斜边vs西门子星图丨信号处理敏感度“大比拼”

发布时间：2024年7月1日

本文，我们将讨论斜边图案对信号处理，特别是锐化处理的敏感性问题，并纠正了一种误解，即正弦波图案，如西门子星图，对锐化不敏感，因此提供更稳健和稳定的调制传递函数（MTF）测试卡测量。西门子星图特别引人注目，因为它和斜边一样，被包含在ISO 12233:2014标准中。

总的来说，我们发现尽管正弦图案通常不如低对比度（4:1）的斜边对锐化那么敏感，但它仍然表现出相当的敏感性。西门子星图的相对高对比度（规定为>50:1）使得测量结果对裁剪和色调响应的非线性非常敏感。低对比度（4:1）斜边紧密近似于我们的眼睛用来感知锐度的特征，并且它们很少使图像饱和。基于斜边的测量准确代表了现实世界的性能：它们在广泛的应用范围内对相机测试非常有效，从产品开发到制造。

我们将通过Imatest SFR、SFRplus和eSFR ISO执行的斜边图案的MTF测试卡计算结果与通过Imatest星形图（针对西门子星图）和Log F-对比度模块执行的正弦波图案的结果进行比较，特别关注信号处理的影响，尤其是锐化和降噪（这些由软件或相机固件执行）。

大多数消费相机在存在对比度高的特征（如边缘）时锐化图像，并在它们缺失时降低噪声（低通滤波；与锐化相反）。当然，这种处理的细节更为复杂，并且不同相机之间差异很大。因此，我们分析了一台图像传感器和像素大小介于手机相机和单反相机之间的相机：松下Lumix LX7（一款高端的即拍即得相机，配备出色的徕卡变焦镜头和可选的原始输出）。

图像

这些图像来自LX-7相机，设置为f/2.8，9.8mm焦距（相当于50mm）。JPEG和RAW图像同时捕获。LX-7 JPEG图像的锐化半径为1，这意味着最强的锐化提升接近奈奎斯特频率（0.5个周期/像素）。

RAW结果

我们首先比较了原始图像（从raw图像派生而来，没有进行锐化、降噪或gamma编码）与相机内的JPEG图像（经过高度处理）对于使用ISO速度80（最小值）和1600的相同图像捕捉。

为了获得原始图像，raw图像经过去马赛克处理并保存为TIFF文件，使用dcraw，它不应用任何锐化或降噪。输出伽马被设置为1.0（线性；即，没有gamma编码），白平衡被设置为无，输出颜色空间被设置为RAW。转换后的raw图像可以被认为是“原始”的（即，未经处理的）图像。

对这两张相同SFRplus测试卡的图像进行比较显示，提高ISO速度的唯一显著效果是增加噪声。请注意，转换后的RAW图像（gamma=1）比上面显示的JPEG图像（gamma约为0.5）要暗得多。

调制传递函数（MTF）曲线单调递减的形状（在左侧噪声较少的图像上更清晰）是未锐化图像的特征。锐化图像在中间空间频率（低于奈奎斯特频率）有一个特征性的提升，这里将更详细地描述。我们将在下面使用这些曲线与锐化图像进行比较。

注意：使用gamma值=1（无gamma校正）来分析转换后的RAW图像（在这些图像中不应用gamma编码），对于这种情况，边缘像素轮廓与JPEG图像中显示的边缘线性、未归一化的轮廓相同。

这两幅图表明边缘对比度对RAW斜边的MTF影响很小。现在我们来看西门子星图（在几个角度上）和Log F-对比度测试卡（在几个对比度级别上）的结果。

结果与斜边测量非常相似。我们没有展示ISO 1600的结果，因为那将是相同的情况。

总结：RAW的MTF结果相对独立于测试卡类型、对比度级别和ISO速度。它们单调递减的形状清楚地表明没有应用锐化。对于（高度处理过的）相机JPEG图像来说，情况并非如此。

斜边结果

下面的结果展示了斜边是如何受到LX7中JPEG信号处理（特别是锐化）的影响，这是由软件/固件执行的。与未处理的图像相比，上升距离更短；边缘的过冲和下冲是可见的，MTF曲线在奈奎斯特/3左右有一个峰值（高达1.2），这是适度强烈锐化的特征。

显然，ISO 1600的锐化程度低于ISO 80。（奈奎斯特频率以上的额外响应是由于噪声造成的。）请注意，JPEG图像中亮区和暗区之间的比例降低了（与上面的RAW图像相比），因为已经应用了gamma编码。

基于上述结果对比，我们可以看出：（所有均为ISO 80）与4:1对比度边缘相比，高对比度（约12:1）边缘的MTF50更高，而2:1边缘的MTF50较低；尽管overshoot变化小于我们观察到的一些其他相机。这种行为在消费级相机中很常见，它们往往在对比度高的特征附近有更多锐化，在缺乏对比度高的特征时锐化较少（通常完全没有，或者进行降噪（低通滤波）——这是锐化的逆过程）。斜边的锐化提升非常明显。

请注意，LX-7 JPEG图像的锐化半径为1，这意味着最强的锐化提升接近奈奎斯特频率（0.5个周期/像素）。

正弦波结果

Log F-对比度测试卡和西门子星图都具有正弦波图案。西门子星图在ISO 12233:2014附录E中规定具有50:1到250:1之间的对比度比率（非常高！），因此我们期望它与Log F-对比度测试卡的顶部（对比度最高）行具有类似的MTF响应。关键差异如下：

Log F-对比度在单一方向（水平）上测量MTF，但具有一系列对比度级别。
西门子星图在多个方向上测量MTF，但只有一个对比度级别（通常是高对比度）。

上面的两个图表以两种不同的格式展示了Log F-对比度测试卡的相同MTF结果：实际MTF曲线（左上）和MTF轮廓图（右上）。轮廓图更清晰地观察响应如何随对比度变化（参见Imaging-Resource上使用Log F-对比度进行锐度和纹理分析的一些有趣示例），但MTF曲线更适合与下面的星形图结果进行比较。在调制水平大于0.1（对比度> 1.25:1）的行中存在锐化。当调制低于0.1时，锐化迅速减少。

在这些图表中可以看到一个奇怪的现象：对于最高的对比度级别，锐化度会降低。第一行的锐化度明显低于第4至13行。当我们观察这款相机的色调响应（来自Log F-对比度图案下方的灰度图案）时，我们没有看到对比度或色调非线性的任何问题。LX7信号处理流程似乎减少了非常高对比度级别的锐化，以减少裁剪的可能性。

正如预期，星形图MTF结果与第一行（对比度最高）的Log F-对比度结果几乎相同，特别是当考虑水平和垂直MTF时。右图显示了多个方向上的MTF。对角线MTF50略低于水平和垂直MTF。

这些结果表明，西门子星图有相当程度的锐化，尽管比斜边略少一些。

一部极端锐化的手机相机

2013年初，我们收到了一部手机相机拍摄的图像，这部手机相机具有极端——并且非常不典型——的锐化量。

正如我们已经展示的，正弦波Log F-对比度测试卡的第一行的响应应该非常接近（高对比度）西门子星图的响应。以下是Log F-对比度的结果。

对于这部相机，正弦波Log F-对比度测试卡的MTF显示出极度的锐化。最大峰值MTF响应（2.8）出现在调制=0.3（大约2:1对比度）的行。这是因为锐化导致Log F-对比度测试卡的上部行饱和，即裁剪（变为纯白色和黑色），这降低了峰值调制。在图像的裁剪部分可以明显看到饱和现象，如下图所示。

请注意上图左侧对比度的降低（对于低于锐化峰值的空间频率）。

饱和现象在原始和线性化像素水平的下图中清晰可见。第一行（顶部对比度最高的行，相当于西门子星图，以青色显示），饱和得非常强烈，以至于只有一个很小的锐化峰值。第七行（大约在中间三分之一的位置，以黑色显示），也强烈饱和，但在低空间频率下调制幅度要低得多，因此其MTF峰值（相对于低空间频率）要大得多（2.4，以左侧上方的红色曲线显示）。

像素图案图：Log F-对比度测试卡，
第1行、第7行（共25行），相机JPEG @ ISO 100

这部相机的西门子星图MTF结果应该对应于上面MTF图表中的深蓝色曲线（第1行），单独看它看起来非常好（锐化峰值低，MTF优异）。在你查看空间域结果之前，很难判断这些结果有多误导性。

从这得出的关键信息是，你不能仅从正弦波测试卡的MTF结果来描述系统性能。你还必须查看空间域结果（例如上图），确保没有饱和现象（这将使测量结果无效）。

上图的结果显示了斜边（位于硬币图下方）的极端锐化，在右侧区域裁剪的边缘上非常明显。令人惊讶的是，这种锐化与上面显示的Log F-对比度测试卡的最强锐化程度大致相等。另一个惊喜：图像没有饱和（裁剪），尽管它非常接近：锐化“光晕”（上部空间图中的正峰值）几乎达到了裁剪。

对于低对比度斜边，MTF图准确地代表了系统性能（而高度饱和的Log F-对比度MTF曲线并不是一个好的代表）。

在像这样的情况下，我们建议因为过度overshoot（85.6%）或过度的MTF峰值（2.8）而判定这部相机不合格。当这些峰值中的任何一个超过大约1.5时，锐化伪影可能非常明显（并且令人反感）。

西门子星图，由于具有高对比度（>50:1；与Log F-对比度测试卡的顶部行相当），对于这部相机来说，会有一个更低的MTF峰值和一个更高的MTF50，这是由于强烈的饱和，而不是因为它对信号处理的敏感度较低。尽管存在严重（并且非常明显）的过度锐化，但对于这个系统来说，测量结果看起来会非常好。

总结

我们对图像锐度的感知与图像中边缘（对比度边界）的外观密切相关。这是在MTF测量中使用边缘的关键原因（斜边使结果对采样相位不敏感）。在旧的ISO 12233:2000测试卡中，边缘的饱和度常常是一个问题，该测试卡规定了最低对比度为40:1（80:1或更高是常见的）。

这个问题在新的ISO 12233:2014标准中得到了解决（于2014年2月发布；在SFRplus和ISO 12233:2014边缘SFR测试卡中实施），该标准规定了4:1的边缘对比度。这些边缘不太可能饱和，它们的对比度与影响我们对锐度感知的真实世界特征相似。基于低对比度斜边的测量准确地代表了成像系统的性能。

我们在本文测试的两台相机结果显示，斜边和西门子星图（以及其他正弦波图案）的MTF结果对锐化敏感（而且往往对于更高对比度的特征会有更多锐化，尽管有些相机可能在最高对比度水平时减少锐化）。

我们还发现，西门子星图更容易受到高对比度区域饱和和非均匀信号处理的影响。饱和度倾向于使西门子星图的MTF响应变平——降低峰值MTF，使其看起来对锐化不那么敏感，而实际上MTF测量是值得怀疑的。

斜边对锐化的敏感性并不是一个缺点，因为它并不过度，而且它代表了我们感知图像锐度的方式。

斜边与西门子星图MTF计算的比较

–	优点	缺点
斜边	◈ 更高效的空间利用（允许在图像表面上绘制详细的锐度图）。 ◈ 更快。 ◈ 在存在光学畸变的情况下依然稳健。	◈ 对软件锐化的敏感度略高，这取决于相机固件。 ◈ 仅测量接近水平和垂直的边缘。
西门子星图	◈ 对软件锐化的敏感度略低。 ◈ 测量多种角度的MTF（不仅仅是接近水平和垂直的角度），尽管这些测量似乎只受去马赛克处理和锐化的影响。	◈ 需要更多的空间。 ◈速度较慢。 ◈ 在过度锐化的图像中，饱和度从测量结果中并不明显。

结论

斜边图案提供了准确和稳健的测量结果。

它的速度和高效的空间利用（允许绘制详细的锐度图）使其成为衡量各种相机系统和应用性能的最佳选择，从产品开发到生产测试。

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SFRplus测试卡：4:1对比度斜边（来自JPEG图像）	复合测试卡，包含Log F-对比度测试卡和星形图，以及大约12:1和2:1对比度的斜边。


西门子星图（中心右侧）MTF：RAW图像@ISO 80，几个角度的结果。	Log F-对比度（中心左侧）：RAW图像@ISO 80，对比度（调制）级别的结果，对对比度的不敏感性非常显著。


相机JPEG@ISO 80；4:1边缘。MTF50P = 2078 LW/PH。	相机JPEG@ISO 1600；4:1边缘。MTF50P=1771 LW/PH


相机JPEG@ISO 80；~12:1边缘。MTF50P = 2206 LW/PH。	相机JPEG @ ISO 80；2:1边缘。MTF50P = 1832 LW/PH。


Log F-对比度的MTF，第1至19行，每3行一个步骤，相机JPEG @ ISO 80	Log F-对比度图像的MTF轮廓，相机JPEG @ ISO 80


极端锐化图像的MTF： Log F-对比度，第1至19行，每3行一个步骤（共25步），相机JPEG @ ISO 100	极端锐化图像的MTF轮廓： Log F-对比度，相机JPEG @ ISO 100


RAW图像@ISO 80; 4:1边缘	RAW图像@ISO 1600; 4:1边缘


RAW图像@ISO 80; ~12:1边缘	RAW图像@ISO 80; 2:1边缘