基本介紹
銳利度和主觀品質因子 (SQF)是衡量感知到的列印或顯示清晰度的指標。 SQF 在攝影行業已應用多年，但大多數攝影師仍然不熟悉。銳利度是IEEE 手機相機影像品質 (CPIQ)小組提出的一個相對較新的測量指標。這兩個指標都包含了以下因素的影響：
- 成像系統：相機的調製傳遞函數 (MTF)是衡量其固有清晰度的指標。
- 觀察者：人眼對每個空間頻率的敏感度，以對比敏感度函數（CSF）建模。
- 觀看條件：影像顯示高度和觀看者與顯示器之間的距離，描述了影像顯示如何充滿人眼。
這些指標用於描述人眼所見的最終產品影像的清晰度，而不僅僅是相機的固有屬性。這有助於解釋諸如「這張圖片在手機上看起來很清晰，但在電腦螢幕上放大後就完全不清晰了」之類的常見現象。
由於CPIQ標準化工作包括將銳利度值與感知質量損失單位（即最小可覺差，JND）進行關聯，我們通常建議使用銳利度而非SQF。為簡潔起見，本頁後續章節可能僅提及銳度，但相關描述同樣適用於SQF。
歷史
SQF （主觀影像評估指標）由伊士曼柯達公司的EM（Ed）Granger和KN Cupery在1973年5-6月出版的《攝影科學與工程》雜誌第16卷第3期（第221-230頁）上發表的論文《光學評估指標（SQF）與主觀圖像評估的相關性》中提出。 （如果您進行網絡搜索，請注意Granger的名字經常被誤拼為Grainger。）柯達和寶麗來公司曾將其用於產品開發，而《大眾攝影》雜誌也將其用於鏡頭測試。 這篇技術論文驗證了SQF與觀看者偏好之間的相關性。然而，除了Bob Atkins的精彩描述（其中包含對《大眾攝影》雜誌測試方法的解釋）之外，攝影網站上很少提及SQF。
銳利度是一種感知測量指標，與 SQF 密切相關，但計算公式的細節有所不同。它在IEEE CPIQ（手機相機影像品質）第二階段規格中有所定義，但該規範並未詳細說明其顯示方式。 Imatest 的顯示方式與 SQF 相同。
Imatest 的許多銳利度模組可以測量銳利度和 SQF： SFR 、 SFRplus 、星形、隨機/枯葉、 SFRreg 、棋盤格和eSFR ISO 。
銳利度測量選項
銳利度或SQF可在Imatest SFR 、 SFRplus 、 Star 、 Random/Dead Leaves 、 SFRreg 、 Checkerboard和eSFR ISO中進行測量。您需要在「設定」方塊中勾選「銳利度分析」複選框（如果存在）。設定將被保存以供後續運行使用。
點擊上述模組之一的設定視窗中的按鈕，即可開啟選擇檢視條件和計算選項的視窗。
清晰度和 SQF 設定
此面板包含與觀察者視圖條件無關的計算和輸出繪圖選項。
主觀品質類型
計算中可使用的積分和 CSF 定義，是 CPIQ 定義的銳利度積分和 CSF 定義，還是SQF定義的積分和 CSF 定義。 （詳情請參閱下方綠色方框。）
地塊類型
可以選擇將哪個量作為輸出繪製出來－是銳利度/SQF 值本身（客觀指標），還是與該值關聯的感知損失值（主觀指標），單位為JND 。如果選擇繪製 JND，則主觀品質類型必須為“銳利度 CPIQ”，因為該量已定義了客觀-主觀映射關係。
僅鏡頭複選框
忽略顯示媒體（列印或顯示器）對銳利度計算的影響。檢查時，輸出結果假定顯示介質完美，具有平坦的SFR，並且沒有考慮有限的點/像素數量，這實際上使得銳度計算僅取決於“鏡頭”，而不是最終的顯示效果。 （請注意，由於銳利度源自MTF，而Imatest只能測量整個系統（鏡頭、感光元件和處理器）的MTF，因此它實際上並非只取決於鏡頭。）
歸一化 MTF
重新調整 MTF 曲線（銳利度即由此曲線導出），使其最大值為 1。
一般來說，根據 MTF 的定義，MTF 曲線的最大值應該已經是 1。然而，由於曲線銳化，MTF 曲線的峰值有時會大於 1。選擇此選項會在這種情況下重新調整 MTF 曲線的標度。
檢視器顯示設定
此面板包含用於定義使用此裝置拍攝的影像在觀察者視野中的顯示條件的選項。通常，它會定義顯示尺寸和顯示器與觀察者之間的距離，用於將裝置的 MTF（以 cy/px 為單位）對應到觀察者眼中的角度 MTF（以 cy/deg 為單位）。它還定義了顯示器的特性及其分辨率，這對於確定在顯示器上生成影像所需的任何尺寸調整至關重要。
CPIQ 預設
CPIQ 標準定義了五種標準視圖條件，涵蓋了許多常見使用場景——小字、大字、 100% 電腦顯示器、 4.5 吋手機、 30 吋 4K 電視。
選擇其中一項將自動設定其餘選項，因此對於新用戶來說，此選項是一個很好的起點。如果在此選項中使用“無（手動設定）”，則可以設定以下參數來描述自訂視圖條件。
查看顯示類型
可在螢幕、列印或理想顯示類型之間進行選擇。根據 CPIQ 標準，顯示類型決定了影像顯示媒體的 MTF（調變傳遞函數）。選擇“理想”表示顯示媒體本身不引入 MTF。
查看選項
決定用於產生銳利度隨選擇變化圖的自變數（即x 軸）。 根據您選擇的選項，下面的顯示將提供不同的資料輸入選項。
固定可視距離，可變顯示高度
使用者選擇最小和最大顯示尺寸（以公分為單位）來繪製銳度圖，同時保持視角距離不變。此外，也可以指定一個高度值作為讀數，以便於查詢資料輸出。
輸出圖的 x 軸將是定義範圍內的顯示高度。
固定顯示高度，可變可視距離
使用者選擇最小和最大觀看距離（以公分為單位），在顯示尺寸不變的情況下繪製銳利度圖。此外，也可以將一個距離值指定為讀數值，以便於查詢資料輸出。
輸出圖的 x 軸將是定義範圍內的觀看距離。
選取後，顯示高度的輸入框單位將為“輸入影像的放大百分比”，而不是公分。
此用法表示顯示尺寸會根據影像的行數除以顯示器的像素密度（每公分點數或像素密度）再乘以放大倍率進行相應縮放。由於資料縮放時顯示器的實際尺寸顯然不會改變，因此可以將顯示器視為一個“視窗”，透過這個視窗可以看到一個理論上尺寸相同的顯示器。
例如：CPIQ 預設「電腦顯示器以 100% 比例顯示」使用了此選項，這表示影像在螢幕上的顯示比例為：影像中的一個像素變成螢幕上的像素，而不是放大或縮小。
像素/厘米
影像在顯示器（或印刷品）上每公分的像素數（或每公分的點數）上呈現。
該值至關重要，它指示顯示器的解析度是否低於生成待查看影像的相機的解析度。如果低於，則影像需要在顯示前縮小尺寸（除非以例如上例中的 100% 縮放比例查看），這會改變空間頻率成分。 Imatest 對此進行一階建模，在將成像系統測量的 MTF 轉換為角頻率之前，請應用一個理想的低通濾波器。
銳利度和MTF
下表比較了 MTF 和銳利度。本質上，MTF 是衡量設備或系統清晰度的指標；銳利度和 SQF 是衡量感知列印或顯示清晰度的指標，它們由 MTF、人眼視覺系統的對比度敏感度函數 (CSF) 和視角（基於列印高度和觀看距離之間關係的假設）得出。
| MTF（調製傳遞函數） | 敏銳度或SQF（主觀品質因子） |
| 測量影像對比度與空間頻率的關係。描述設備或系統的清晰度。與印刷品或顯示器中感知到的影像清晰度間接相關。 | 衡量感知清晰度與印刷或顯示高度和觀看距離的關係。描述觀看體驗。需要對觀看距離做出假設（可以是恆定值，也可以與印刷高度的平方根或立方根成正比）。 |
| 忽略了觀看距離和人類視覺系統。 | 包括觀看距離和人類視覺系統的影響。 |
| 摘要： MTF（對比）與空間頻率的關係圖需要一定的技術能力才能解釋。 | 具體來說： SQF（感知清晰度）與列印高度的關係圖幾乎無需解釋。無論列印尺寸如何，SQF 的主觀意義都相同。它可以用來精確回答諸如「使用 1,280 萬像素全片幅數位單眼相機比使用 830 萬像素 APS-C 畫幅數位單眼相機能印多大的照片？」之類的問題。 |
| 低空間頻率下約為 1.0。高空間頻率下數值會降低，但由於銳利化作用，在中等頻率下可能達到峰值。峰值超過 1.4 表示過度銳利化，這會導致邊緣出現難看的“光暈”，尤其是在大尺寸列印時。 | 對於較小的列印高度，該值為 100%。對於較大的列印高度，該值會降低，但由於銳化，在中等列印高度下可能會升高。峰值超過 105% 可能表示過度銳利化（超過 108% 則肯定表示過度銳利化）。在這種情況下，您應該檢查 MTF 圖表和邊緣輪廓。 |
| 頻率下降一半時的頻率（MTF50）是相對感知清晰度的合理指標，但需要解釋，而且不如 SQF 精確。 | SQF 值相差 5 對應於清晰度上的可感知變化——略大於一個「最小可覺差」（JND）。 SQF 可用作排名系統的基礎。 Imatest 會顯示銳利度的 JND（最小可偵測差）。具體說明如下。 |
| 成像科學家對此並不陌生，但分辨率消失的概念仍然更為人所知。 | SQF在影像產業並不常見。它曾在柯達和寶麗來內部使用，但在數位成像技術出現之前很難測量。 銳利度是一種相對較新的測量方法，由於 IEEE CPIQ 小組的努力，它正變得越來越為人所知。 |
| 所有測量值（MTF、SQF 和銳利度）都受到銳化處理的強烈影響，銳化處理通常用於提高感知銳度，因此 SQF 預計會增加。 | |
以下是一個範例結果。 
銳度，基於觀看距離等於影像高度平方根的假設。
頂部圖中的黑色實線顯示了打印高度從 2 厘米到 60 厘米（約 2 英寸到 24 英寸）的銳度，假設觀看距離（厘米）= 30 √(圖像高度/10)，這與畫廊觀看條件大致相符。銳利度超過 100 是因為影像銳利化後 MTF 峰值適中。頂部圖也顯示了觀看距離（ --- ）。右下角的圖是 MTF 曲線，該曲線在主 SFR/MTF 圖中也有顯示，但此處重複顯示以使本圖內容完整。中間下方包含影像縮圖，其中紅色部分顯示了選定的 ROI。左側的文字包含計算詳情和圖像屬性。
精確度和SQF數值分別代表什麼？
SQF－由 Ed Granger開發的SQF值與感知清晰度呈線性正比關係。 SQF值變化5對應於清晰度的可感知變化－略大於一個「最小可覺差」（JND）。由於我們沒有自己的SQF感知資料庫，我們將參考他人的經驗。
《大眾攝影》雜誌多年來一直使用SQF評分系統測試鏡頭。他們開發了目前唯一廣泛應用的SQF評分系統。他們的評分標準並非完全線性。例如，{C, C+} 等級佔用20個SQF單位，是{A, A+}、{B, B+}或D等級的兩倍。但這似乎是解讀評分的一個很好的起點。
| A+ | 一個 | B+ | B | C+ | C | D | F |
| 94-100 | 89-94 | 84-89 | 79-84 | 69-79 | 59-69 | 49-59 | 49歲以下 |
我們建議讀者參考《大眾攝影》的鏡頭測試結果，並在其網站上搜尋SQF。 Imatest的測試結果應該與《大眾攝影》的結果相符，但兩者之間也存在一些顯著差異。
- Pop Photo單獨測量鏡頭的 SQF 值，而Imatest則測量整個影像系統的 SQF 值。這意味著Imatest 的結果對相機和 RAW 轉換器中的訊號處理（銳化和降噪；通常以非線性方式應用）非常敏感。這使得在不同相機上測量的鏡頭難以直接比較。另一方面，這也意味著您可以了解您的相機/鏡頭組合所能達到的最佳效果，並且非常適合比較在同一類型相機（使用一致設定）上測量的鏡頭。
- Pop Photo計算 SQF 的演算法（SQF 方程式和觀看距離假設；兩者均在下文討論）尚不清楚。
質量作為SQF的函數
右側的評分標準由布羅爾·赫爾格倫（Bror Hultgren）開發，基於大量的類別評分測試。布羅爾指出，感知品質等級取決於測試影像集（尤其是其中最差影像的糟糕程度）以及任務（例如，一群手機使用者對影像的評分與一群美術館策展人對影像的評分會有所不同），但類別之間的關係相對穩定。這些等級與《大眾攝影》（Popular Photography）的評分標準相當。
解讀SQF時需要考慮的其他因素：
- 無論列印尺寸如何，SQF 的解讀都相同。這意味著 SQF = 92 的列印件，無論是 4 x 6 英寸還是 24 x 36 英寸，其品質「感覺」都相同。這與 MTF 測量不同，MTF 是在列印表面測量的，不同尺寸的列印件的解讀也不同：人們傾向於接受尺寸較大的列印件較低的 MTF 值，因為觀看距離更遠（儘管此處描述的關係並非線性關係）。觀看距離已包含在 SQF 中。
- SQF 計算目前暫不考慮印表機的清晰度。它假設現代高品質噴墨印表機在正常觀看距離下，列印的清晰度能夠達到肉眼所能看到的水平——對於大幅列印件（高度≥20公分）而言，這是一個相當合理的假設。
銳利度－CPIQ 檔案定義了一個「客觀指標」（當銳利度等於 0.8851 時， OM = 0.8851 -銳利度；否則OM = 0），該指標隨模糊程度的增加而增加。文件聲稱，當銳利度大於 0.8851 時，感知品質不會提高。一個較為複雜的公式計算結果表明，OM 值變化 0.02（2%）大致對應於 1 個 JND。
銳度和SQF方程
沿用 Imatest 網站其他部分的慣例，我們將數學公式放在綠色方框中，非技術讀者可以跳過這些方框。首先展示的是銳利度公式－SQF 主要具有歷史意義。
在哪裡 在哪裡 a = 75， b = 0.2， c = 0.8， K = 34.05， 請注意， CSF的該值峰值約為 4 週期/度，遠低於 SQF 所使用的CSF 。 |
SQF方程 本框的要點是，Granger 在 1972 年提出了計算 SQF 的完整公式，但他在計算中使用了簡化的近似公式。雖然強烈建議使用精確公式，但 Imatest 可以在需要時使用簡化的近似公式來比較新舊計算結果。在查閱較早的出版物時，您應該確定使用了哪種計算方法。 格蘭傑所提出的SQF的精確方程式是：
在哪裡 CSF( f ) 是人眼的對比敏感度函數，詳見下文；當f > 60 週期/度時，CSF( f ) 接近零。 由於格蘭傑無法使用先進的電腦（如今一台普通個人電腦的運算能力大約相當於 1972 年整個五角大樓的運算能力），因此他在計算中使用了近似值，假設 CSF( f ) 在 3 到 12 個週期/度之間大致恆定。 當 3*cpd < f < 12*cpd 時；否則為 0； 對於 3 cpd < f < 12 cpd，其中 cpd 為歸一化常數。
儘管 Imatest 提供了使用此近似值的選項（用於檢查先前的計算結果），但建議使用精確公式。 Granger和 Cupery 使用的積分限值在視網膜上分別為 10 和 40 週期/毫米，當考慮眼睛的焦距 ( FL = 17 毫米) 時，則分別轉換為 3 和 6 週期/度。 f (週期/度) = f (週期/毫米) ( π FL ) / 180。 要計算 SQF，需要將用於眼睛響應 CSF( f ) 的空間頻率（以週期/度為單位）與 Imatest SFR 計算的空間頻率（以週期/像素為單位）連結起來。
在哪裡 n PH是垂直像素數（沿影像高度方向，假設為橫向）， d為觀看距離 雜訊影像 對於具有長過渡（10-90%上升時間r<sub> 1090</sub>在2個像素內）且雜訊較高的影像，除非採取預防措施，否則雜訊的增加會導致SQF增大。我們採取的措施是認識到大部分訊號能量位於低於1/ r<sub> 1090</sub>的空間頻率。對於高於1/ r <sub>1090 </sub>的頻率，我們不允許MTF增加：MTF( f <sub>n</sub> ) = min(MTF( f <sub>n-1</sub> ), MTF( f<sub> n</sub> )))。這幾乎不會影響邊緣引起的MTF變化，但可以防止雜訊尖峰過度增加SQF。 |
對比敏感度函數（CSF）
對比敏感度函數
人眼對比敏感度函數 (CSF) 在高空間頻率下受眼球光學系統和視錐細胞密度的限制，在低頻率下則受視網膜訊號處理（神經元相互作用；側抑制）的限制。多項研究表明，在明亮光照條件下（例如閱讀印刷品時），峰值響應介於每度 6 到 8 個週期之間（對於用於銳度計算的 CSF 方程，約為 4）。我們選擇了一個公式（詳見下文），其峰值略低於每度 8 個週期。
您可以透過在不同距離觀察下圖，並觀察圖案消失的位置，來了解眼睛的對比。對比度與影像高度h成正比 ( y / h ) ² 。雖然影像的對比度看起來從上到下呈線性下降，但圖表中間部分的對比度只有頂部的四分之一。
由Test Charts建立的對數頻率比較圖。
Log F-Contrast 圖表與Campbell-Robson CSF（對比敏感度函數）圖表非常相似，
這張圖表最初於 1968 年出版。兩張圖表的（垂直）對比變化截然不同。
點擊右側斜線圖像即可查看全尺寸圖片，以了解更多關於腦脊髓液的資訊。在正常觀看距離下，您可能看不到隱藏在其中的數字。後退幾米，數字就會變得非常清晰。
這是怎麼回事？在正常觀看距離下，對角條紋的頻率具有較高的CSF值，而隱藏數字的頻率較低，其CSF值相對較低。當距離拉遠時，條紋的CSF值降低，但隱藏數字的CSF值卻高得多，使其更容易被看到。
點擊圖片可看完整尺寸。
後退幾公尺就能看到隱藏的數字。
對於 SQF，我們選擇了一個相對簡單、較新且與數據擬合良好的公式。該公式的來源是 JL Mannos 和 DJ Sakrison 的論文“視覺保真度準則對圖像編碼的影響”，發表於 IEEE 資訊理論彙刊，第 20 卷，第 4 期，第 525-535 頁（1974 年）， 該論文在Kresimir Matkovic 1998 年的博士論文中被引用。
應用歸一化常數K後，SQF 中的 2.6 乘數消失。此方程式可以進行一些簡化。
首選的SQF方程式當直流項 (0.0192) 存在時，公式會出錯。幸運的是，如上圖所示，移除直流項幾乎沒有影響。用於計算優選方程中 SQF 的公式為 CSF( f ) = 0.114 f exp(-0.1254 f )。 |
| 更多極客內容（已棄用的其他公式） SQF選項中包含了一些用於實驗研究的附加方程式。由於銳度已成為標準，這些方程式已被棄用。
在哪裡 或者是歸一化常數。 這些方程式的建立是為了解決 d(log f ) = d f / f的問題，該項在低空間頻率下會變得非常大。如果 CSF( f ) 包含直流（常數）項，則包含該項的積分會發散。幸運的是，如上所述，從 CSF 中移除直流項影響甚微，且效果很好，因此我們僅將這些方程式用於實驗目的。 格蘭傑使用 d(log f ) 是因為他注意到 MTF 的恆定百分比變化對應於一個可察覺的差異，也就是說，人眼的反應呈對數關係。公式 1 是線性的。公式 2 是對數的，但存在一些尺度問題：如何處理 log(1) = 0？我們應該使用 log 10 （類似於密度測量）、log 2 （類似於曝光值或光圈值測量），還是 log e （根據科羅拉多州博爾德市的社區標準，該市只使用自然對數）？我們決定不繼續研究這些公式。 |