图像质量因素

简介

图像的动态范围描述了相机能够再现的场景对比度。从技术角度讲，它是数码相机系统从最大输出电平（饱和）到信号噪声比保持稳定的范围内所能捕捉到的最大对比度。在评估相机性能时，理解动态范围至关重要。 通常，相机系统在还原场景中的亮部时表现尚可，但在暗部却无法呈现同等质量。动态范围不足将导致图像质量下降。

在现实摄影中，动态范围至关重要，因为场景中通常包含范围广泛的亮度级别。例如，如果没有高动态范围（HDR）相机，要在同一张图像中同时捕捉明亮天空的细节和较暗的前景细节将十分困难。高动态范围（HDR）相机能够捕捉更多阴影和高光处的细节。 在图像质量测试中，通过测量动态范围来评估相机捕捉这些变化光照条件的能力。

图1：动态范围如何影响图像质量

实际应用场景

手机摄像头的动态范围

汽车摄像头需要出色的动态范围，特别是在高级驾驶辅助系统（ADAS）和自动驾驶车辆中。它们还必须在极端光照条件下可靠地工作，例如从黑暗的隧道进入强光环境，或者在夜间驾驶时，车头灯和路灯造成高对比度场景的情况。

图2：动态范围在汽车系统中的影响。在左图（进入隧道）中，左侧人行道上的行人因光线昏暗而不可见，但进入隧道后（右图）则清晰可见。

理解动态范围

确定摄像系统动态范围的关键步骤是获取 OECF（光电转换函数）。OECF 描述了摄像机如何将不同的光照水平（光学输入）转换为电子信号（数字输出）。

一旦获得 OECF，即可确定摄像系统的动态范围，即系统能够再现的最大和最小对比度。除了动态范围外，OECF 在获取场景中不同灰度级的信噪比时也至关重要。 它还能提供有关白平衡、相机 ISO 感光度以及图像是否经过色调校正的信息。经过精确校准的 OECF 可确保相机准确捕捉广泛的色调范围，这对实现高动态范围至关重要。

确定OECF

获取相机系统OECF有两种方法：焦平面法和基于场景的方法。这两种方法均通过多种传感器曝光来生成OECF。

焦平面法

使用焦平面法的第一步是将镜头从相机上拆下，使传感器直接暴露于光源下。一旦传感器暴露出来，就必须逐渐增加光源的强度，以便相机能够以多种曝光值拍摄图像，例如拍摄灰度标靶。 通过将对数曝光值与平均数字值绘制成图，CAN获得OECF。平均数字值来自相应的图像。

焦平面法对于较传统的相机效果良好，因为其镜头易于拆卸，且曝光可控。然而，对于其他相机系统（例如手机），无法拆卸镜头；因此，不应使用焦平面法。

基于场景的方法

基于场景的方法无需拆卸镜头，而是利用灰度色块来确定 OECF。通常，灰度色块以环形排列在 Test Chart 上，例如 TE264。每个色块的密度是根据 ISO 14524 中计算出的参考值设置的。 相机系统拍摄图像后，通过将每个灰度块的平均数字值与相应的对数Luminance作图，即可确定OECF。

图3：OECF Test Chart示例

重要的国际标准

ISO 14524

该ISO标准概述了测量相机OECF的方法，该值与动态范围直接相关。它提供了关于如何设置测试环境、使用Test Charts以及分析结果的指导方针。

ISO 15739

该标准侧重于与动态范围密切相关的数码相机噪声测量。它描述了如何在不同信号电平下测量噪声，对于理解相机在整个动态范围内的性能至关重要。

ISO 21550

该标准侧重于电子扫描仪的动态范围测量方法，此类扫描仪常用于档案/文化遗产行业，以保存文件和照片。

动态范围测试的设置

测试相机系统的动态范围需要采用标准化方法，以确保结果的一致性和可靠性。在我们的iQ-Lab实验室中，我们结合标准中规定的流程、先进的测试设备和Test Charts，对动态范围性能进行评估。

Test Charts

Test Charts are one of the most common tools used in dynamic range testing. These Test Charts typically consist of gray patches with known reflectance values ranging from light to dark. By capturing an image of a gray scale Test Chart, the camera's ability to reproduce different brightness levels can be evaluated based on its performance in distinguishing between the gray patches.

为满足不同相机行业各异的需求，Grayscale Test Charts提供了多种布局方案。 例如，我们提供的 TE269 灰度图将灰度色块以环形布局排列，而 TE259 Test Chart则采用水平布局。虽然两种方案均可行，但环形设计更为先进，因为它能有效限制 Shading/暗角的影响。

图 4：TE297 灰度 Test Chart

此外，我们还提供用于宽动态范围测量的灰度图（TE297），该图重新排列了色块的环形布局，以最大限度地减少在测量更宽动态范围时常出现的反射。 我们还提供适用于扫描仪的灰度测试图（TE240）和多功能测试图（TE42-LL），这些测试图包含灰度标靶及其他标靶（例如色块和西门子星），可在单张图像中测试多种图像质量指标。

Illumination devices

我们的大部分灰度Test Charts（尤其是采用圆形色块布局的Test Charts）均为透明材质，需要使用均匀的光箱。 我们提供由 iQ-LED 技术驱动的 LE7 灯箱，iQ-Lab 实验室也经常使用该设备。该技术允许您生成自定义光谱，从而使用单一光源在不同的光照水平下进行高效测试（这对动态范围测试至关重要）。

图 5：配备 OECF Test Charts 的 LE7 iQ-LED 灯箱

我们还提供 Vega 光源，用于根据 IEEE-P2020* 标准进行动态范围测量。该标准正逐步成为首个国际公认的标准，旨在定义关键指标并确立汽车图像质量性能的测试方法。其中一项指标是对比度传递精度（CTA）。

我们使用Vega光源对汽车级摄像头中常见的高精度超短曝光时间进行测量。Vega配备了专用于此类测量的专用灰度图（TE294）。 此外，我们的 VLS（Versatile Light System）设备通过组合多台 Vega 光源，能够模拟汽车摄像头系统在现实世界中可能遇到的更精准的场景。汽车摄像头系统必须针对这些指标进行严格测试，以确保车辆（尤其是配备 ADAS 的车辆）的高性能和安全性。

*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。

图6：配备灰度图表的Vega光源

基于动态范围测量的指标

通过测量摄像头的动态范围，可以推导出若干指标，从而深入了解其图像质量表现。其中一些指标包括：

信噪比（SNR）

信噪比（SNR）衡量目标信号相对于背景噪声的电平。在动态范围的语境下，更高的信噪比意味着更好的图像质量，尤其是在低光条件下。

曝光性能

该指标代表相机在不造成阴影或高光区域细节显著损失的情况下，能够捕捉到可接受图像的曝光范围。

色调映射

色调映射是一种将高动态范围图像映射到标准设备可显示范围内的过程。色调映射算法的有效性通常与动态范围测量结果一同进行评估。然而，现代显示技术使得设备具备极高的峰值亮度，能够显示高动态范围图像，因此对色调映射的处理强度要求较低。

测试结果评估

采集图像后，我们建议使用 iQ-Analyzer-X 等分析软件来评估测试结果。这款完全基于 C ++ 开发的软件是市场上最先进的图像质量分析软件之一。它提供高速分析功能，并与我们的大部分 Test Charts 兼容，包括上述提到的那些。 将您拍摄的测试图像导入软件，即可了解哪些方面还有改进空间。就动态范围而言，软件会标出相机难以识别的区域。

您可以在我们的网站上下载该软件的免费版本，从而立即开始进行动态范围测量。

图 7：使用 iQ-Analyzer-X 评估动态范围性能

结论

动态范围是评估各行业相机系统图像质量的关键参数。 从手机到汽车摄像头，捕捉广泛的亮度范围对于在各种条件下（甚至模拟宽温度范围）提供高质量图像至关重要。通过使用灰度Test Charts、均匀光源箱和先进的评估软件来理解和测量动态范围，制造商和工程师能够优化摄像头性能，并满足不同应用的需求。 随着相机技术的持续发展以及安全驱动趋势的日益增强（例如ADAS车辆），动态范围仍将是追求更佳图像质量的关键焦点。