InfoDR 的应用：基于信息的动态范围，第 1 部分

第二部分- 打开、选择和读取-设置窗口-结果-信息相关显示-更多设置 

介绍

Imatest InfoDR （基于信息的动态范围）是一个Rescharts模块，以及一套配套的测试图表，旨在基于_C4信息容量，测量相机在各种光照条件下的动态范围和性能。  （直接从 4:1 对比度倾斜边缘测量的信息容量）。

与旨在填充图像大部分区域的 SFRplus、eSFR ISO 和棋盘格图表不同， InfoDR 图表仅占据图像的中心部分。感兴趣区域 (ROI) 的选择是自动的。

低光照和动态范围测量比传统图表准确得多，因为信号是边缘对比度（相邻色块之间的差异），因此不会因杂散光而获得更好的测量结果。

右侧曲线绘制了_C4信息容量与传感器光照强度的关系。曲线下的面积_{C4Δ =} ∑C4ΔD （对于密度增量，双层薄膜图表中ΔD = 0.2 ）是一个初步的启发式性能指标，它结合了_C4和动态范围。

InfoDR测试图由排列紧凑的倾斜正方形组成，分为四个象限或六个区域。每个象限或区域内相邻正方形的密度比恒定为 4:1，或者等效地，光密度差 ΔOD = 0.6。每个区域中的色块密度均有偏移，因此整个测试图上的色块密度阶跃均匀。此外，该测试图还包含一些对客户进行相机测试有价值的附加功能（彩色色块和楔形色块）。测试图的设计原理详见下文附录。

InfoDR图表主要旨在作为 Imatest Rescharts的一部分进行分析，但也可以使用Color/Tone （交互式和自动）进行分析，但 Color/Tone 仅计算传统的基于 SNR 的指标，包括动态范围。

InfoDR测试图表可从 Imatest 商店购买（推荐），或使用高质量喷墨打印机打印（仅限反射版本） 。

InfoDR 图像质量因素

主要结果

• _C4信息容量（直接从 4:1 对比度边缘测量的信息容量），在包括低光照在内的各种光照条件下进行测量。它由清晰度和信噪比 (SNR) 推导而来，其中信号S是倾斜边缘两侧电平之间的差异。它是衡量低光照性能的卓越指标。

C4 信息容量与亮度 (cd/m ² ) 的关系
这是 InfoDR 的一项关键成果。

其他重要结果

• 清晰度，以空间频率响应 (SFR) 表示，也称为调制传递函数 (MTF)。
• 噪声和信噪比 (SNR)是通过测量图表中心周围的灰度色块得到的，它包含了所有由“颜色/色调交互式”和“颜色/色调自动”计算出的噪声类型（标准像素噪声、色度噪声、场景参考噪声、传感器（原始）噪声以及 ISO-15739 视觉噪声和动态范围）。信噪比 (SNR) 也可以以比率或分贝 (dB) 的形式显示。
• 色调响应（也来自灰度色块）。

其他（次要）结果

• 横向色差(LCA)可以显示，但通常用处不大，因为 InfoDR 图表通常只覆盖图像区域的中心部分。LCA 在图像边缘附近最为显著。
• 颜色准确度仅适用于 InfoDR 图表的反射式（通常是喷墨打印）或单层透射式（LVT 彩色薄膜）版本（不适用于测量动态范围的双层透射式版本）。
• 输入照度（坎德拉/米² ）时， ISO 感光度（基于饱和度和标准输出感光度）。
• 混叠和莫尔条纹的出现，是通过增强型和扩展型图表中的四对楔形区域测量得到的，其空间频率范围与单独的 ISO 12233:2017 楔形图表相同。图表和结果与楔形模块相同。

C ₄信息能力

_C4是指对比度为 4:1（光密度差ΔD = 0.6）的物体相对于背景时，单个像素或整幅图像的信息容量。它通常以每像素或每幅图像的信息比特数为单位进行测量。C4_的测量直接基于 ISO 12233 标准中规定的 4:1 对比度倾斜边缘，并进行了一些改进以提高测量的精确度和可重复性。

_C4是衡量 4:1 对比度信号中可以包含的信息量的指标。

为什么需要信息容量？

传统测量指标中最重要的是清晰度（通常用调制传递函数 (MTF) 或空间频率响应 (SFR) 表示，实际上两者是同义词）和噪声或信噪比 (SNR)。其他测量指标，例如失真、色调响应和色彩质量，可以完全或部分校正，并且与图像信息量没有直接关系。

信号和噪声功率的频域表示源自倾斜边缘的空间测量，相关内容总结在“图像信息指标”部分。本页面还包含许多指向图像信息指标文档的链接。关于计算和指标的完整描述，请参阅修订后的2024年电子成像会议论文“ 来自倾斜边缘的图像信息指标”。

为什么是 4:1 对比度？

最初的 ISO 12233 标准要求最小对比度为 50:1，但后来发现 50:1 的对比度过高，无法产生可靠的结果，因为图像经常会饱和，即达到其最大允许值（通常 8 位文件为 255，16 位文件为 65535），在饱和点附近形成一个尖锐的拐点，错误地增强了高频分量，从而影响了 MTF。10:1 的对比度看起来很像 50:1，因此很有吸引力，但它仍然容易饱和。4:1 是一种折衷方案——根据我们的经验，它仍然是一个很好的折衷方案。它的优点包括：

• 现实世界中大多数需要识别的物体对比度都不是特别高。
• 对于曝光良好的图像（即图像已线性化，去除伽马编码），当图像对比度为 4:1 时，系统运行呈线性。由于这种线性特性，即使在其他对比度水平（例如 2:1）下，也能可靠地估计性能，因为在低信噪比下测量会比较困难。

杂散光对信噪比测量的影响

传统测量和基于信息的测量中，用于计算信噪比的信号之间存在重要差异。

• 对于传统测量方法，信号s就是图像块的亮度。但杂散光会提高暗区亮度，同时模糊图像细节。这会导致信噪比测量值升高，但测量性能下降，也就是说，当存在杂散光时，暗区的测量结果不准确。可以通过将噪声除以信号随光照变化的斜率来部分缓解这种影响，就像在场景参考噪声计算中所做的那样。
• 对于_C4测量，信号s是边缘附近明暗层之间的差异。杂散光不会导致测量误差。测量结果准确可靠。

重点

C4 与标准信噪比 (SNR) 和动态范围测量之间的另一个重要区别在于， _C4测量必须保持良好的聚焦状态。传统的 SNR 测量对聚焦的要求不高，因为噪声是色块内数字值的标准偏差（并对非均匀照明进行一些补偿）。由于 C4 对聚焦的要求，有时可能需要使用大型色差图，例如可打印尺寸达 28×32 英寸的可见光-近红外 (VisNIR) 色差图，这类色差图并非设计用于充满整个视野，因此也兼容较大的视场。甚至在某些情况下，可能需要使用准直器。

HDR（高动态范围）传感器

HDR传感器具有多个工作区域，这些区域由工作曲线中的不连续点（噪声阶跃）定义，也就是说，其工作曲线与标准线性传感器不同。因此，需要外推噪声才能计算出的总信息容量C _{_max}无法可靠测量。然而，对于HDR传感器，可以直接测量无需任何假设的C_₄值却可以可靠测量。

用于测量最暗区域 MTF 和_C4的算法

InfoDR 色差图，尤其是透射式色差图，包含一些非常暗（高密度）的区域，这些区域的信噪比可能非常低，以至于无法可靠地计算 MTF。但由于色差图设计紧凑，旨在使整个有效区域的 MTF 保持相对稳定，因此我们可以采用一些技巧，在最暗的区域获得合理的 MTF 值，进而获得合理的_C4值。

尽管为了便于测量色块密度，色块按行优先顺序从上到下编号，但边缘编号（以及由此产生的MTF计算）却是从亮到暗排列的（附录中有一个示例）。MTF计算对于较亮的色块是可靠的（色块饱和的情况除外），但对于最暗的色块则不可靠。为了解决这个问题，我们将最后一次“有效”的MTF测量结果保留下来，用于最暗的色块。目前，我们将“最后一次有效测量结果”定义为：在f = 0和f = f _Nyquist （奈奎斯特频率 = 0.5 C/P）之间MTF之和（或积分）大于f _Nyquist和2× f _Nyquist之间MTF之和的最后一次MTF测量结果。这种MTF测量结果“足够好”，因为对于最暗的色块， _C4值往往非常低（通常低于每像素0.2比特），即几乎不存在。

InfoDR 图表版本

双层透射式色卡具有足够的色调范围，可以测量大多数相机的动态范围，因此可能更受欢迎。由于透射式色卡的制作精度不如反射式色卡（通常使用喷墨打印介质制作），因此需要提供单独测量的密度文件（CSV 格式，或带有色块的版本提供 CIELAB (L*a*b*) 参考文件）。

反光的 易于在喷墨介质上打印，但色调范围不足以用于测量相机动态范围。它可用于测量中等光照范围内的性能。 灰度图案包含在四个象限中，每个象限有 6 个色块，相邻色块的密度相差 0.6（对比度为 4:1）。左上象限的色块密度分别为 0、0.60、1.20 和 1.80。其余三个象限的密度分别偏移（增大）0.15、0.30 和 0.45。图案包含 24 个灰度色块和 24 条倾斜边缘。色块密度范围为 0 到 2.25（45 dB）。平均边缘密度（构成每条边缘的相邻色块密度的平均值）范围为 0.3 到 1.95（33 dB）。 新增功能（不属于信息指标的一部分）包括 标准 24 色色卡中的 18 种颜色 + 6 种肤色 + 四个对数楔形色块。 图表中心狭窄水平条带上的焦点辅助图案。
透射式LVT薄膜——1层 [注：LVT 代表光阀技术；这是一种利用激光曝光安装在旋转滚筒上的胶片，从而获得极高质量图像的工艺。] LVT 胶片的最大密度 (2.85) 比反射图表 (2.25) 大，但色调范围对于大多数相机动态范围测量来说仍然不足。 灰度图案包含在四个象限中，每个象限有7个色块，相邻象限的密度相差0.6（对比度为4:1）。左上象限的色块密度分别为0、0.60、1.20、1.80和2.40。其余三个象限的密度分别偏移（增大）0.15、0.30和0.45。该图案包含28个灰度色块和32条倾斜边缘。色块密度相对于基准密度的范围为0到2.85（57 dB）。平均边缘密度的范围为0.3到2.55（45 dB）。 包含标准 24 色色卡中的 18 种颜色 + 一种深色 + 四个对数楔形色块。 提供密度或 CIELAB (L*a*b*) CSV 参考文件。
透射式LVT薄膜——2层 灰度图案包含在六个区域中，每个区域有7个色块，相邻色块的密度相差0.6（对比度为4:1）。左上区域的色块密度分别为0、0.60、1.20、1.80和2.40。其余两个上方区域的密度分别偏移（增大）0.2和0.4。图表的下半部分是上半部分的水平镜像，但第二层的密度增加了2.40。它包含42个灰度色块和48个倾斜边缘。色块密度相对于基准密度的范围为0到5.20（104 dB）。边缘密度定义为构成边缘的相邻色块密度的平均值，范围为0.3到4.90（92 dB）。 图中颜色较深的下半部分被调亮了。否则，它在网页上会显示为全黑。 仅可见光：~400-700 纳米 最大尺寸：在 8x10 英寸的胶片上为 7.75×9.25 英寸。 42 个灰度色块；48 个倾斜边缘；没有彩色色块。 附带密度参考文件。 中心上方的楔形物起到辅助对焦的作用。 边缘密度范围 = 92 dB。传统 SNR（色块）密度范围 = 104 dB，这对于大多数相机来说已经足够，因为动态范围受限于镜头，而非传感器。（HDR 传感器的动态范围可高达 150 dB。）	双层透射式LVT（彩色）胶片图表 图表的下半部分以浅色显示。 （以下部分结果来自早期的 V1 版本，其几何形状略有不同。）
透射式可见光/近红外（光掩模）— 2 层。 可见光和近红外 (VisNIR) 色卡采用超精细半色调光掩模材料印刷，其最大密度 ( Dmax ) 高于胶片 (~3.0)，且光谱中性。覆盖可见光和红外波段，波长可达 1000 纳米以上。 尺寸比 LVT 图表大得多：最大可达 28×32 英寸。 图中颜色较深的下半部分被调亮了。否则，它在网页上会显示为全黑。 40 个灰度色块；48 个倾斜边缘；没有彩色色块。 附带密度参考文件。 中心上方的小楔形块起到辅助对焦的作用。 基于边缘的密度范围 = 138 dB。基于传统信噪比的密度范围 = 144 dB：足以满足最高动态范围摄像机的需求。	双层可见光-近红外透射图
实验性混合式 eSFR/InfoDR——这种实验性设计结合了具有良好色调和空间分辨率的图案，但由于其色调范围不足以测量相机动态范围，因此市场需求可能很小。我们将仅在客户要求时添加软件支持。

笔记

1. 由于每个密度增量 Δ D都有两条边，因此边密度范围 = ( N_边/2-1)Δ D。
2. 薄膜斑块的轻微着色对测量结果影响不大；这更多的是一个外观问题。
3. 基于长宽比 = 9.25:7.75（8x10 英寸 LVT 薄膜上有效区域的最大尺寸）

灯光

透射式图表应使用灯箱或面板进行背光照明， Imatest 商店提供多种此类产品。

反射图表——右侧图表总结了照明注意事项。目标是实现均匀、无眩光的照明。大多数情况下，20 到 45 度之间的照明角度最为理想。建议至少使用两盏灯（两侧各一盏）；四盏或六盏灯效果可能更好。避免在相机后方照明，这会导致眩光。曝光前请检查是否存在眩光以及照明是否均匀。您可以在Imatest 商店找到照明系统。

图表照明

以往大多数Imatest色调响应和动态范围图都使用相对曝光单位作为独立轴 (x)——光圈值或曝光值 (EV)；(log ₂ ( e ))、光密度 (OD；log ₁₀ ( e )) 或分贝 (dB；20×log ₁₀ ( e ))，其中e为相对曝光值。但低光照性能测量需要绝对照度测量。必须区分两种类型的绝对照度测量。（它们有时会被混淆。）

照度——到达物体（例如测试图表）的光量，即入射光，单位为勒克斯（流明/米² ）。使用入射光度计或照度计测量。仅适用于反射式测试图表。 Imatest 低照度传感器（右图）由两个通过蓝牙连接的单元组成：传感器单元（右图）和显示单元（左图）。测量范围为 0.1 至 200,000 勒克斯（Lux）。测量照度（入射光）时，通常将传感器单元的背面与测试图表表面接触，使传感器元件朝向与测试图表相同的方向。
亮度——物体发出的光，包括反射光和透射光。单位为坎德拉/平方米(cd/ m² )。这是相机实际“看到”的光。对于Imatest测量，物体可以是测试图表或灯箱。 亮度计用于测量物体发出的光，这些光可以是透射光或反射光。它们通常带有限制接收角度的光学系统。对于透射式（背光式）视力表，亮度计可以与视力表或灯箱接触（这两种情况下的读数解读方式不同）。 反射式色卡对亮度计提出了挑战。亮度计必须足够靠近色卡，以便只读取目标区域的亮度，但又必须保持足够的距离，以避免遮挡目标区域。因此，照度计是反射式色卡的首选测量工具。

对于朗伯表面（在所有方向上均匀反射光线的哑光表面），其反射率ρ = 反射光/入射光，

亮度 (cd/m ² ) = L = ρ E / π表示照度E (Lux)。

普通白纸的反射率ρ ≅ 0.92。灰度测试图的特征在于色块密度， D = -log ₁₀ ( ρ ) 或 -log ₁₀ ( τ ) 。Imatest 透射测试图（ LVT 胶片或 VisNIR 光掩模）附带一个包含测量色块密度的文件，通常为 CSV（逗号分隔变量）格式。

如果你碰巧有一个以 EV（曝光值）为单位的测光表： L u x = 2.5× ^{2 ( EV ₁₀₀ )}其中EV ₁₀₀ = EV @ ISO 100 ，其中 EV @ ISO 100 也称为光值( L _V )。

Jenkin 和 Zhao 的《自动驾驶车辆和机器的辐射度学和光度学——基本性能限制》[ 1]是一篇解释照度和亮度以及光度单位（光谱响应与人眼相似）和辐射单位（光谱响应平坦）之间区别的重要论文。 强烈推荐

传统的入射式和反射式测光表用于根据指定的曝光指数（通常称为“ISO感光度”）设置相机曝光（快门速度和光圈）。由于这类测光表的精度往往不高，因此建议使用专门用于测量照度和亮度的仪器。我们即将在Imatest商店上架一款亮度计。

测量图表照明

对于灰度图表，应测量图表照度，并将结果绘制成绝对照度水平的函数（通常以 cd/ ^m²为单位的图表亮度或以勒克斯·秒为单位的传感器曝光量）。对于用于动态范围和低光照测量的透射式图表，良好的照度测量更为重要。

（可选）可以通过测量密度参考文件中指定的色块的亮度_（h）来计算灯箱（光源）亮度L _{_source（单位为}cd/m^²） 。您需要将亮度计直接对准色块，注意不要遮挡它。（此方法不适用于非常小的色块。）灯箱（光源）亮度可以根据测得的色块亮度计算得出。公式为： L _{_source} = L_{_patch} / 10 ^{(- D _{_patch} )} ，并读取结果。 每个色块的亮度均来自密度文件和L_源。

拍摄图表

 重要提示：该图表设计用于在画面中心部分进行拍摄。
大多数情况下，它不应该填满整个画面！

如果相机允许调整曝光，测试图的曝光应控制在只有一到两个色块饱和的程度。最亮的色块曝光应刚好达到饱和或接近饱和状态。

与传统的基于信噪比的动态范围测量方法相比，存在一个显著差异：

图表必须清晰聚焦，因为边缘清晰度是 C4 信息容量测量的一部分。

这也是 VisNIR 色卡可能具有吸引力的原因之一：它可以比 LVT 胶片色卡大 3 倍（线性；面积上大 9 倍）。

图表应放置在中心位置，使活动图表区域位于图表中央。图表尺寸无需超过 1000×1200 像素。以下是一个 1000 万像素相机的示例。

尽可能在相机外部采集原始图像并将其转换为可互换的文件格式。相机生成的JPEG文件通常包含双边滤波，这种滤波会锐化边缘并平滑其他区域（非均匀处理），从而降低信息指标的准确性。

低光标准

ISO 19093是衡量低光照性能感知特性的标准，其应用场景与侧重于信息内容的Imatest InfoDR图表截然不同。许多测量结果都针对经过有意信号处理后的图像，因此处理后的图像（例如 JPEG 格式）比原始图像更适用。例如，测量内容包括暗部区域的纹理和色度损失，这两项处理通常是为了优化感知质量而有意进行的，因为暗部区域的噪声可能会非常明显。通常需要采集多张图像。

自变量为场景照度L，单位为勒克斯 (lux)。InfoDR 允许选择自变量，包括图表色块亮度（单位为坎德拉/^平方米(cd/ ^m² )）和图像传感器照度（单位为勒克斯，来自 ISO 12232 标准）。测试图表色块由其密度D指定，其中透射图表的D = _log₁₀ （入射光/透射光），朗伯反射图表的D = _log₁₀ （入射光/反射光）。请注意，亮度L（单位为 cd/ ^m² ，适用于透射图表使用的灯箱）= 照度E / π（适用于反射图表上的入射光； L = E / π ）。

附录：InfoDR图表设计和构建模块

设计目标是在紧凑的布局中同时实现近乎垂直和近乎水平的边缘，从而使相机MTF在图表的有效区域内变化不大。为此，如下所示的两组分别包含7个或8个色块的倾斜正方形构成了基本组成单元。

在每个图案中，最亮的色块（相对于基准密度，反射率ρ或透射率τ =1；密度D =0）位于右下角。相邻的两个色块（左侧和上方）的ρ或τ =1/4，即密度为0.6。与前两个色块相邻的色块的ρ或τ =1/16=1/ ^4² ，即密度为1.2。再接下来的两个色块的ρ或τ =1/64=1/ ^4³ ，即密度为1.8。如此递增，直至达到所需强度。请注意，相邻色块之间的对比度始终为4:1（密度差=ΔD=0.6；迈克尔逊对比度=(ρₙ-ρₙ₋₁)/(ρₙ + ρₙ₋₁ ) _{= 0.6 ） 。}

对于支持更高密度的介质，图表可以沿左上角对角线扩展。例如，可以在右侧图案的左上角添加两个透射率τ = 1/1024 (1/4 ⁵ ) 或D = 3.0* 的色块。（*反射式图表无法实现此密度。）

上述构建模块中 4:1 的密度步长对于测量相机在各种光照条件下的性能而言过于粗糙。为了获得更精细的步长，我们设计了包含多个区域（称为象限，共四个象限）的测试图，其中每个区域的密度与其相邻区域之间存在一个精细的偏移量，从而在整个测试图的色调范围内实现较小的步长。以下示例为反射式测试图，它包含四个象限，每个象限有 6 个色块。在这种布局下，测试图的密度范围为 0 到 2.25，密度步长为ΔD = 0.15（半档光圈）。垂直边缘显示为米色 背景的矩形；水平边缘显示为浅蓝色背景的矩形。透射式测试图在细节上有所不同：双层 LVT 测试图包含六个区域， ΔD = 0.20。20 层 VisNIR 测试图包含四个象限， ΔD = 0.30，从而实现了极高的密度范围，但代价是色调分辨率的降低。