Image Quality Factors: Contrast Transfer Accuracy

对比度传递精度（CTA）

简介

对比度传输精度（此前称为对比度检测概率——CDP）是指相机系统正确识别其视场内物体对比度的能力。例如，高级驾驶辅助系统（ADAS）必须具备识别其视野内不同物体的能力。如果无法正确识别，相机系统可能会进行错误调整，从而引发危险情况。鉴于此，测试相机系统的CTA至关重要，以确保其高性能和安全性。

图片 1：ADAS 系统必须能够感知周围环境。

CTA的背景

直到最近，汽车行业仍缺乏用于测试和评估这些摄像头系统图像质量的国际标准。因此，IEEE-P2020工作组*应运而生，旨在制定相关参数，最终推动发布一项关于汽车图像质量的国际标准。1

目前，该组织已制定了包括CTA在内的具体关键绩效指标（KPI），并发布了一份白皮书，概述了该组织在制定汽车图像质量测试和规格国际标准方面的工作。2

CTA 是该集团目前正在研究的最重要 KPI。 CTA由马克·吉斯（Marc Geese）博士于2018年首次提出，其设计初衷是使其独立于被测组件，从而使测试团队能够利用它对不同的子系统（例如镜头、传感器、挡风玻璃等）执行相同的性能测试。

*免责声明：IEEE-P2020工作组所表达的观点仅代表该工作组的立场，并不一定代表IEEE或IEEE标准协会的立场。

为何选择CTA而非SNR？

传统上，信噪比（SNR）常用于描述相机在再现场景对比度时的性能。然而，对于动态范围极高的场景（例如ADAS中常见的Flicker光源场景），信噪比值并非衡量此类情况下整个系统性能的最佳指标。

信噪比（SNR）是一项成熟的指标，用于同时衡量目标信号及其被背景噪声所掩盖的情况。遗憾的是，很难将信噪比值直接与具体应用场景建立联系。

因此，尽管大多数工程师都熟悉其所在行业所需的信噪比（SNR）要求，但这些数值本身仍无法直接与成像系统在特定条件下检测特定对比度的任务建立联系。然而，CTA 可以提供这一缺失的信息，从而大幅改进设计要求——这些要求现在是基于事实而非“最佳猜测”的。3

图 2：HDR 渲染导致的典型信噪比 (SNR) 曲线，显示了各种信噪比下降的情况。

信噪比（SNR）骤降是ADAS摄像头中经常出现的另一个问题。这种骤降现象源于多帧曝光HDR算法，导致信噪比曲线呈现非线性特征。该问题在多帧图像合成的Luminance区域尤为普遍，通常会导致信噪比从可接受的高值骤降至临界低值。

图3：信噪比（SNR）下降的示例。与图像的暗部相比，噪点在亮部更为常见。

在利用信噪比（SNR）值预测ADAS摄像头系统性能时，还会出现其他与信噪比相关的问题。例如，信噪比的下降并未考虑场景中的其他因素，如摄像头与目标之间存在的雾气或灰尘。

图4：使用信噪比（SNR）时，并未考虑灰尘或雾气等各种因素。对于汽车行业而言，这可能会迅速演变成一个安全问题。

CTA 的开发源于信噪比（SNR）作为汽车行业的性能衡量指标存在不足。与信噪比不同，CTA 与被测系统直接关联，能够描述其性能，且不受自然条件的影响。此外，CTA 还能使用同一指标对多个图像质量要素进行综合评估。

目前正在开展大量测试，以支持将CDP/CTA确立为汽车摄像系统领域国际公认的测试程序。

如何进行CTA测试
由于CTA是一个相对较新的概念，市场上能够进行测量并提供准确结果的工具尚且有限。例如，使用Test Charts的典型图像质量测试方案，在合成场景中只能提供有限数量的数据点。然而，对于汽车摄像头所面临的动态场景，利用场景中的大量数据点进行分析效果更佳。为了在测试实验室中再现动态场景，我们的工程师开发了VLS系统。

Versatile Light System (VLS)

凭借我们对 IEEE-P2020 标准的第一手了解，我们开始开发新的解决方案以满足测试需求。我们最新的创新成果是 Versatile Light System（VLS）。VLS 是一种照明解决方案，可创建动态测试场景，从而高效测量 CTA 以及其他 P2020 关键绩效指标（KPI），包括调制光抑制概率（MMP）和对比度信噪比（CSNR）。

VLS 由六个 Vega 设备组成，每个设备均连接到一个独立的可移动支臂上。所有 Vega 设备均通过支臂连接到三脚架上，具有极高的适应性。支臂的灵活性使得每个 Vega 设备均可手动移动，从而在测试过程中快速生成随机的布置和角度，助您打造动态的测试场景。

图5：完整的VLS测试装置。

图片 6：VLS-Evaluation Software。

图片 6：VLS-Evaluation Software。

VLS 配备的控制软件可让您生成测试序列、调节亮度，并启用 Flicker 模式以 MMP 测试。此外，VLS-Evaluation Software 可帮助您对测试结果进行评估。

图1：单次曝光系统的测试结果，该系统在高对比度和Luminance条件下表现优异。

图2：将三张曝光不同程度的照片拼接成一张以提升性能的HDR系统测试结果。

VLS 的优势及其 CTA 评估

VLS及其评估软件为汽车制造商提供了一种可靠的方法，用于表征其系统，并利用测试结果在实验室环境中评估其设计的性能和安全性。

其他优势包括：

每次测量均包含大量数据点
大幅减少路试
验证成品的规格参数
它能帮助制造商轻松通过热力图制定规格要求
输出包含CTA、OECF和PDF（概率密度函数）结果的XML文件

VLS 还可以生成 Flicker 的光序列，以评估相机系统对光强度变化的响应。如需了解更多信息，请参阅我们的 Flicker 文章。

结论

对比度传输精度是指汽车摄像头系统正确识别其视野内物体对比度的能力。如果无法正确识别，系统可能会进行错误调整，从而导致危险情况的发生。

CTA 是 IEEE-P2020 工作组目前正在制定的关键绩效指标（KPI）之一。该工作组的成立旨在制定这些测试参数，最终形成一项国际公认的汽车图像质量标准。

Versatile Light System（VLS）是市场上首批CTA测试解决方案之一，其开发严格遵循IEEE-P2020工作组的会议纪要。 VLS 可利用 216 种亮度级别（动态范围达 120 dB）生成动态测试场景，以测试摄像机系统的 CTA 性能。该系统还配备了 CTA 评估软件，通过热力图精确展示系统在不同对比度和 Luminance 条件下的表现。

这些汽车ADAS摄像头系统的最终目标始终是提高我们日常出行的效率和安全性。但在将这些系统应用于普通车辆之前，必须先对其进行严格测试，以确保能够有效规避危险情况。