数码照相机色彩还原与镜头色贡献关系研究

上海市质量监督检验技术研究院 龚钱冰，奚玉成，于西龙，韩帅

一、引言

机器视觉系统不可或缺的部分是光学镜头。成像的质量和算法的实现及效果都会受到光学镜头极大的影响。光学镜头行业的最上游为光学玻璃、光学塑料等光学材料产业，上游为光学元件、电子元件、机械结构件等，其中核心是光学材料和光学元件。随着光学理论的完善、结构设计的优化、加工技术的提高，镜头种类日趋繁多，价格区间较大，拥有较广泛的用户市场[1]。评价一个镜头性能是否优质时最常用的一个重要指标就是色贡献指数，它指的是在其他条件都相同的情况下，无镜头与有镜头相比改变光学成像的整个色彩程度的三个数的标志。对于数码照相机其中一个最重要的成像性能就是色彩还原，它是成像系统还原被拍摄物体颜色能力的体现。

针对数码照相机的成像特点，本文依据《GB/T29298-2012数字（码）照相机通用规范》《GB/T 9917.1-2002 照相镜头 第1部分：变焦距镜头》 和 《GB/T 9917.2-2008 照相镜头 第2部分：定焦距镜头》进行了色彩还原色贡献指数测试试验，通过对实验数据的整合分析，得到了数码照相机色彩还原和镜头色贡献指数之间的关系，通过研究它们之间的关系旨在为实际拍摄提供借鉴和指导[2]。

二、理论分析

受不同的电子光学镜头组、电子影像传感器和图像处理技术模块应用的影响，成像设备的性能有很大的差距。首先，光学镜头进行图像取景，从物体处获得光信号，光信号通过镜头组聚焦在电子影像传感器上。随后通过采样方式将原来的光信号转化为数字信号，将光学镜头取到的景数字化，这样就得到了“数字底片”，光学镜头组和电子影像传感器的相关性能优劣就可以在数字底片中得到较好的体现。数字底片与传统相机中的胶卷底片是相类似的。因此数字底片的优劣直接影响了最后得到的照片。胶卷底片到照片需要进行冲印，而数字底片变成照片则需要图像处理模块的加工，数字底片形成后，图像处理模块会按照程序编程中的设定对“数字底片”进行处理修改，最后获得成片。成像需要经历的流程如图1所示。

所有的成像设备的成像原理基本一致，都需要经过如图1所示的过程，与数字移动终端相比，数码照相机对成像要求会更多，所以多了快门和光圈，增加了对曝光的控制，而且在光路的设计上会更加复杂。

图1 数码照相机成像原理图

数码照相机按下快门后，物体发出的光线经过多个镜头组的汇聚后将光照到相机对应的感光元件上，位于感光元件上的光电二极管接受来自物体的光信号后，光子的能量给了光电二极管PN结共价键上被束缚的电子，使得电子挣脱束缚，成为光生载流子，形成电信号，光的强度不同形成的电信号的强度也不同。相机控制芯片收集并输出感光元件上不同的电信号。在进入数模转换器之前，模拟电信号先要经过放大和滤波，而后模拟信号经过转换为数字信号，数字信号的大小与经过放大和滤波后的模拟电信号的强度高低成正比，最后形成数字图像，此时的数据最大可能地保留了拍摄物体细节和面貌，没有通过软件处理。原始的数字图像获得后，下一步要做的就是数字信号处理[3]。图像数据会按照数字信号处理器的软件设置经过色彩校正、白平衡调整等后期处理，最后被编码后保存到存储介质。

三、试验部分

本次试验针对数码照相机的成像系统性能的色彩还原部分和镜头的色贡献指数进行测试，其他性能部分（如分辨率、白平衡、均匀性等）不在本次试验考虑范围内。由数码照相机进行拍摄和存储照片，测试用照片在拍摄后的数据分析和相关的测试结果均由专业处理软件进行。

（一）色彩还原

成像性能通常会用色彩还原度来进行考量，它是成像系统还原被拍摄物体颜色能力的一种体现。本次试验在色温为6500K的光源照射条件下拍摄标准彩色测试图，通过比较三原色红（R）、绿（G）、蓝（B）的测试值与CIE标准值之间的偏差来判断成像性能的优劣。

目前主流的照相机生产厂商会在保证颜色不严重失真的情况下在图像处理模块中加入颜色管控功能，使得成像效果更加艳丽。这种颜色管控功能主要是改变红（R）、绿（G）、蓝（B）三原色的比例。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抽取了六个型号的照相机拍摄彩色测试图。

（二）镜头色贡献指数

镜头的色贡献指数，在其他条件都相同的情况下，无镜头与有镜头相比改变光学成像的整个色彩程度的三个数的标志。

镜头的轴向光谱透射比，是指当入射的单色光束与镜头光轴平行时，透过镜头的光通量Φλ1与相应的入射光通量Φλ2之比，用公式（1）表示。

式中τ（λ）是波长为λ时镜头的光谱透射比。

蓝（B）、绿（G）、红（R）光谱透射比值分别先求对数，然后都分别减去一个同样的正整数，使其中最小的一项等于零，然后各项小数分别乘以100，使其余小数全部消除。最后计算得到的三个数即为这组镜头的色贡献指数。如表1所示。

表1 色贡献指数计算

这时，色贡献指数表示为：GB/CCI=0/5/4。

（三）镜头色贡献指数与色彩还原试验结果比对

1.色彩还原

式（2）中：

△Eab：彩色标板上每块色块的CIE LAB色差；

Lm、am、bm：CIE LAB 色空间的明度指数（L）和色品指数（a、b）的测得值；

Ln、an、bn：CIE LAB色空间的明度指数（L）和色品指数（a、b）的标准值；

表2所示为样品1的色彩还原度。

表2 样品1的色彩还原度

2.色贡献指数

表3为样品1的色贡献指数。

表3 样品1的色贡献指数

这时，色贡献指数表示为：GB/CCI=0/4/2。

同等试验条件下，我们总共对10台照相机和10台手机分别进行了色彩还原和色贡献指数测试，得到20组实验数据，如下结论是通过对数据的比对分析得到：对于照相机而言，其色彩还原和色贡献指数偏差较小，且色彩还原偏差越小的产品，其色贡献指数也越接近基准值；而对于手机而言，色彩还原和色贡献指数偏差较大，但其色彩还原和色贡献指数偏差也呈现一定的正相关性。

四、结语

在影像传感器缺陷与像面亮度均匀度方面，数字移动终端与数码照相机基本无区别，但色彩还原和色贡献指数方面存在明显区别，整体表现是照相机色彩还原和色贡献指数偏差优于数字移动终端。

数字移动终端生产厂商可以给予拍摄者更多权限，增加“原始图像编码数据”功能，使得拍摄者获得模数转换后数字信号的权限，即可以使拍摄者能在获得光源图像后用感应器将捕捉到的所有光源图像信号自动转化成为拍摄数字信号后的所有原始数据的图像权限。去除自动图像处理，可以给用户更多自主选择的权利。有助于消费受众范围的扩大，吸引更多专业的摄影爱好者，为后期制作提供更大的发挥空间，也有利于数字移动终端成像系统的良性发展。