格提供了关于色差严重程度的大致指导。图中右侧显示的测量结果总结在以下表格中。
| 10-90% 上升距离（原始；未校正）以像素和每张图片高度（PH）为单位。CA（area）：以像素为单位的色差面积。这是色差可见性的指标，表示最高和最低级别之间的通道面积。单位为像素，因为 x 轴为像素，而 y 轴归一化为1。在左上角的Profile指示的轴线上测量。意义（现已淘汰）：小于0.5；不显著。0.5-1：轻微；1-1.5：中度；1.5及以上：严重。 |
| CA（area）作为距离图像中心到ROI的百分比。比上述的像素更好的指标，因为它往往相对一致（至少在原始图像中是这样）。等于100% * （最高和最低级别之间的通道面积）/（从中心到ROI的像素距离），根据ROI的角度进行校正。这个数字相对独立于ROI的位置，因为CA往往与图像中心的距离成正比。在从图像中心到边缘的径向线上测量。意义：小于0.04；不显著。0.04-0.08：轻微；0.08-0.15：中度；超过0.15：严重。 |
| 将CA（以像素为单位）转换为CA（距离图像中心到ROI的百分比）的通用方程：CA（%）= 100% * CA（像素） ⁄（从图像中心到ROI的像素距离） |
| CA（crossing）。基于最广泛分离的边缘中心（边缘交叉0.5的位置）的色差。相比CA（area），它更少指示CA的可见性，但更指示实际的镜头色差。两种方式测量：（A）沿左上角Profile指示的轴线以像素为单位，和（B）沿从图像中心到ROI中心的线测量百分比。 |
| R-G、B-G红-绿和蓝-绿交叉移位，以距离图像中心到ROI的百分比表示，沿从图像中心到边缘的径向线测量。R-G为r（Rcross）- r（Gcross），其中r为半径（从图像中心）。 |
| R-G、B-G红-绿和蓝-绿交叉移位，以像素表示，沿左上角Profile指示的轴线测量。对于水平轮廓，R-G为x（R）- x（G）；对于垂直轮廓，R-G为y（R）- y（G），其中x和y分别为沿水平和垂直轴的距离。符号可能与百分比测量中的符号不同，取决于测量象限。 |
| x像素偏移R-G、B-G，x方向的像素偏移（用于近垂直边缘）；对于近水平边缘，显示y像素偏移。这对于测量光学色差以外原因引起的像素偏移最为有用，并最好在镜头中心附近测量。 暗区和亮区的平均像素级别。如果它们靠近0或255，可能会发生剪裁。 |
由于色差在图像中心附近无法准确测量，测试卡呈淡色显示，感兴趣区域（ROI）距离中心到角落的距离小于30%。
| 色差严重程度 | 色差严重程度 |
|---|---|
| 距离图像中心的百分比中的色差 | 严重程度 |
| 0-0.04 | 不显著 |
| 0.04-0.08 | 低，除非特意寻找，否则难以察觉。 |
| 0.08-0.15 | 中度，在高放大倍率的印刷中略显可见。 |
| 超过0.15 | 强烈，在高放大倍率的印刷中非常明显。 |
3、imatest模块
以下imatest模块可用于测量色差。除了Dot Pattern以外的所有模块都可以通过切线或几乎切线的斜边测量横向色差，并且还可以测量光学调制传递函数（MTF）。其中一些还可以测量光学畸变。
| 模块 | 评价 |
|---|---|
 SFRplus | 测量许多图像质量因素。SFRplus测试卡边缘的倾斜角度旨在最大化垂直边缘的切线分量。 |
 eSFR ISO | 测量许多图像质量因素，包括噪声，以及一些畸变测量。 |
 Checkerboard | 可以在广泛的距离或视场范围内操作。非常准确的畸变测量。 |
 Dot Pattern | 还可以测量光学畸变（但不包括MTF）。符合多个标准。 |
 SFR | 任何手动选择的斜边。 |
 SFRreg | 适用于超宽视场。不测量畸变。 |
4、去马赛克
去马赛克是将Bayer原始图像（每个像素一个颜色，RGRGRG…; GBGBGB…）转换为标准图像（每个像素三个颜色）的过程。在这个过程中，每个通道的缺失细节是通过其他通道的细节推断出来的。这在红色和蓝色像素尤为重要，因为它们只有绿色的一半常见。去马赛克算法可以非常数学复杂，但在存在横向色差的情况下，所有算法的性能可能较差，因为细节被偏离了预期位置。
去马赛克解释了在本页面示例中显示的偏移边缘。横向色差在去马赛克后无法可靠地纠正，但在去马赛克之前可以近乎完美地进行纠正，这在现代相机和手机中经常进行。imatest Master可以计算校正系数，该软件可以分析通过转换制造商的Camera RAW文件创建的Bayer RAW文件。有关RAW文件的详细信息请参阅相关页面。
以下是一个示例，用于说明相同区域的RAW和去马赛克后的文件。佳能EOS-40D，17-85mm IS镜头，50mm，f/8。
 去马赛克前的色差：易于校正对每种颜色使用不同的放大倍数（1-0.00024） x表示红色；1.0006 2x表示蓝色；1表示绿色）。 |  去马赛克后的色差：难以校正。 最近的许多相机（自2011年以来）都内置了CA校正。 |
R-G和B-G是CA校正系数。它们分别是红色和绿色以及蓝色和绿色交叉点之间的间距，表示为中心到ROI距离的百分比。该测量相对独立于测量的位置。
非切向边缘的色差校正在imatest中，边缘轮廓是沿水平或垂直线测量的。下图的蓝色线（x）是一个示例。但色差发生在径向线上——即从图像中心到测量区域的线（在右侧用红色表示）。除非这条线是垂直或水平的，否则将存在必须校正的测量误差。在下图的示例中，对于近垂直边缘，进行了校正，其中轮廓和因此色差是水平测量的。在这个示例中，
● x=x1+x2 是沿水平像素行测得的色差。
● C=真实的沿径向线（角度=θ）的色差。
● Ø是边缘相对于垂直的角度。
x1=C cosθ；y=C sinθ
x2=y tanØ（如果Ø为负，则x2可能为负）
x=x1+x2=C cosθ+y tanØ=C(cosθ+sinθ tanØ)
C=真实的色差=x/(cosθ+sinθ tanØ)
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