图像质量因素

Color与镜头暗角校正 | 简介 “Shading”一词描述了从传感器中心到边缘区域的光线衰减或色彩变化，这些现象并非源自被摄场景本身。换言之，Shading是指图像亮度从中心向边缘逐渐减弱的现象。 有时，成像场内可能会出现Color变化，特别是在采用小尺寸传感器的相机中。 总体而言，Shading会产生不希望出现的暗边或阴影边，从而影响图像质量。Shading的成因 在观察相机系统的Shading现象时，最简单的方法是拍摄平场图像——即在均匀Illumination下拍摄的白纸照片，或是拍摄均匀漫射光源（如积分球开口）的照片。 光学系统所具有的最小Shading是光度学中描述的余弦定律所规定的值。系统的光学设计可能会增加Shading。Shading可能由镜头或其他物体的物理限制引起，例如不合适的镜头滤光片或劣质遮光罩。 Shading's types ISO 17957 divides shading into two main categories for measurement. 1 The first category is Luminance shading, which the standard defines as a change in the Luminance signal components within the image field. 第二类是色度暗角，即图像场内色度信号分量的变化¹。Luminance暗角 Luminance（也称为明度）暗角可根据暗角发生的位置分为几个独立的类别。 图 1：一张典型的测试图像，显示了从中心到四角的 Luminance 渐变。自然 Shading（cos4 定律） 自然 Shading 是指图像从中心到四角的 Luminance 逐渐减弱。这种 Shading 纯粹是由几何原因造成的。图 1：自然 Shading 的几何解释。 图1说明距离（D2）等于D1乘以δ的余弦值。 最好将 D2 和 D1 视为二维量（或者说面积而非尺寸），因此从 D2 向透镜传播的能量等于 D1 的能量乘以 (cos δ)²。 现在，在透镜的入射侧也出现了同样的情况，因为透镜透过的能量为 D2 乘以 (cos δ)²。 这两个面积相加，得出了 cos4 定律：E(P2) = E(P1) * (cos δ)4 图像中自然阴影的最大程度由相机的视场决定。例如，广角图像中的自然阴影比长焦图像更多。 Mechanical shading or vignetting Luminance shading's other part is called mechanical shading or vignetting. The cause of this type of shading is the lens mount or other accessories (such as the lens hood). It usually depends on the aperture or f-value, and smaller apertures usually show lower mechanical shading. 图2：机械Shading的解释。图2：光圈全开和全闭时的机械Shading。 Luminance shading的测量 在测量 Luminance shading 时，ISO 17957 标准通过两个相关的公式，将 CIELAB 方法的“明度不均匀性”与 X、Y、Z 方法的“亮度不均匀性”区分开来。该标准详细描述了测量方法。 Luminance shading: Luminance shading: Utilizing the measurement results of Luminance shading, a polynomial fit can be calculated and used to brighten the corners to compensate for the shading. Therefore, compensation for a moderate shading level can be performed in the camera imaging pipeline or during RAW image processing. 图 3：iQ-Analyzer 测得的 Luminance 渐变测量结果。色彩 Shading 色彩 Shading（或称色彩不均匀）通常指图像中心至四角的色彩偏移。此类 Shading 通常出现在使用较小传感器相机拍摄的图像中。 色彩阴影有多种成因，其中最常见的两种是离轴像素串扰和红外截止滤光片的透射。图4：一个色彩阴影示例，中心为洋红色斑点，四角为绿色。 Pixel crosstalk color shading Pixel crosstalk off-axis describes an increase in the spatial variation between (crosstalk) the pixels. Lenses that are not designed as near telecentric can often experience pixel crosstalk shading. 图5：由于像素串扰，传感器收集的光线会随入射角的变化而变化。红外截止滤光片：随着入射角增大，红外截止滤光片的透射波长会向更短波长偏移。 如果光源含有大量红外辐射（如自然阳光或白炽灯），红外截止滤光片的偏移对图像的影响会更为显著。荧光灯管或 LED 由于其光谱中红外成分的滞后，通常较少出现这种现象。 图 7：左侧的 Test Chart 图像使用与 D55 光谱（阳光）相匹配的光源拍摄，边缘处显示出明显的色彩 Shading。右侧的同一张 Test Chart 图像使用模拟 D55 的荧光灯（无红外线）拍摄，则未显示色彩 Shading。 Color Shading Measurement ISO 17957 standard proposes two independent formulas for measuring color shading. The first formula describes color gradation non-uniformity, focusing on the differences between the a* and b* channels. The second formula details total color gradation non-uniformity, which takes into account lightness L*. 色度不均匀性对色度不均匀性的分析首先通过使用块平均值 a^* (i) 和 b^* (i)，计算整个图像的总体平均值 (a*) ̅ 和 (b*) ̅ 来完成。 m：测量块的数量 使用以下公式计算第 i 个块的色度偏差。色度不均匀度 Dc 定义为以下公式中相对于整体平均值的最大偏差。 总色度不均匀性 对总色度不均匀性的分析首先需计算 L*(i)、a*(i) 和 b*(i) 的整体最大值和最小值。按以下公式计算总色度不均匀性 DTotal。 结论 Shading 是指图像亮度从中心向边缘逐渐减弱，或成像场内 Color 发生变化，这种情况通常出现在采用小尺寸传感器的相机中。 因此，Shading会产生不希望出现的暗边或阴影边，从而影响图像质量。在观察相机系统的Shading现象时，最简便的方法是拍摄平场图像——即在均匀Illumination下拍摄的白纸照片，或拍摄均匀漫射光源（如积分球开口）的照片。 在我们的测试实验室中，我们严格遵循 ISO 17957 中提出的方法来测试相机的暗角现象。我们发现，使用哑光漫射图表能为暗角的整体评估提供最佳结果。

简介

“Shading”一词描述了从传感器中心到边缘区域的光线衰减或色彩变化，这些现象并非源自被摄场景。换言之，Shading是指图像亮度从中心向边缘逐渐降低的现象。 有时，成像区域内可能会出现Color变化，特别是在采用小尺寸传感器的相机上。总体而言，Shading会产生不希望出现的暗边或阴影边，从而影响图像质量。

Shading的背景

要直观了解相机系统的Shading现象，最简单的方法是拍摄平场图像——即在均匀Illumination条件下拍摄的白纸照片，或是拍摄均匀的漫射光源（如积分球开口）的照片。

光学系统所具有的最小Shading符合光度学中描述的余弦定律。系统的光学设计可能会加剧这种现象。Shading可能源于镜头或其他物体的物理限制，例如不合适的镜头滤镜或劣质遮光罩。

Shading的类型

ISO 17957 将Shading分为两大类进行测量。¹ 第一类是Luminance Shading，该标准将其定义为图像场内Luminance信号分量的变化。第二类是Color Shading，即图像场内Color信号分量的变化。¹

Luminance shading

Luminance（也称为明度）Shading可根据其发生的位置分为几个独立的组别。

图 1：一张典型的测试图像，显示了从中心到各角的Luminance Shading。

自然Shading（cos4定律）

自然Shading是指图像从中心向四角方向亮度逐渐减弱的现象。这种Shading纯粹由几何因素引起。

图1：自然Shading的几何解释。

图1说明距离（D2）等于D1乘以δ的余弦值。 最好将 D2 和 D1 视为二维量（或者说面积而非尺寸），因此从 D2 向透镜移动的能量等于 D1 的能量乘以 (cos δ)²。 现在，在透镜的入射侧也出现了同样的情况，因为透镜透过的能量是 D2 乘以 (cos δ)²。

这两个面积相加便得出了 cos⁴ 定律：

E(P2) = E(P1) * (cos δ)⁴

图像中自然阴影的最大程度由相机的视场决定。例如，广角图像中的自然阴影比长焦图像更多。

机械遮光或暗角

Luminance Shading的另一部分被称为机械暗角或晕影。这种暗角的成因是镜头卡口或其他附件（如遮光罩）。它通常取决于光圈或f值，光圈越小，机械暗角通常越小。

图2：机械Shading的解释。

图2：光圈全开和全闭时的机械Shading。

Luminance shading measurement

在测量 Luminance Shading 时，ISO 17957 通过两个相关的公式，将 CIELAB 方法的“明度不均匀”与 X、Y、Z 方法的“亮度不均匀”区分开来。该标准对测量方法进行了详细描述。

明度阴影：

Luminance shading：

利用Luminance阴影的测量结果，可以计算出多项式拟合曲线，并将其用于提亮图像边缘以补偿阴影。因此，对中等程度的阴影补偿可在相机成像管道中或RAW图像处理过程中完成。

图3：iQ-Analyzer测得的Luminance阴影测量结果。

Color shading

Color shading（或称色彩不均匀）通常指图像中心至四角的色彩偏移。此类Shading通常出现在使用较小传感器相机拍摄的图像中。 Color shading has multiple causes, including the two most common types, pixel crosstalk off-axis, and the IR-cut filter transmission.

图 4：一个色彩Shading示例，中心为洋红色，四角为绿色。

Pixel crosstalk shading

离轴像素串扰是指像素之间空间变化（串扰）加剧的现象。未按近同心设计的光学镜头往往会出现像素串扰引起的Shading。

图5：由于像素串扰，传感器收集的光线会随入射角的变化而变化。

红外截止滤光片

随着入射角增大，红外截止滤光片的透射波长会向更短波长方向偏移。 如果光源含有大量红外辐射（如自然阳光或白炽灯），红外截止滤光片的波长偏移对图像的影响会更为显著。由于荧光灯管或LED的光谱中红外成分滞后，因此较少出现这种现象。

图 7：左侧的 Test Chart 图像使用与 D55 光谱（阳光）相匹配的光源拍摄，边缘处出现了明显的色彩 Shading。右侧的同一 Test Chart 图像则使用模拟 D55 的荧光灯（无红外线）拍摄，未出现色彩 Shading。

Measuring color shading

ISO 17957 提出了两个用于测量色彩 Shading 的独立公式。第一个公式描述色度不均匀性，侧重于 a* 和 b* 通道的差异。第二个公式详细说明了总色度不均匀性，其中考虑了明度 L* 的影响。

色度不均匀性

对色度不均匀性的分析首先通过使用块平均值 a^* (i) 和 b^* (i)，计算整个图像的总体平均值 (a*) ̅ 和 (b*) ̅ 来完成。

m：测量块的数量

使用以下公式计算第 i 个块的色度偏差。

色度不均匀度 Dc 定义为以下公式中相对于整体平均值的最大偏差。

Total color non-uniformity

对总色不均匀性的分析首先需要计算 L*(i)、a*(i) 和 b*(i) 的整体最大值和最小值。

按以下公式计算总色度不均匀度 DTotal。

结论

Shading是指图像亮度从中心向四角逐渐减弱，或者成像场内Color发生变化，这种情况通常发生在传感器较小的相机上。因此，Shading会产生不必要的暗边或阴影，从而影响图像质量。

要直观地观察相机系统的Shading现象，最简单的方法是拍摄一张平场图像、一张Illumination均匀的白纸照片，或者拍摄一个均匀的漫射光源（例如积分球开口）的照片。

在我们的测试实验室中，测试相机暗角时，我们严格遵循ISO 17957标准中提出的方法。我们发现，使用哑光漫射图表能为暗角的整体评估提供最佳结果。

https://www.iso.org/standard/31974.html