对数 F 对比度

介绍

对数频率对比度（ Log F-Contrast ，简称Log Frequency-Contrast ， Imatest Studio中未包含）用于衡量信号处理（例如降噪和锐化）对成像系统性能的影响。它使用一张图表来表示图像高度 h 的调制，该图表横轴表示空间频率（对数频率随x增大而增大），纵轴表示调制。调制与 ( y/h ) ^²成正比。由于 Log F-Contrast 图表是正弦曲线（ 而非条形图），因此其调制等效于空间频率比 (SFR )或调制传递函数 (MTF)。

Log F-Contrast可以交互式运行，也可以作为自动（批量）分析运行。

该模块对于测量软件降噪造成的精细、低对比度细节（纹理）损失尤为重要，因为在纹理缺失的区域，这种损失会导致图像呈现“塑料”般的质感。这种非均匀图像处理在消费级相机中很常见，尤其是在像素尺寸很小（< 2 微米）的相机（例如手机摄像头）中，通常采用双边滤波器来实现，而这种滤波器可以在Imatest 图像处理模块中进行模拟和分析。该图表可在 Imatest 商店购买，或由Test Charts制作并使用高质量喷墨打印机打印。下图显示了使用佳能 EOS-20D 相机拍摄的对数频率对比度图表图像（略有缩小）。该图表设计于 2014 年 7 月进行了修改，以兼容Imatest 4.0+中的自动区域检测功能。

Log F-Contrast 将图表划分为 25 个区域（从上到下编号），用于分析对比度（MTF），并可以多种方式显示。采用二阶插值和平滑处理来提高 MTF 计算的精度和可读性。空间频率由图案导出。

创建和打印图表

您可以从 Imatest 商店购买对数频率对比度图，也可以下载该图，或者使用Imatest测试图表创建的文件，通过高质量的照片打印机打印出来。

测试图表提供了多种选项。对话框和推荐设置显示在右侧。图中展示的是 2014 年 7 月之后的图表设计，该设计在图表的四个角附近添加了定位标记。

例如：右侧所示的对数频率对比度图表占据了使用佳能 EOS-20D 拍摄的原始图像中 3504 个水平像素中的 857 个像素。f = 857/3504 = 0.2446。该图表以m = 1000 周期/像素创建。图表图像中的最大空间频率为m_{_image} = m / f_W = 1.17 周期/像素——略高于最佳值，但并不算过高，因为最高频率所占的图表空间相对较小。图表图像的空间频率是自动检测的。

设置正确后，使用右下角的“测试图表目录”和“文件名”框选择 TIFF 输出文件名，然后单击“创建测试图表” 。不要从预览图像打印。使用图像编辑器或查看器从 TIFF 输出文件中打印图像，并仔细注意打印图像的尺寸和色彩管理设置。更多详细信息请参见“测试图表”部分。仔细检查打印的图表是否存在缺陷以及图像质量，尤其是在高空间频率区域。应将测试图表底部 16 级灰阶阶梯图表中的色调与标准图表（例如 Kodak Q-13/Q-14，密度步长为 0.1）进行比较。（最暗区域可能存在一些差异，但 1-12 区应该非常接近。）如果色调在视觉上匹配，则正弦模式的色调是准确的。

拍摄图表并运行程序

将图表粘贴在平整的深色板上——1/2英寸厚的泡沫板效果不错；较薄的板材更容易变形。根据待分析图表的水平像素数量，图表应占据水平画面的1/3到1/4。其他图表也可以与图表一起粘贴。

方向。虽然建议按照本页所示的方向进行图案旋转，但图案可以以 90 度的倍数旋转：它可以是纵向的，也可以是横向的。

使用Imatest Lab或镜头测试指南中描述的照明方式拍摄图表，注意避免眩光。将图像保存为几种高质量格式中的任意一种，但要注意高压缩率（低质量）的 JPEG 格式，除非您正在测试 JPEG 图像的劣化，否则这类格式会显示图像质量下降。（与倾斜边缘测试不同，Log f-Contrast 测试图能非常清晰地显示 JPEG 图像的损失）。使用 dcraw 解码的RAW图像与相机内生成的 JPEG 图像往往会产生截然不同的结果。

对于 Rescharts（交互式）分析：打开Imatest ，然后点击Rescharts进行交互式分析。选择要分析的模式（在本例中为Log F 对比度），方法是点击图表类型附近的弹出菜单中的条目，或者如果显示的是Log F 对比度，则点击“读取图像文件” 。Rescharts 启动时， “读取图像文件”按钮和弹出菜单（如右图所示）会高亮显示（黄色背景）。选择要读取的图像文件。

对于固定（非交互式；可批量处理）分析：打开Imatest ，然后从目标中选择Log F-Contrast ，并将分析模式设置为Auto（批量） 。选择要分析的文件或文件批次。

如果像素大小与之前的Log F 对比度运行相同，系统会询问您是否要使用之前的 ROI、调整之前的 ROI 或重新裁剪。

裁剪：应裁剪图案，使其顶部和底部留出少量边距（约为图像高度的 1/2 至 1%），如下图所示。可最大化微调窗口以方便进行精细选择。

如果选择“是，继续”（而非“快速模式”），则会显示右侧所示的设置窗口。

伽玛值用于线性化测试图。可以使用阶梯图或多图，在 Log FC 图案下方的 16 级灰阶（0.1 密度增量）上测量伽玛值。0.5 是伽玛值为 2 的色彩空间（例如 sRGB、Adobe RGB 等）的典型值。

通道为 R、G、B 或 Y（亮度；默认值）。

MTF 图表用于选择 x 轴刻度。如果选择“周期/英寸”或“周期/毫米”，则需要输入像素间距（微米/像素、像素/英寸或像素/毫米）。

线性图的 X 轴缩放选择要显示的最大空间频率。

图表（非 Rescharts 图表）：本节中的五个图表以输出图形的形式提供。它们在下文的固定模块中被引用为图表n。EXIF数据显示在图表 1、2、3 和 5 的右侧。

不必担心所有设置都正确：您始终可以通过单击Rescharts窗口中的“更多设置”来打开此对话框。

按下“确定”后，系统将进行计算，并显示最近选择的内容。

输出

如下所示的Rescharts窗口中的“显示”框允许您选择多个显示选项。显示选项在“显示”下方的框中设置。除Exif 数据外，所有显示选项均具有通道选择选项（红色、绿色、蓝色或亮度 (Y) (0.3R + 0.59G + 0.11B)）。

图案（原始图案和线性化图案）

整个Rescharts窗口均已显示。上方的图表显示的是图像顶部（共 25 行，第 1 行；调制最强处）的归一化像素级别（位深度为 8 时，像素级别/255）。下方的图表（使用伽马设置进行线性化）允许选择行：青色图表显示的是图表的顶部（调制最强处）。请注意，以黑色显示的第 10 行的锐化程度远低于调制最强的第 1 行（0.2 周期/像素附近的峰值远小于后者）。

MTF

右侧显示屏以线性频率标尺显示了图表中几个对比度带（行）的未归一化MTF 曲线。该图表被分为 25 行进行分析，最高调制位于顶部，最低调制位于底部。显示的 MTF 曲线对应第 1、4、7、10、13、16、19 和 22 行。深色线条经过了高度平滑处理。浅色虚线为未平滑处理的结果：其细节是由相位变化和噪声引起的计算伪影，不具有实际意义。可以在绘图设置区域的下拉菜单中选择未归一化或归一化的曲线。按下“更多设置”按钮，可以设置最大显示频率、显示比例（周期/像素、周期/毫米、周期/英寸或 LW/PH（每图像高度的线宽，其中 2 个线宽 = 1 个周期或线对））和伽玛值。图下方的文字显示了调制和对比度（低空间频率）以及 MTF nn和 MTF nn P（响应分别下降到低频和峰值nn % 的空间频率），其中nn = 50%、20% 和 10%，以及第 1、4、7、10、13、16 和 19 行。相同的结果出现在二维伪彩色和 MTF nn显示下方。

MTF：松下 TZ1，ISO 200，线性频率标度

右侧显示屏显示了相同的 MTF 结果，这些结果已归一化并以对数频率刻度绘制。归一化使得比较 MTF 衰减和直观地确定 MTF<sub> nn</sub>更为容易。图像的垂直压缩版本显示在图表上方。第 22 行（调制极低）已被省略，因为归一化会过度放大噪声，无法接受。图像下方的表格显示了每一行的调制、对比度、MTF<sub> nn </sub> 和 MTF<sub> nn</sub> P 值。

MTF：松下 TZ1，ISO 200，对数频率标度

MTF/对比度（2D伪彩色轮廓）

此选项可生成最详细的结果。它包含以下几个选项：

参数决定要显示哪个参数。归一化对比度级别是最常用的选择。

范围	描述
调制（未归一化）	图表显示 MTF ，其随图表调制（二维伪彩色显示中的垂直位置）而降低。图表被分为 25 行进行分析。低空间频率下的 MTF 等于图表调制。
MTF（归一化 - 最有用的显示）	在所有图表对比度级别下，显示低空间频率下归一化为 1 的 MTF 值。这是最常用的显示方式，因为它清晰地展示了响应如何随对比度级别变化。 在采用均匀信号处理的相机中（即，无论图像中是否存在边缘，都采用相同的锐化和降噪处理），轮廓线应该是垂直的。大多数相机在存在对比度高的边缘时会进行锐化（高频增强），而在不存在边缘时则会进行降噪（高频衰减）。这一点在右侧的显示屏上很明显（下文将详细解释）。 下表列出了调制和图表对比度标度之间的关系。更多示例请参见Imaging Resource 的 Log F-Contrast 文档。	固定模块中的图 4
归一化对比度损失	显示归一化至 1 的 MTF 在低空间频率下，所有图表对比度级别均适用，并且 在所有空间频率下达到最大对比度水平（图表顶部）。 结果可能难以解释，尤其是在存在噪声的情况下。

样式选择频率刻度以及是否在主显示屏右侧显示颜色条。

Imaging-Resource 网站上的 Log F-Contrast 锐度和纹理分析，利用从Imaging-Resource.com下载的图像，通过MTF（归一化）曲线，比较了多台相机在锐化和降噪处理下的效果。信号处理方面的差异非常显著。
右侧显示屏显示了松下TZ1相机在ISO感光度设置为80（右）和800（右下）时的归一化对比度（所有图表调制级别下，低空间频率的MTF归一化为1）。空间频率以线性标尺显示，最大频率为0.5周期/像素 = 1920线宽/像素（奈奎斯特频率；可通过按“更多设置”按钮选择）。右侧图像（ISO 80）显示，在中高调制级别下，图像锐化程度显著提高：当图表调制（显示在左侧标尺中）大于0.18时，峰值归一化调制超过1.1（对比度约为1.3:1；显示在图像内部，行号左侧）。随着图表调制的增加，锐化程度逐渐降低，这由调制超过0.2时0.9到0.1之间略微倾斜的等高线表示。

图 4 为固定模块

标准化对比度：松下 TZ1，ISO 80

两张照片的差异非常显著。在 ISO 800 下，TZ1 的锐化程度更低，降噪程度更高，因此细节也相应减少。锐化程度随对比度的增加而下降的速度比 ISO 80 下更快，这可以从倾斜度更大的轮廓线看出。

标准化对比度：松下 TZ1，ISO 800

MTFnn（MTF = nn% 低频或峰值的频率）

此选项可生成该模块结果的简要摘要。它有以下几个选项：

右侧图表显示了松下TZ1相机在ISO感光度设置为80（右图）和800（右下图）时的MTF70至MTF10曲线，单位为周期/像素。这些曲线与上方归一化对比度曲线图源自相同的图像。MTF nn单位（周期/像素、周期/毫米、周期/英寸或线宽/像素）可通过“更多设置”按钮进行选择。	MTF70-MTF10：松下TZ1，ISO 80
在 ISO 800 下，TZ1 的 MTF nn 值在nn从 70 到 10 的所有范围内都显著降低。请注意，纵坐标刻度不同：上方为 0.5（ISO 80），右侧为 0.35（ISO 800）。此外， MTF nn 值随对比度的增加下降得更快；这表明降噪效果更强，即采用了非线性信号处理。MTF nn曲线图比上方的二维伪彩色等高线图更清晰地展示了不同设置（本例中为 ISO 80 和 800）下的性能变化，尽管（或者正因为）它包含的细节较少。	MTF70-MTF10：松下TZ1，ISO 800

计算详情

如下图所示，二阶插值用于检测空间频率在 0.06 到 0.5 周期/像素之间的峰值。它能提高采样点之间检测到的峰值的幅度。在较低频率下，由于信号变化缓慢，它对提高精度的作用不大。此外，在奈奎斯特频率 (0.5 周期/像素) 以上，由于信号主要由噪声和混叠组成，因此二阶插值也无济于事。图中的红点表示经二阶插值校正后的峰值幅度（未校正的峰值位置）。

假设峰值及其两个^相邻点符合方程y = ax² + bx + c 。实际峰值位置为xp = -b / 2a （ x2已在上图中显示）。峰值振幅为_{ap =} b² ^/ _2a + c 。

MTF 和莫尔条纹显示包含两条曲线：未平滑曲线（细虚线）和平滑曲线（粗实线）。平滑曲线被重点展示，因为未平滑曲线中的粗糙度完全是计算过程中的人为因素，由采样相位和噪声引起——单个峰值上的噪声也会导致不规则性。二阶插值可以减少这些不规则性，但无法完全消除。需要注意的是，未平滑曲线的特征没有任何物理意义。

频率显示：设_x1和_x2分别为 x 轴的左右极限， _f1和_f2分别为最小和最大显示频率。那么，

显示频率 =  在哪里

在对数 F 对比度中，频率会自动检测。频率比 ( _f2 / _f1 ) 在测试图表中创建图表时指定。