数字移动终端与数码照相机成像差异

2018-05-19,,

光学仪器 2018年2期

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(1.上海市质量监督检验技术研究院, 上海 201114; 2.上海精密计量测试研究所, 上海 201109)

引言

随着电子技术的不断发展,数字移动终端的成像系统性能日益提高,已经逐步取代了普及型数码照相机,再加上飞速发展的移动网络技术方便了人们随时上传分享照片影像,使得数字移动终端成为人们日常生活中拍摄图像和视频的首选工具,更有赶超入门级单反照相机和无反照相机(微单照相机)的趋势[1]。数字移动终端便于携带,经常在日光下、室内和夜间室外等各种不同场合拍摄,使用环境变化范围大,拍摄的照片影像质量参差不齐,与数码照相机拍摄得到的照片影像在多个参数上存在差异。

本文针对数字移动终端和数码照相机各自的成像特点,数字移动终端依据《YD/T 1607—2007数字移动终端图像及视频传输特性技术要求和测试方法》,数码照相机依据《GB/T 29298—2012数字(码)照相机通用规范》,分别对影像传感器缺陷、白平衡、动态范围、色彩还原、像面亮度均匀度、典型照度下成像性能等方面进行了实验,通过对实验数据的整合分析,得到了数字移动终端和数码照相机在拍摄影像质量方面的差异,对不同需求的实际拍摄具有借鉴指导意义[2]。

1 理论分析

成像设备的影像性能是光学镜头、电子影像传感器和图像处理模块共同作用的结果,整个成像的工作过程如图1和图2所示。光学镜头获得了光信号,再通过电子影像传感器以数字采样方式得到原始图像编码数据,或称之为数字底片,这种数字底片类似于传统相机中的胶卷底片,能够直接体现光学镜头和电子影像传感器的性能。最后由图像处理模块将数字底片处理成用户最终获得的照片,这一步类似于胶卷的冲印过程或者Photoshop的图片处理功能,都是按生产厂商的设定自动对数字底片进行处理修改。

图1 数字移动终端成像原理图Fig.1 Imaging principle of mobile terminal

图2 数码照相机成像原理图Fig.2 Imaging principle of digital still camera

1.1 数字移动终端成像原理

数字移动终端成像设备的工作原理如图1所示,拍摄目标景物的光线通过镜头生成的光学图像投射到图像传感器表面,光电转换器件将光信号转换为电信号,经过模数转换器(A/D)转换后变为数字图像信号,再送到数字信号处理芯片(含CCD)中进行加工处理,最后通过数据传输端口将图像信号显示到手机屏幕上,用户获得图像[3]。其中图像传感器是数字移动终端成像设备的核心成像部件,决定成像质量(图片像素)的优劣[4]。图像传感器主要分为电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)两种[5]。CCD传感器具有高灵敏度、高分辨率、低噪声等优点,主要应用在数码相机上;CMOS传感器具有低成本、低功耗以及高整合度的特点,通常用在数字移动终端上。

1.2 数码照相机成像原理

数码照相机的成像原理和数字移动终端基本一致(图2),只不过数码照相机比数字移动终端多了快门和光圈对曝光的控制,且光路结构更为复杂[6]。数码照相机拍摄时,影像光线通过镜头入射到数字相机的感光元件,光电二极管接收到光信号,激发释放出电荷,感光元件产生模拟电信号[7]。控制感光元件的芯片利用感光元件中的控制信号线路对光电二极管产生的电信号进行控制,感光元件会将一次成像产生的电信号收集起来统一输出[8]。经过放大和滤波后的电信号被送到模数转换器,由模数转换器将此时的模拟信号转换为数字信号,数值的大小与电信号的强度即电压的高低成正比,最后形成数字图像,此时的数据保证了最原始的数字图像的细节和面貌,没有经过任何加工处理。原始的数字图像会被输出到数字信号处理器[9]。在信号处理器中,这些图像数据将经过色彩校正、白平衡调整(这一步依据数字相机中的设定而进行,不同品牌的设定有很大的区别)等后期处理,并且被编码为数字相机可以读取的数据格式后保存到存储介质[10]。

2 实验部分

实验针对数字移动终端和数码照相机的成像系统性能进行测试比较,除成像系统之外其他部分(如屏幕等)的性能不在实验考虑范围内。数字移动终端样品只提供拍摄和存储照片的功能,拍摄的测试用照片均通过专业处理软件进行数据分析并获得相关的测试结果。

2.1 电子影像传感器缺陷

电子影像传感器类似于原来的相机胶卷,但它是由数百万个像素单元组成的,每个单元都能将获得的光信号转化为电信号并进行记录。每个单元就是图像中的一个点,许多个这样的点组成了数字照片。所谓的坏点就是指那些不能正常工作的像素单元,若干个坏点连在一起就变成电子影像传感器上的一处缺陷。当我们看到一张有明显黑点或者白点的照片时会感觉不舒服,所以缺陷的多少会直接影响照片图像的好坏以及用户的使用感受[11]。实验中使用移动电话机样品拍摄中性灰测试图的方法检测电子影像传感器。所测试的10台数码相机和10台数字移动终端均表现良好,没有出现明显的电子影像传感器缺陷。

2.2 白平衡

偏黄的暖色温灯光和偏白的冷色温灯光照射在同一个物体上时,我们看到颜色是不一样的,这也是为什么很多人觉得网上或者店里看到的衣服和实际拿到的衣服颜色是不一样的。拍摄照片时也会遇到这个问题,但是用户总是希望自己拍的照片尽可能接近真实,这时候就需要白平衡功能[12]。根据三原色理论,白色是通过红、绿、蓝三色按照相同的比例混合而成的,所以白平衡就是对准一个白色或者灰色的目标,然后通过软件调节红、绿、蓝的比例校准电子影像传感器中的电信号。实验中照明光源的色温分别为3 400 K(暖色温)和6 500 K(冷色温),通过拍摄标准彩色测试图(图3),然后再经过专业软件分析特定测试区域(图4)来测试照相机和数字移动终端的白平衡性能。实验结果表明,在色温为6 500 K时,照相机和数字移动终端均表现出了较好的白平衡性能,而在色温为3 400 K时,照相机的白平衡性能表现良好,数字移动终端则出现了较大的偏差,但从整体上看各个数字移动终端的白平衡性能基本能够满足用户的拍摄需求。

图3 标准彩色测试图及对照表Fig.3 Color-chart and reference table

图4 白平衡测试区域Fig.4 White balance chart

2.3 动态范围

动态范围最早是信号系统的概念,对于电子影像传感器来说,动态范围表示图像中可区分的从“最暗”至“最亮”的范围。动态范围越大,成像模块所能表现的层次越丰富,能同时记录的暗部细节和亮部细节也越多[13]。实验中使用20阶的标准灰阶测试图(图5),然后通过专业软件分析从黑到白可识别的灰阶级数。结果显示,所有的数码照相机均能分辨20阶灰阶,数字移动终端能达到11阶以上水平,其中大部分为12阶至14阶,有一款数字移动终端可识别的灰阶级数达到了15阶。

图5 标准灰阶测试图(20阶)Fig.5 Greyscale test pattern

2.4 色彩还原

色彩还原是重要的成像性能之一,是体现成像系统还原被拍摄物体颜色的能力。实验在色温为6 500 K的光源照射条件下拍摄图4所示的标准彩色测试图,考量红、绿、蓝三原色的测试值与CIE标准值之间的偏差。

目前,市场上主流的照相机和数字移动终端生产厂商在图像处理模块中按照自身的设计理念或多或少都会加入颜色管控功能,即在保证颜色不严重失真的情况下,通过改变红、绿、蓝三原色的比例使得成像效果更加鲜艳。这种颜色调节是需要通过长期的经验积累实现的。特别是数字移动终端的色彩调节的幅度较大,与标准值间的偏差也会更大,这会给一部分普通用户带来比较好的感官体验。另一方面,数码照相机在图像处理模块中对色彩还原的调节较小,成像获得的图像色彩更接近CIE的标准值。实际的色彩还原比较实验结果也与上述情况基本吻合。按照色彩还原项目中平均色彩还原误差值从小到大的顺序分别抽取5个型号的照相机和5个型号的数字移动终端拍摄彩色测试图,详见图6和图7。

图6 数字移动终端色彩还原结果Fig.6 Recovered color by the mobile terminal

图7 数码照相机色彩还原结果Fig.7 Recovered color by the digital still camera

2.5 像面亮度均匀度

像面亮度均匀度是指所拍摄的图像亮度分布是否均匀,现有的技术可以通过成像模块中的图像处理模块(CPU)对该参数进行适当的处理优化,但主要还是光学镜头和电子影像传感器共同作用的结果。在光照充足的情况下,良好的像面亮度均匀度能够保证所拍摄图像质量的整体提升。实验也是通过拍摄中性灰测试图(图1)评估照相机和数字移动终端的像面亮度均匀度性能。实验结果令人满意,所有实验样品拍摄图像的像面亮度均匀度均达到了90%以上,部分照相机更是达到了95%以上,这得益于出色的电子影像传感器加工技术和优良的后期图像处理技术,能够带给用户良好的拍摄体验。

2.6 典型照度下的成像性能

典型照度下成像性能是指在夜间室外、家庭室内、办公室室内和晴天傍晚室外四种典型照度下移动电话的成像性能。在日光环境和阴天环境下,成像模块都能够获得充足的光线以达到较好的成像效果。随着移动网络技术的迅速发展,3G、4G高速移动网络使得手机用户能够随时随地上传自己拍摄的照片或者视频,所以拍摄可能在任意时刻进行,特别是夜间或者其他昏暗的环境,而不是仅仅局限于光照条件好的时候。因此,实验选取了上述四种相对较暗的光照条件来比较照相机和数字移动终端的的成像性能,实际实验中选取了与上述四种环境亮度相近的光照强度。

成像系统成像性能的常规检测方法是根据分辨率测试图检测其视觉分辨率,即使用成像系统按照标准要求拍摄分辨率测试图,然后通过人眼对拍摄图像进行判读。该方法依赖于检测人员的主观判定,不利于对不同样品进行客观比较。因此,实验通过计算照片的空间频率感应评价成像性能,整个计算过程通过专业的图像分析软件完成,没有人为因素的干扰。根据用户的实际拍摄需求,实验使用ISO 12233分辨率测试图和TE265枯叶测试图作为拍摄像源,其中ISO 12233分辨率测试图用于较高对比度情况下的成像清晰度检测(图8方框内即为所选取的检测区域),而TE265枯叶测试图(图9)用于较低对比度情况下的成像细节检测。

图8 ISO 12233分辨率测试图Fig.8 ISO 12233 resolution chart

在四种光照条件下,各样品成像没有出现无法对焦的情况。在光照条件从暗到亮的情况下,大部分照相机成像性能都表现得较为稳定,实验结果中没有出现数值上的较大起伏。相对而言,数字移动终端的成像清晰度较低,在30 lx和80 lx两种较暗的光照环境下表现较差,而个别数字移动终端在较亮光照条件下的成像清晰度也较差。有两款数字移动终端的成像清晰度相对较高;国产数字移动终端在高对比度情况下表现出良好的清晰度;国际一线品牌的数字移动终端在该方面则表现得中规中矩。

图9 TE265枯叶测试图Fig.9 TE265 flag chart

在成像清晰度实验中,标称成像像素数为800万的数字移动终端的清晰度与标称成像像素数为1 300万的数字移动终端的清晰度相近,甚至超过了某些标称更高像素水平的照相机。这说明影响成像清晰度的因素并不只是电子影像传感器的成像像素数,还应该与光学镜头和图像处理模块相关。

由于TE265枯叶测试图用于低对比度情况下成像细节的测试,所以所得的实验结果与高对比度情况下的成像清晰度实验结果不同,不仅在数值上相差较大,而且各个样品会有不同的表现。

3 结论

数字移动终端与数码照相机在影像传感器缺陷与像面亮度均匀度方面基本无差异,但在白平衡、动态范围、色彩还原、典型照度下成像性能方面存在明显差异,整体表现仍然是照相机拍摄水平高于数字移动终端。建议各个数字移动终端生产厂商在拍摄功能中增加“提供原始图像编码数据”的功能,类似于单反照相机中RAW格式的概念,即直接记录由CMOS或者CCD图像感应器将捕捉到的光源信号转化为数字信号后的原始数据,不做任何图像处理。这样能够在保留自动处理功能的同时也留给用户更多专业设置的选择。数字移动终端的成像功能发展日趋专业化,用户范围也从普通消费者不断向专业的摄影爱好者延伸,而原始图像编码数据能够给用户在后期制作中提供更大的发挥空间。因此,增加该功能可以使得数字移动终端的成像功能满足不同类型用户的需求,有利于数字移动终端成像系统的良性发展。

参考文献:

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