光学畸变
简介
当图像中的直线出现不自然变形或弯曲时，即发生光学Distortion。 镜头Distortion主要有三种类型，分别是桶形Distortion、枕形Distortion和波形（也称“胡须”）Distortion。需要注意的是，图像Distortion的表现形式会因镜头系统以及镜头是否可从相机上拆卸而有所不同。
一般而言，旋转对称光学系统的作用是形成一个在几何上与物体相似的像。某些特定系统存在少数例外，例如鱼眼镜头，这类镜头会刻意不保持几何条件。理想情况下，这一功能是根据透视投影的几何原理实现的。与理想图像几何形状的偏差被称为Distortion。
图1：桶形和枕形Distortion的示例
Distortion是如何产生的？
Distortion typically occurs due to aberrations near the edges of the image. 每种Distortion通常由不同的变量引起。例如，桶形Distortion通常是镜头处于最大变焦状态时的结果，而枕形Distortion则多见于长焦镜头。波形Distortion源于大视角相机在变焦模式下拍摄时，兼具桶形和枕形Distortion的特征。
如何测量Distortion
ISO 90391 是一项定义了如何测量与相机分离的镜头的方法的标准。然而，有时无法将镜头从相机上拆下（例如在手机中），因此ISO 9039中描述的那些耗时的方法将无法满足需求。因此， ISO 178502 该标准旨在定义使用相机与镜头组合测量Distortion的方法。
电视Distortion测量法（ISO 9039）
使用相机-镜头组合的最古老方法是电视Distortion法，该方法最初是为了分析电视摄像机系统而开发的。该方法需要一张Test Chart，其上具有如下图所示的规则几何结构网格。
图2：TE260（左）点阵图和TE251网格图是两种常用的Distortion测量图表
电视Distortion法本质上是一种显示图像从中心向四角逐渐增加Distortion的系统。 原始图像中直线的弯曲程度在图像顶部边缘进行量化（见下图）。弯曲长度与图像高度之比乘以100，即为画面高度Distortion百分比。该方法符合EBU Tech 3249中描述的流程。 32493.
图 3：桶形（负）Distortion下的图像高度失真
图4：呈枕形（正）的图像高度Distortion
线性几何Distortion测定法（ISO 17850）
某些镜头系统（尤其是移动设备中的小型镜头）会在最大图像高度处校正畸变。这些系统在距离光学中心较近的位置会出现最高的畸变水平。由此产生的畸变类型通常是桶形畸变和枕形畸变的混合，通常被称为波形畸变。
图5：线条几何Distortion产生的枕形Distortion
对于存在波浪畸变的系统，即使图像中可见明显的畸变，测得的图像高度畸变值也可能为零或接近零。我们可以将线性几何畸变测量法细分为三种不同的方法，以按照 ISO 17850 标准的要求测量此类系统的畸变。
1) 水平线Distortion
当垂直线 Ai 距离图像中心处的垂直线比距离 Bi 更近时，可采用此方法，使用公式 2：
否则，请使用公式 3：
地点：
i = 表示每张图片高度的后缀；
Ai、Bi 和 V 应由输出图像中的 pixel 数表示。
2) 垂直线Distortion
当水平线 αi 距离通过图像中心的水平线比距离 βi 更近时，应采用此方法，并使用公式 4：
否则，请使用公式 5：
地点：
i 是一个后缀，代表每张图片的宽度；
αi、βi 和 V 应由输出图像中的 pixel 数表示。
3) 总线Distortion
总线Distortion的计算公式为：
Dlinei 的符号表示水平或垂直线 Distortion 中的绝对值较高者。
局部几何Distortion测定法（ISO 17850）
当仅用一个数值无法充分表征Distortion时，应采用局部几何Distortion法。换言之，我们需要一个描述Distortion的函数，以便在图像处理中校正Distortion。请注意，当需要针对特定图像高度进行校正时，局部几何Distortion法更为可靠。
在测量局部几何畸变时，我们假设靠近光学中心的畸变为零。然后，您可以根据图像中心九个结构（3×3）的几何位置计算出一个规则网格。该网格扩展到整个图像，并定义了每个结构的标称位置。
图 6：用于确定局部几何 Distortion 的 H 值
随后使用以下公式测量Distortion：
地点：
H* 是该点到图像中心的距离
H 是基于扩展的规则网格，点到图像中心的标称距离。
若需从局部几何Distortion中得出单一数值，则应报告该图像中任何几何结构所测得的最大Distortion值。
ISO 17850 详细描述了该方法。
结论
Image distortion refers to when straight lines in an image appear to be deformed or curved in an unnatural way, leading to different types of distortion, including barrel distortion, pillow-shaped distortion, and waveform distortion. Distortion is often caused by the lens's geometric structure and can significantly impact image quality.
测试和分析镜头 Distortion 对于确保高图像质量至关重要。我们建议遵循 ISO 17850 标准，并使用适当的 Test Charts，通过不同镜头功能（例如变焦）拍摄各种图像。随后，建议使用评估软件（例如， iQ-Analyzer-X) 以了解相机系统有哪些改进空间。
需要光学畸变测试方面的帮助吗？
寻找适合测试相机系统Distortion性能的合适产品和服务。
产品与解决方案
Test Charts
分析软件
测试服务
欢迎通过我们的图像质量测试实验室进行专业相机测试，该实验室是全球规模最大的独立相机测试实验室之一。