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怎樣才算一顆好的鏡頭

來源:數字音視工程網        編輯:merry2013    2015-08-06 06:41:34     加入收藏    咨詢

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隨著手機鏡頭像素越來越高,大家開始更加關注如何科學準確的評價一個鏡頭的性能,在這之前我們先了解下鏡頭評價的兩個重要指標...

  評價標準的指標有二個

  隨著手機鏡頭像素越來越高,大家開始更加關注如何科學準確的評價一個鏡頭的性能,在這之前我們先了解下鏡頭評價的兩個重要指標分辨率和反差。

  分辨率又稱解析力、鑒別率、解析度,實質鏡頭再現被攝景物細節的能力。鏡頭分辨率越高,影像越清晰。它的單位是“LP/MM”,相鄰黑白兩條線可以稱為一個線對,每毫米能夠分辨出的線對數就是分辨率,好比斑馬線的細密程度,越密分辨率越高。

  反差又稱明銳度,是鏡頭鮮明地再現景物中間層次、暗部層次、低反差景紋細節、微弱亮度對比和微妙色彩變化的能力。反差高的鏡頭,其景物成像輪廓鮮明、邊緣明銳、反差正常、層次豐富、色彩還原真實細膩。

  分辨率和反差綜合表現,稱之為清晰度。一顆分辨率高的鏡頭,不一定能評價為出色的鏡頭。往往有些鏡頭分辨率并不非常高,但反差相當好,仍不失為一顆好鏡頭。當然能夠兼顧才真正是理想的鏡頭。

  三種方式可來評價鏡頭性能優劣

  那么我們是否有評價鏡頭性能的有效方法呢?接下來簡單講述幾種評價方式;

  方法一:MTF(調制傳遞函數)測試是目前最精確最科學的鏡頭評價方式。由于MTF排除了芯片、軟件等影響,能客觀反映鏡頭性能,所以被廣泛用于光學產品的研究及檢測中。

  MTF是實際像與理想像之間①調制度之比相對空間頻率的函數,通俗講就是測量不同空間頻率下鏡頭反差的還原程度,它能同時反映鏡頭的反差及分辨率。 因為實際光學系統存在像差、反射、吸收等因素,影像與標版反差無法完全一致,所以MTF總介于0~1之間,MTF值越大,圖像越清晰。如圖一,MTF=0.4時最清晰;MTF=0.05時,圖像最模糊。

  那么如何通過MTF判斷鏡頭的質量呢?我們將通過對圖二來大致介紹下。橫坐標為空間頻率,空間頻率的單位是lp/mm,它與分辨率概念比較非常接近。縱坐標就是MTF值。曲線表示不同頻率下鏡頭的MTF值。從圖中可以看出,隨著空間頻率的上升,鏡頭MTF逐漸下降,如果橫坐標無限延伸,會發現曲線無限趨向于零。為了更好講述MTF曲線,我們加入A、B、C三條曲線及對應的圖片來描述。

  曲線A表示鏡頭在低頻段MTF適中,隨著空間頻率的提升,衰減過程緩慢,兼顧反差和分辨率綜合性能較好,從圖A可以看出深淺色反差明顯,毛發細節明細,整體還原性較好。

  曲線B低頻MTF在對比中是最好的,說明鏡頭的反差很好,但隨著空間頻率的提高。它的衰減很快,說明鏡頭分辨率不算很好,從圖B中可以發現小貓耳朵處絨毛細節已很難分辨。

  曲線C表示鏡頭在低頻時MTF衰減就很快,綜合性能較差。從圖C中也可以發現畫面深淺色反差較低,層次感較差。

  以上給我們的啟示是鏡頭定義及研發中并不會追求某方面的極致,這樣往往過猶而不及,綜合考慮高低頻均勻平滑過渡,才能做出一款性能優秀的鏡頭產品。

  方法二:SFR(空間頻率響應)是測模組對不同空間頻率的響應情況,類似于MTF算法,但測試結果同時受鏡頭和感光器件以及處理程序的影響(SFR=lens MTF*sensor MTF*ISP MTF),因此稱這種算法叫空間頻率響應SFR,其實SFR相當于MTF簡化版,廣泛用于模組評價中。

  SFR數據處理過程通過圖三表述,這里不過多講述。用于SFR計算的斜邊分為兩種,一種是水平斜邊,一種是豎直斜邊。如圖四兩個紅色框,寬度比較大的稱為水平斜邊,高度比較大的稱為豎直斜邊,其中我們測試水平方向的銳利度時是使用豎直斜邊,而測試豎直方向銳利度時使用的是水平斜邊。

  在SFR的分析方式上,國內市場傾向于用固定頻率下的MTF值來判斷成像的優劣,比如固定頻率@112lp/mm時MTF值越大,則成像質量越好。而歐美市場更傾向在固定MTF下的頻率的高低來衡量成像質量。例MTF30時,頻率越高,則成像質量越佳。MTF30一般會使用LW/PH作為單位即每像高分辨多少條線,LW/PH=頻率*窄邊像高*2。其實這兩種方法目的是一致的,僅是國內外思維方式差異。

  在實際評價中,大部分的模組會對影像做不同程度的銳利化以提升圖像清晰度。在SFR曲線中,會用黑紅兩條曲線把銳化前后的數據區分開來,黑色實線表示未經銳化處理的原始數據,紅色虛線表示去除模組影像上的銳化效果后的數據。

  方法三:CTF(對比度傳遞函數)稱之為對比度傳遞函數,表示物方固定線寬(即固定物方空間頻率)鏡頭響應對比度, 即:CTF=(Imax-Imin)/(Imax+Imin),所以CTF總是小于等于1,I:intensity(光強度) Imax:最亮光強度 Imin:最暗光強度。該參數用來評估測量邊緣反差是比較有用的。CTF值是通過對比度計算的方式獲得的,其僅可測試特定頻率的黑白對比狀態。這種檢測方法簡單方便,但穩定性及精度無法較前面兩種方法相比。

  我們也可以通過檢測頻率、方法等方面簡單區分CTF/MTF/SFR的差別:

  注:

  ① 調制度其實是亮度比值公式:M=(Imax-Imin)/(Imax+Imin) ,原來調制度為M 的正弦光柵,經過鏡頭到達像平面的像的調制度為M ’,則MTF=M’/M

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