對數 F 對比度

介紹

對數頻率對比（ Log F-Contrast ，簡稱Log Frequency-Contrast ， Imatest Studio中未包含）用於衡量訊號處理（例如降噪和銳利化）對成像系統性能的影響。它使用一張圖表來表示影像高度 h 的調製，該圖表橫軸表示空間頻率（對數頻率隨x增大而增大），縱軸表示調製。調製與 ( y/h ) ^²成正比。由於 Log F-Contrast 圖表是正弦曲線（ 而非長條圖），因此其調變等效於空間頻率比 (SFR )或調變傳遞函數 (MTF)。

Log F-Contrast可以互動式運行，也可以作為自動（批次）分析運行。

此模組對於測量軟體降噪造成的精細、低對比度細節（紋理）損失尤其重要，因為在紋理缺失的區域，這種損失會導致影像呈現「塑膠」般的質感。這種非均勻影像處理在消費性相機中很常見，尤其是在像素尺寸很小（< 2 微米）的相機（例如手機相機）中，通常採用雙邊濾波器來實現，而這種濾波器可以在Imatest 影像處理模組中進行模擬和分析。此圖表可在 Imatest 商店購買，或由Test Charts製作並使用高品質噴墨印表機列印。下圖顯示了使用佳能 EOS-20D 相機拍攝的對數頻率對比圖表影像（略有縮小）。此圖表設計於 2014 年 7 月進行了修改，以相容於Imatest 4.0+中的自動區域偵測功能。

Log F-Contrast 將圖表劃分為 25 個區域（從上到下編號），用於分析對比（MTF），並且可以多種方式顯示。採用二階插值和平滑處理來提高 MTF 計算的精度和可讀性。空間頻率由圖案匯出。

建立和列印圖表

您可以從 Imatest 商店購買對數頻率對比度圖，也可以下載該圖，或使用Imatest測試圖表建立的文件，透過高品質的照片印表機列印出來。

測試圖表提供了多種選項。對話方塊和建議設定顯示在右側。圖中展示的是 2014 年 7 月之後的圖表設計，該設計在圖表的四個角落附近添加了定位標記。

例如：右側所示的對數頻率對比度圖表佔據了使用佳能 EOS-20D 拍攝的原始影像中 3504 個水平像素中的 857 個像素。 f = 857/3504 = 0.2446。此圖表以m = 1000 週期/像素建立。圖表影像中的最大空間頻率為m_image = m / f_W = 1.17 週期/像素－略高於最佳值，但不算過高，因為最高頻率所佔的圖表空間相對較小。圖表影像的空間頻率是自動偵測的。

設定正確後，使用右下角的「測試圖表目錄」和「檔案名稱」方塊選擇 TIFF 輸出檔名，然後按一下「建立測試圖表」 。不要從預覽圖像列印。使用影像編輯器或檢視器從 TIFF 輸出檔案中列印影像，並仔細注意列印影像的尺寸和色彩管理設定。更多詳細資訊請參閱“測試圖表”部分。仔細檢查列印的圖表是否有缺陷以及影像質量，尤其是在高空間頻率區域。應將測試圖表底部 16 級灰階梯圖表中的色調與標準圖表（例如 Kodak Q-13/Q-14，密度步長為 0.1）進行比較。 （最暗區域可能存在一些差異，但 1-12 區應該非常接近。）如果色調在視覺上匹配，則正弦模式的色調是準確的。

拍攝圖表並運行程序

將圖表貼在平整的深色板上－1/2吋厚的泡棉板效果不錯；較薄的板材更容易變形。根據待分析圖表的水平像素數量，圖表應佔據水平畫面的1/3到1/4。其他圖表也可以與圖表一起貼上。

方向。雖然建議按照本頁所示的方向進行圖案旋轉，但圖案可以以 90 度的倍數旋轉：它可以是縱向的，也可以是橫向的。

使用Imatest Lab或鏡頭測試指南中所述的照明方式拍攝圖表，注意避免眩光。將影像儲存為幾種高品質格式中的任何一種，但請注意高壓縮率（低品質）的 JPEG 格式，除非您正在測試 JPEG 影像的劣化，否則這類格式會顯示影像品質下降。 （與傾斜邊緣測試不同，Log f-Contrast 測試圖能非常清楚顯示 JPEG 影像的損失）。使用 dcraw 解碼的RAW影像與相機內產生的 JPEG 影像往往會產生截然不同的結果。

對於 Rescharts（互動式）分析：開啟Imatest ，然後點選Rescharts進行互動式分析。選擇要分析的模式（在本例中為Log F 對比），方法是點擊圖表類型附近的彈出式選單中的項目，或如果顯示的是Log F 對比度，則點選「讀取影像檔案」 。 Rescharts 啟動時， “讀取影像檔案”按鈕和彈出式選單（如右圖所示）會高亮顯示（黃色背景）。選擇要讀取的圖像檔案。

對於固定（非互動式；可批次處理）分析：開啟Imatest ，然後從目標中選擇Log F-Contrast ，並將分析模式設為Auto（批次） 。選擇要分析的文件或文件批次。

如果像素大小與先前的Log F 對比度運行相同，系統會詢問您是否要使用先前的 ROI、調整先前的 ROI 或重新裁剪。

裁切：應裁切圖案，使其頂部和底部留出少量邊距（約為影像高度的 1/2 至 1%），如下圖所示。可最大化微調視窗以方便進行精細選擇。

如果選擇「是，繼續」（而非「快速模式」），則會顯示右側所示的設定視窗。

伽瑪值用於線性化測試圖。可以使用階梯圖或多圖，在 Log FC 圖案下方的 16 級灰階（0.1 密度增量）上測量伽瑪值。 0.5 是伽瑪值為 2 的色彩空間（例如 sRGB、Adobe RGB 等）的典型值。

通道為 R、G、B 或 Y（亮度；預設值）。

MTF 圖表用於選擇 x 軸刻度。如果選擇“週期/英吋”或“週期/毫米”，則需要輸入像素間距（微米/像素、像素/英吋或像素/毫米）。

線性圖的 X 軸縮放選擇要顯示的最大空間頻率。

圖表（非 Rescharts 圖表）：本節中的五個圖表以輸出圖形的形式提供。它們在下文的固定模組中被引用為圖表n。 EXIF資料顯示在圖表 1、2、3 和 5 的右側。

不必擔心所有設定都正確：您始終可以透過點擊Rescharts視窗中的「更多設定」來開啟此對話方塊。

按下「確定」後，系統將進行計算，並顯示最近選擇的內容。

輸出

如下所示的Rescharts視窗中的「顯示」方塊可讓您選擇多個顯示選項。顯示選項在「顯示」下方的框中設定。除Exif 資料外，所有顯示選項均具有通道選擇選項（紅色、綠色、藍色或亮度 (Y) (0.3R + 0.59G + 0.11B)）。

圖案（原始圖案和線性化圖案）

整個Rescharts視窗均已顯示。上方的圖表顯示的是影像頂部（共 25 行，第 1 行；調製最強處）的歸一化像素等級（位元深度為 8 時，像素等級/255）。下方的圖表（使用伽瑪設定進行線性化）允許選擇行：青色圖表顯示的是圖表的頂部（調製最強處）。請注意，以黑色顯示的第 10 行的銳利化程度遠低於調製最強的第 1 行（0.2 週期/像素附近的峰值遠小於後者）。

MTF

右側顯示器以線性頻率標尺顯示了圖表中幾個對比度帶（行）的未歸一化MTF 曲線。此圖表分為 25 行進行分析，最高調變位於頂部，最低調變位於底部。顯示的 MTF 曲線對應第 1、4、7、10、13、16、19 和 22 行。深色線條經過了高度平滑處理。淺色虛線為未平滑處理的結果：其細節是由相位變化和雜訊引起的計算偽影，不具有實際意義。可以在繪圖設定區域的下拉式選單中選擇未歸一化或歸一化的曲線。按下「更多設定」按鈕，可設定最大顯示頻率、顯示比例（週期/像素、週期/毫米、週期/英吋或 LW/PH（每個影像高度的線寬，其中 2 個線寬 = 1 個週期或線對））和伽瑪值。圖下方的文字顯示了調製和對比度（低空間頻率）以及 MTF nn和 MTF nn P（響應分別下降到低頻和峰值nn % 的空間頻率），其中nn = 50%、20% 和 10%，以及第 1、4、7、10、13、16 和 19 行。相同的結果出現在二維偽彩色和 MTF nn顯示下方。

MTF：Panasonic TZ1，ISO 200，線性頻率標度

右側顯示器顯示了相同的 MTF 結果，這些結果已歸一化並以對數頻率刻度繪製。歸一化使得比較 MTF 衰減和直觀地確定 MTF<sub> nn</sub>更容易。影像的垂直壓縮版本顯示在圖表上方。第 22 行（調製極低）已被省略，因為歸一化會過度放大噪聲，無法接受。影像下方的表格顯示了每一行的調變、對比、MTF<sub> nn </sub> 和 MTF<sub> nn</sub> P 值。

MTF：Panasonic TZ1，ISO 200，對數頻率標度

MTF/對比（2D偽彩色輪廓）

此選項可產生最詳細的結果。它包含以下幾個選項：

參數決定要顯示哪個參數。歸一化對比等級是最常用的選擇。

範圍	描述
調製（未歸一化）	圖表顯示 MTF ，其隨圖表調製（二維偽彩色顯示中的垂直位置）而降低。圖表被分成 25 行進行分析。低空間頻率下的 MTF 等於圖表調變。
MTF（歸一化 - 最有用的顯示）	在所有圖表對比等級下，顯示低空間頻率下歸一化為 1 的 MTF 值。這是最常用的顯示方式，因為它清楚地展示了反應如何隨對比度等級變化。 在採用均勻訊號處理的相機中（即，無論影像中是否存在邊緣，都採用相同的銳利化和降噪處理），輪廓線應該是垂直的。大多數相機在存在對比度高的邊緣時會進行銳化（高頻增強），而在不存在邊緣時則會進行降噪（高頻衰減）。這一點在右側的顯示器上很明顯（下文將詳細解釋）。 下表列出了調變和圖表對比標度之間的關係。更多範例請參考Imaging Resource 的 Log F-Contrast 文件。	固定模組中的圖 4
歸一化對比損失	顯示歸一化至 1 的 MTF 在低空間頻率下，所有圖表對比等級均適用，且 在所有空間頻率下達到最大對比等級（圖表頂部）。 結果可能難以解釋，尤其是在有噪音的情況下。

樣式選擇頻率刻度以及是否在主顯示幕右側顯示色條。

Imaging-Resource 網站上的 Log F-Contrast 銳利度和紋理分析，利用從Imaging-Resource.com下載的影像，透過MTF（歸一化）曲線，比較了多台相機在銳化和降噪處理下的效果。訊號處理方面的差異非常顯著。
右側顯示器顯示了松下TZ1相機在ISO感光度設定為80（右）和800（右下）時的歸一化對比（所有圖表調變等級下，低空間頻率的MTF歸一化為1）。空間頻率以線性標尺顯示，最大頻率為0.5週期/像素 = 1920線寬/像素（奈奎斯特頻率；可按「更多設定」按鈕選擇）。右側影像（ISO 80）顯示，在中高調變等級下，影像銳利化程度顯著提高：當圖表調變（顯示在左側標尺）大於0.18時，峰值歸一化調變超過1.1（對比度約為1.3:1；顯示在影像內部，行號左側）。隨著圖表調製的增加，銳利化程度逐漸降低，這由調製超過0.2時0.9到0.1之間略微傾斜的等高線表示。

圖 4 為固定模組

標準化對比：Panasonic TZ1，ISO 80

兩張照片的差異非常顯著。在 ISO 800 下，TZ1 的銳利化程度更低，降噪程度更高，因此細節也相應減少。銳利化程度隨對比度的增加而下降的速度比 ISO 80 下更快，這可以從傾斜度更大的輪廓線看出。

標準化對比：Panasonic TZ1，ISO 800

MTFnn（MTF = nn% 低頻或峰值的頻率）

此選項可產生該模組結果的簡要摘要。它有以下幾個選項：

右側圖表顯示了松下TZ1相機在ISO感光度設定為80（右圖）和800（右下圖）時的MTF70至MTF10曲線，單位為週期/像素。這些曲線與上方歸一化對比曲線圖源自相同的影像。 MTF nn單位（週期/像素、週期/毫米、週期/英吋或線寬/像素）可透過「更多設定」按鈕進行選擇。	MTF70-MTF10：PanasonicTZ1，ISO 80
在 ISO 800 下，TZ1 的 MTF nn 值在nn從 70 到 10 的所有範圍內都顯著降低。請注意，縱座標刻度不同：上方為 0.5（ISO 80），右側為 0.35（ISO 800）。此外， MTF nn 值隨對比度的增加下降得更快；這表明降噪效果更強，即採用了非線性訊號處理。 MTF nn曲線圖比上方的二維偽彩色等高線圖更清晰地展示了不同設定（本例中為 ISO 80 和 800）下的性能變化，儘管（或者正因為）它包含的細節較少。	MTF70-MTF10：PanasonicTZ1，ISO 800

計算詳情

如下圖所示，二階插值用於檢測空間頻率在 0.06 到 0.5 週期/像素之間的峰值。它能提高採樣點之間偵測到的峰值的幅度。在較低頻率下，由於訊號變化緩慢，它對提高精度的作用不大。此外，在奈奎斯特頻率 (0.5 週期/像素) 以上，由於訊號主要由雜訊和混疊組成，因此二階插值也無濟於事。圖中的紅點表示經二階插值校正後的峰值幅度（未校正的峰值位置）。

假設峰值及其兩個^相鄰點符合方程式y = ax² + bx + c 。實際峰值位置為xp = -b / 2a （ x2已在上圖顯示）。峰值振幅為_{ap =} b² ^/ _2a + c 。

MTF 和莫爾條紋顯示包含兩條曲線：未平滑曲線（細虛線）和平滑曲線（粗實線）。平滑曲線被重點展示，因為未平滑曲線中的粗糙度完全是計算過程中的人為因素，由取樣相位和雜訊引起——單一峰值上的雜訊也會導致不規則性。二階插值可以減少這些不規則性，但無法完全消除。需要注意的是，未平滑曲線的特徵沒有任何物理意義。

頻率顯示：設_x1和_x2分別為 x 軸的左右極限， _f1和_f2分別為最小和最大顯示頻率。那麼，

顯示頻率 =  在哪裡

在對數 F 對比度中，頻率會自動偵測。頻率比 ( _f2 / _f1 ) 在測試圖表中建立圖表時指定。