发布时间：2024年11月20日
引 言
在图像处理领域，摩尔条纹（Moiré Pattern）是一个常见且引人关注的现象。它如同隐藏在图像背后的 “小幽灵”，时不时地冒出来捣乱，给我们的视觉体验带来干扰。
那么，摩尔条纹究竟是什么？它又是如何产生的呢？今天，就让我们一同深入探究摩尔条纹的奥秘。
1 | 摩尔条纹产生的原因
◈ 差拍原理引发干扰
摩尔条纹的形成与差拍原理密切相关。当两组频率接近的等幅正弦波叠加时，合成信号的幅度会按照两个频率之差变化，从而形成新的波浪形干扰图案。
在图像处理中，当图像的空间频率与传感器的采样频率接近时，就容易出现这种情况，导致新的干扰条纹产生。尤其在数字传感器中，由于其采样是离散的，细微的空间频率差异就可能引发明显的干涉条纹。就像两个相近频率的音符同时奏响，会产生不和谐的节拍，影响整个音乐的和谐。
◈ 镜头光学特性及图像处理算法的影响
除了差拍原理，镜头的光学特性以及图像信号处理（ISP）中的算法也与摩尔条纹的出现有关。镜头的分辨率与传感器的分辨率不匹配时，可能会促使摩尔条纹现身。
而 ISP 中的锐化和降噪算法如果使用不当，更是会火上浇油，加剧摩尔条纹的问题。这就好比一个精密的机械装置，任何一个零件的不协调都可能导致整体运转出现故障。
◈ Bayer 阵列导致彩色摩尔条纹
在图像传感器中广泛应用的 Bayer 阵列也与摩尔条纹有着千丝万缕的联系。Bayer 阵列以特定方式排列红、绿、蓝三种颜色的滤波器来捕获彩色图像，其中绿色滤波器数量较多，以模拟人眼对绿色的高敏感度。在成像过程中，每个像素只能采集一种颜色信息，需通过插值算法生成彩色图像。
在高频细节区域，插值过程可能出错，产生错误颜色信息，进而导致彩色摩尔条纹出现。特别是在拍摄细密纹理的物体，如织物、格栅或建筑外墙时，Bayer 阵列的滤波器容易与高频细节产生干涉，让摩尔条纹清晰可见。
2 | 摩尔条纹测试方法
◈ 测试卡
要检测摩尔条纹，一种常用的方法是使用测试卡。这些测试卡主要包含条纹图案等高频细节的标准测试图案。我们只需拍摄或显示这些图案，然后仔细观察是否有摩尔条纹出现。这种方法就像给相机或显示设备进行一场小测验，能有效评估它们在处理高频率细节时的表现。
◈ 实际场景测试
除了测试卡，实际场景测试也非常重要。在真实的拍摄或显示环境中，选择包含细密纹理的场景，如织物、建筑物外墙等进行测试。这样的测试能更准确地反映设备在日常使用中的抗摩尔能力，毕竟真实世界中的场景远比测试卡复杂多样。
◈ 频谱分析测试法
频谱分析测试则是通过合成具有特定空间频率的测试图像，深入观察设备对不同频率内容的响应，从而全面评估其抗摩尔性能。这种方法如同给设备进行一次全面的 “体检”，能系统地分析它在不同频率下的表现，找出潜在的问题。
3 | 彩色摩尔条纹测试与计算
摩尔条纹可以分为彩色摩尔条纹和黑白摩尔条纹，两者在测试和计算上有所不同。
◈ 彩色摩尔条纹测试与计算方法
彩色摩尔条纹通常在彩色图像中由于拜耳滤波器的作用产生。为了测试彩色摩尔条纹，可以使用高频率的条纹图案，例如ISO12233的楔形图或带有周期性细节的图案。拍摄这些图案时，观察传感器在彩色重建过程中是否产生摩尔条纹。
可以参考imatest的彩色摩尔分析：
最上方的频谱图展示了颜色摩尔条纹的强度随频率变化的情况，其中：
- 横轴表示频率，单位是“Cycles/Pixel”（每像素的周期数），即图像中的空间频率。imatest推荐的空间频率范围是从0.3~0.7cycles/pixel。
- 纵轴表示色度摩尔的强度，使用色度计算公式：
这是根据CIE Lab色彩空间中的色度值计算的。
- 红色曲线表示色度摩尔条纹的强度，峰值处表示高摩尔条纹的频率位置。可以看到在0.3到0.4 Cycles/Pixel左右，摩尔条纹的强度达到了一个峰值（最大值为16.61），这意味着在这个频率段图像受到了较强的摩尔干扰。
- Smoothed: kernel = 0.01 C/P：这是指对摩尔条纹数据进行了平滑处理（Smoothing）。平滑处理通常是为了减少噪声，以便更好地观测摩尔条纹的整体趋势。
- Moire spread（max-min；0.3-0.7 c/p）= 15.9114：是在 0.3 到 0.7 c/p 之间频段的强度波动幅度，摩尔条纹的最大强度与最小强度之间的差异。这个数值用于表征特定频段内摩尔条纹的波动情况，而不是整个频谱的绝对最大值16.61。
◈ 黑白摩尔条纹测试与计算方法
黑白摩尔条纹主要与传感器采样和场景中高频灰度细节相关。为了测试黑白摩尔条纹，通常使用灰度楔形图、条纹或其他具有高频灰度细节的图案。观察传感器在这些图案下是否出现明显的条纹干扰。
黑白摩尔条纹的计算可以通过对整幅图像进行频域分析来实现。使用傅里叶变换将图像转换到频域，观察频谱中的高频分量是否出现显著的特征峰。由于黑白摩尔条纹主要影响亮度信息，因此频谱中的峰值往往集中在亮度信号的高频区域，可以通过分析亮度信号的频谱特征来评估黑白摩尔的严重程度。
测试的核心在于通过特定的图案或场景，诱发摩尔条纹的产生，从而评估设备或系统对摩尔条纹的敏感程度。摩尔条纹的测试通常涉及图像的空间频率与传感器的采样频率之间的关系。通过精确控制测试图案的空间频率，可以诱发摩尔条纹，从而评估系统的抗干扰能力。
- 横坐标：和色彩摩尔结果图示一致，指空间频率，单位是Cycles/Pixel。
- 纵坐标：纵轴上的值来自对图像执行傅里叶变换后的幅度谱。傅里叶变换将图像从空间域转换到频域，频域中的幅度表示图像在不同频率下的能量分布。
- 在黑白摩尔条纹分析中，我们使用傅里叶变换来提取图像的亮度信息在不同频率下的变化。亮度摩尔条纹强度是通过对每个频率成分计算其幅值来得到的，即：
- I(f)=∣F(f)∣
- 其中 I(f) 是频率 f 处的摩尔条纹强度，F(f) 是傅里叶变换在频率 f 处的值。为了更好地展示频率成分的细节，幅度通常会进行对数缩放，如log（1+∣F(f)∣)这有助于平滑频谱并突出细节。
- 注意：由于图像数据的动态范围以及展示的差异需求，无法准确用幅度值，也可能是经过对数变换后的值log(1+∣F(f)∣)），所以纵坐标统一用Moire Intensity表示。
- 亮度摩尔条纹的强度代表了图像亮度在特定空间频率下的变化幅度。数值越高，意味着图像在该频率下的亮度变化越剧烈，说明该频率段的摩尔条纹越明显。
- 在图中，纵轴的单位是亮度强度，通过频谱的幅值表示不同空间频率下的摩尔条纹强度。通过这种方式，我们能够识别图像在哪些频率下容易产生明显的亮度摩尔条纹，从而进行进一步的分析和优化。
4 | 摩尔条纹的影响与应对
摩尔条纹在摄影、印刷、显示器制造等众多领域广泛存在。在摄影中，它可能破坏画面美感；在印刷和显示器制造中，影响产品质量。
为了减少摩尔条纹的影响，在数字图像采集时，光学低通滤波器（OLPF）曾是一种重要手段，通过略微模糊图像减少高频细节，避免摩尔条纹产生。
但随着对高分辨率图像需求的增长，许多相机不再使用 OLPF，这就需要更复杂的软件算法来抑制摩尔条纹。
科研人员和工程师们也一直在努力研究新的算法和技术，以提高设备对摩尔条纹的抵抗能力，确保我们能获得更清晰、高质量的图像和视觉体验。
摩尔条纹虽然复杂，但通过深入了解其成因、掌握测试方法，我们就能更好地应对它带来的挑战。希望这篇文章能够为大家带来帮助，如果有其他感兴趣的像质话题，欢迎在评论区留言讨论~此外，正印科技和深圳职业技术大学将在12月3日联合举办【深圳·摄像头成像质量技术研讨会】，我们欢迎大家报名参会，与我们一同在线下交流更多成像技术！
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