動態(tài)范圍對手機拍照質量的影響

肖利平, 姜義重, 吳洪清

(珠海格力電器股份有限公司, 廣東 珠海 519070)

引 言

隨著科技的迅猛發(fā)展,智能手機得到長足的發(fā)展,在手機拍照功能上從起始NOKIA的30萬像素提升到目前的2 100萬像素,同時對廣角、動態(tài)范圍都提出了更高的要求,其中手機拍照的動態(tài)范圍成了衡量手機拍照功能的一項重要指標。本文從研究手機拍照的動態(tài)范圍的標準要求入手,對測試的標準、測試的模型、測試的方法進行解析,進而對手機拍照的動態(tài)范圍與拍照質量的關系進行分析。

1 成像系統(tǒng)動態(tài)范圍概念的引入

動態(tài)范圍(dynamic range,DR),最早是信號系統(tǒng)中使用的概念。一個信號的動態(tài)范圍被定義成最大不失真電平和噪聲電平的差,實際使用中多用對數(shù)值表示。后來因為技術的發(fā)展,動態(tài)范圍概念引入到成像系統(tǒng)中,動態(tài)范圍表示被攝圖像中所包含的從“最暗”到“最亮”的變化范圍(最亮為最接近曝光的亮度,最暗為只剩下噪聲時的亮度),其表示方法是圖像最亮部分與最暗部分亮度的比值(單位用dB表示),即

(1)

式中:Lmax為最接近曝光的亮度;Lmin為只剩下噪聲時的亮度。

為了更好地滿足動態(tài)范圍的要求,引入了高動態(tài)范圍(high dynamic range,HDR)的概念,對于HDR其原理就是相機自動降低亮部的亮度和提高暗部的亮度,防止出現(xiàn)暗部較黑和亮部較白的現(xiàn)象,目的在于使被攝圖像的高光部分不過曝,暗部細節(jié)又能保留。通常在拍攝高光畫面時,可縮小光比,營造一種高光不過曝、暗調不欠曝的效果,讓亮處保持鮮亮,暗處保留更多細節(jié),能夠分辨物體的輪廓和深度,而不是一團模糊的黑色。

通常認為,對于固定場景,當動態(tài)范圍與人眼能處理的亮度范圍相接近時(約100 dB),則稱為高動態(tài)范圍。

2 動態(tài)范圍測試標準的研究

2.1 測試環(huán)境的要求

標準ISO 15739[1]規(guī)定了數(shù)碼相機及拍照手機動態(tài)范圍測試條件:溫度23 ℃±2 ℃、相對濕度50%±20%、光源照度變化小于±2%、自動白平衡、鏡頭前可加紅外濾波器。

根據標準ISO 15739規(guī)定,對于擁有1個8位的A/D數(shù)字轉換器的攝像頭,其灰度值范圍為0～255,測試時,圖卡背景環(huán)境的灰度值應在合適的范圍內(110～130),如果測試圖卡背景環(huán)境的灰度值超出規(guī)定范圍,會影響所拍攝標準圖卡圖片色塊的曝光度,造成測試誤差。

2.2 測試圖卡的要求

根據標準ISO 15739要求,在測試時可以采用測試圖卡測量相機動態(tài)范圍,而測試圖卡必須滿足標準ISO 14524的要求,需要采用ISO 14524推薦的光電轉換函數(shù)(opto-electronic conversion function,OECF)標準測試圖卡。

3 動態(tài)范圍測試模型的建立及測試方法

3.1 動態(tài)范圍測試模型的建立

根據ISO 14524[2]標準建議的測試圖卡類型(透射式和反射式圖卡)不同,建立不同測試模型,本文以透射式圖卡動態(tài)范圍的測試模型為例,進而研究動態(tài)范圍的測量方法。

圖1 采用透射式圖卡的測試模型Fig.1 Testing model based on transmission target

根據實驗室采用的透射式圖卡建立相應的測試模型,該模型應該具備穩(wěn)定的積分球均勻光源照明、OECF標準透射式圖卡、照度計、均勻板以及相關的測試控制軟件等。建立的模型如圖1所示,圖中:光源箱采用積分球均勻光源,用于提供一個多色溫、可調亮度的均勻照射光源;均勻板用于打散光通量,讓光均勻分布;攝像頭通過對測試圖卡的拍攝,獲取軟件分析的圖像。

3.2 動態(tài)范圍的測量

手機動態(tài)范圍就是手機的攝像頭能夠記錄的從全黑到全白之間的最大影調范圍,動態(tài)范圍越大被記錄的圖像信息就越豐富。而研究手機攝像頭拍照動態(tài)范圍就需要通過光電轉換函數(shù)OECF進行研究,光電轉換函數(shù)OECF描述了電子靜態(tài)圖像拍攝系統(tǒng)的輸入場景亮度值的對數(shù)與輸出數(shù)字信號值之間的函數(shù)關系,是研究數(shù)碼相機成像性能的基礎[3]。

根據ISO 14524標準規(guī)定,采用圖2所示的OECF標準圖卡(透射式圖卡OECF20)為拍攝圖卡。測試圖卡由20級呈光譜中性漫射面的矩形灰階模塊組成,灰階模塊之間的視覺密度是按照灰階模塊等間隔的立方根亮度值級數(shù)遞增,其描述的是單位面積或體積中,滿足視覺快感和信息傳達的量的多少。

視覺密度為未插入圖卡處于測試圖卡位置的漫照射體亮度與插入圖卡時透過標準圖卡的亮度之比的常用對數(shù)[4],即

D=lg(L/Lt)

(2)

式中:L為未插入圖卡處于測試圖卡位置的漫照射體亮度;Lt為插入圖卡時透過標準圖卡的亮度。

測試圖卡的周邊背景視覺密度滿足方程式

Db=0.74((Dd-D1)/2.2)+D1

(3)

式中:Dd為最暗的灰階模塊視覺密度;D1為最亮的灰階模塊視覺密度。

本測試采用測試圖卡,可通過旋轉中心圓盤,調節(jié)周圍背景視覺密度值。

圖2 OECF20Fig.2 OECF 20

圖3 OECF20圖卡的灰階模塊標號Fig.3 Gray-scale markers of OECF 20

對于一個OECF測試圖卡,第一步就應該確定構成的圖卡灰階模塊的最大和最小的視覺密度值(Dmax和Dmin)。根據這些值,計算得出測試的最大亮度比ΔYmax

ΔYmax=10Dmax-Dmin

(4)

(5)

(6)

OECF測試圖卡分為兩類:反射式和透射式。ISO規(guī)定了4種對比度:20∶1、160∶1、1 000∶1和10 000∶1標準反射型。本測試采用 OECF20測試卡對比度10 000∶1,可測得更大動態(tài)范圍值。表1為ISO 14524列出的4種對比度(20∶1、160∶1、1 000∶1、10 000∶1)標準OECF測試圖卡和OECF20測試圖卡的視覺密度標準值。

表1 灰階模塊密度Tab.1 Density of the gray-scale marker

由式(2)可得

Li=10-DiL

(7)

式中:Di為第i塊灰階模塊的視覺密度;Li為視覺密度Di的灰階模塊的亮度;L為處于測試圖卡位置的漫照射體亮度。

將式(7)代入動態(tài)范圍DR[6]所表示的式(1)得

DR=20lg(Lmax/Lmin)=20(Dmax-Dmin)

(8)

式中:Dmax為信噪比為1的灰階模塊的視覺密度值;Dmin為未出現(xiàn)飽和信號前最大灰階模塊的視覺密度值。

4 動態(tài)范圍測試結果

表2是某型號樣機1的OECF測量結果,表中:R、G、B為三基色亮度量化灰度;Y為亮度量化灰度;SNR為信噪比;D為視覺密度。由表2可知,圖卡圖像亮度在灰階模塊4已達到完全飽和曝光,灰階模塊5接近亮度飽和達到250.0,D8=0.29,而信噪比SNR=1為灰階模塊20與19之間的灰階,通過換算Dmax=3.27,則動態(tài)范圍DR=20×(3.27-0.29)=59.6 dB。圖4為樣機1 OECF/SNR/Density關系圖。

表2 OECF測試的測量結果Tab.2 The measured results of OECF testing

圖4 樣機1 OECF/SNR/Density關系圖Fig.4 Relation of OECF,SNR and density of prototype 1

樣機2測試結果如表3所示,由表3可知,圖卡圖像亮度在灰階模塊7已達到完全飽和曝光,灰階模塊8接近亮度飽和達到250.8,從表3可得D8=0.58,而信噪比SNR=1為灰階模塊20與19之間的灰階,通過換算Dmax=4.17,則動態(tài)范圍DR=20×(4.17-0.58)=71.8 dB。圖5為樣機2 OECF/SNR/Density關系圖。

表3 樣機2測試結果Tab.3 Meaured results of prototype 2

圖5 樣機2 OECF/SNR/Density關系圖Fig.5 Relation of OECF,SNR and density of prototype 1

通過對比可知,樣品2動態(tài)范圍DR大于樣品1。通過理論分析可以確定動態(tài)范圍大的其拍攝出來的圖片細節(jié)更加明顯,輪廓更加清晰。動態(tài)范圍越大,所能表現(xiàn)的層次越豐富,所包含的色彩空間也越廣,因此手機的動態(tài)范圍越大,它能記錄影像的暗部細節(jié)和亮部細節(jié)越準確、豐富。在同一環(huán)境下分別用樣機1、樣機2各拍一組圖片,得到如圖6、圖7所示的圖片。

圖6 樣機1拍攝的圖片F(xiàn)ig.6 Photo taken by prototype 1

圖7 樣機2拍攝的圖片F(xiàn)ig.7 Photo taken by prototype 2

從兩圖可以明顯看出,高動態(tài)范圍的樣機2拍攝的圖片7在暗環(huán)境下成像質量好于樣機1,對暗部記錄的細節(jié)更豐富,而樣機1拍攝的圖片在暗環(huán)境下成像基本趨于一團黑。

5 結束語

本文基于ISO 14524標準介紹手機動態(tài)范圍的測量方法。動態(tài)范圍是成像質量的一個重要指標,是成像質量檢測不可缺少的一部分。通過對動態(tài)范圍測試標準、測試要求、測試方法的研究,明確了動態(tài)范圍的大小以及和照片清晰度的關系,為測試以及開發(fā)人員提供了參考。