使用阶梯图

注意:此功能将在未来的版本中弃用。

 

Stepchart使用以下方式测量数码相机和扫描仪的色调响应、噪声、动态范围和ISO 感光度:

Stepchart还可以测量眩光(镜头光晕的敏感性)。

大多数阶梯图功能现已包含在“颜色/色调设置”和“颜色/色调自动”模块中(后者是一个固定的、支持批量处理的模块,其计算方式与“设置”模块相同)。这两个模块都比较新,提供了更多结果图以及噪声和动态范围分析功能。建议在新项目中使用这些模块。
新闻:早已存在的非均匀性校正功能已被记录在案。
Imatest 5.1(自 2018 年 12 月起)
改进了曝光误差计算,使其在不同的对比度(伽马)值范围内更加一致。详情请点击此处。
Imatest 5.1 的
所有
阶梯图功能(包括时间噪声)现已集成到“颜色/色调自动”模式中。其中大部分功能已包含在Imatest 4.0中。
可以在运行Stepchart之前通过Stepchart 图表选择(在设置下拉菜单中)选择Stepchart图表类型。
支持使用 36 色块动态范围、ISO 14524(带注册标记)和 ISO 15739(带注册标记)图表进行自动区域检测。  

Image of the Q-13 Gray scale

此灰阶图 最初是为柯达 Q-13 和 Q-14 灰阶卡设计的。这两种灰阶卡价格低廉,尺寸分别为 8 英寸和 14 英寸,包含 20 个区域,编号为 0-19,光密度从 0.05 到 1.95,步长为 0.1(反射率从 0.891 到 0.011)。灰阶卡印在半光泽表面上。右侧的 Q-13 图像拍摄时略微失焦,以最大程度地减少灰阶卡纹理产生的噪点。

Imatest Master 的附加(多行或圆形)图表

如下所示,Imatest Master 可以分析几个单色目标图像。要运行这些图像分析,请打开图像文件,然后按照“特殊/ISO 目标步骤图”中的说明,选择目标图像中关键特征的大致感兴趣区域。您还可以通过其他对话框指定目标类型并优化裁剪区域。

QA-61
QA-61 ISO-
16067-1 扫描仪
QA-62靶
QA-62
ST-51靶标
ST-51
EIA 灰度图
ST-52靶标
ST-52 ISO-
14524 12-patch
OECF目标
ISO-15739 噪声目标
ISO-15739
噪声目标
Imatest 36 补丁 DR 或 HDR 目标
Imatest 36 补丁
DR 或 HDR 目标
20块地块的OECF目标作物
20 补丁 OECF
目标
ITE灰度目标
ITE灰度
Imatest SFRplus SQ-20 模式
SFRplus 20 片装
步骤图

拍摄图表

  • 光线。确保光线均匀且无眩光。光照均匀度可使用 照度计(勒克斯)进行测量。建议照度变化不超过±5%。如果可能,阶梯图周围应为灰色或黑色,以最大程度地减少眩光(除非您正在测量眩光)。对于具有自动曝光功能的相机,建议使用18%灰度的周围环境。
    • 对于反射式色差图,应尽可能减少来自相机后方的光线——这会导致眩光并使图像色调扁平化。建议至少使用两盏入射角约为 20-45° 的灯。照明建议可参考 《构建低成本 测试实验室》一书。尤其要注意避免 Q-13/Q-14 色差图右侧暗区出现眩光;使用广角镜头时可能难以避免。光线不应突出色差图的纹理,否则会导致噪声测量误差。
    • 对于透射式海图,应尽可能减少杂散光照射到海图正面。必要时可使用黑色窗帘。
  • 对焦。为了尽量减少因色块纹理造成的噪声测量误差,图表可以略微失焦拍摄。这里强调的是“略微” ——色块之间的边界应该保持清晰。
  • 距离。距离并非关键因素。图表图像的宽度应不超过总图像宽度的三分之二左右,以最大程度地减少暗角(光线衰减,使用广角镜头时可能较为严重)。如果每个色块宽度为 50 像素,则噪声分析最为精确,但对于低分辨率相机,较小的色块也足够。增大色块尺寸可以在一定程度上提高噪声测量的精度,但对于超过 100 像素宽的色块,精度提升有限。只要各个区域清晰可见,即使使用非常小的图像也可以测量色调响应。
  • 拍摄图表照片。
  • 将图像保存为 RAW 文件、TIFF 或高质量 JPEG 格式,然后将其加载到您的计算机上。可以使用dcraw (用于商业文件)或Read Raw (用于二进制文件)转换 RAW 图像。如果您使用其他 RAW 转换器,请转换为 JPEG(最高质量)、TIFF 或 PNG 格式。
步进图_图表_选择
阶梯图选择窗口

运行步骤图

  • 运行Imatest 。
  • 打开“设置”并选择“步进图选择”可以简化步进图的设置。这将打开步进图图表选择窗口(如右图所示),您可以在运行步进图之前选择线性(单行)或非线性(多行)图表类型。这有助于自动区域检测。
  • 从目标中选择阶梯图。
  • 使用对话框打开输入文件。Imatest 会记住上次打开的输入文件的目录名称(每个模块单独记住)。

多文件选择在Imatest Master中,可以使用标准的 Windows 操作方式(按住 Shift 键并单击或按住 Control 键并单击)选择多个文件。根据您在多图像对话框中的设置,您可以将多个文件合并(取平均值)或按顺序运行它们(批处理模式)。

合并(平均)文件可用于测量固定模式噪声(建议至少拍摄 8 张相同的低 ISO 感光度图像)。合并后的文件可以保存。其名称与第一个选定的文件相同,并附加后缀“_comb_n”,其中 n 为合并的文件数量。

批量模式允许按顺序分析多个文件。它有三个要求:文件必须 (1) 位于同一文件夹中,(2) 具有相同的像素大小,以及 (3) 相同的取景。对于第一张图像,设置窗口与标准非批量运行相同。后续运行使用相同的设置。由于无需用户输入,因此运行速度非常快。

可以通过选择 2 个相同(但分别采集)的阶梯图图像文件,然后在“多图像文件列表”对话框中选择“读取两个文件以测量时间噪声”来测量时间噪声(表示图像之间差异的噪声) 。

需要注意的是:在大多数计算机上,当打开的图像文件超过二十个时,Imatest 的运行速度会显著降低。因此,我们建议勾选“保存后关闭图像文件”复选框,并保存结果。这样可以批量处理大量图像文件,而不会导致计算机运行缓慢。

  • 裁剪图像。裁剪宽高比决定了分析的是线性(单行)图表还是非线性(多行)图表。对于线性图表,如下所示的“区域检测”设置决定了如何选择区域,从而决定了裁剪方式。
    • 如果取消选中“自动” (或对于非线性图表),则“微调”窗口中会显示每个色块的小蓝色矩形,即您可以立即看到选定的区域。对于线性图表,您需要手动输入色块的数量。
    • 选中“自动”选项后,图像块将自动定位:区域选择过程中不会显示矩形框。由于这可能会导致图像噪声较大或图像较暗时出现问题,因此我们建议不要选中“自动(区域检测)”选项。
  • 要测量眩光,必须取消选中“自动” 。在右侧的下拉菜单中进行适当的选择,然后选择 21 个区域(对于 Q14)(灰阶色块总数加一)。

典型的裁剪区域(用于自动区域检测)显示在右侧,以红色矩形框标出。方向无需正确;Imatest 会自动将图像旋转到正确方向。要正确显示曝光误差(仅限反射目标),请选择整个图表,包括可能存在的任何高光裁剪区域。如果裁剪区域的宽高比(长/宽)小于 4:1,则会显示一个用于设置非线性(多行或圆形)图表的窗口(适用于Imatest Master和IS )。如果您计划使用手动区域检测(在下方的“阶梯图输入”对话框中选择),则可以进行近似选择:在“阶梯图设置”窗口之后会打开一个“微调”窗口,以便您进一步调整裁剪区域。


柯达/蒂芬 Q-13 图表的裁剪图

Stouffer T4110 图表的裁剪图(去掉倾斜效果更好)。
  • 对步骤图设置框进行任何必要的更改。

阶梯图设置

您可以选择“专家模式”或“简易模式”打开设置窗口。在简易模式下,许多设置选项会显示为灰色,无法进行设置。如果您选择“标准设置” ,则会选中常用设置(推荐给初学者)。

标题默认为文件名。欢迎添加有用的描述性文字。

默认情况下选择密度步长为 0.10 的 A 型反射目标图(Q-13/Q-14)。如果您使用的是透射目标图,请务必选择正确的目标类型。在Imatest Master和IS中,您可以从文本文件(每行一个密度值)或 CGATS 文件(其中可能包含 L*a*b* 值的密度值)中输入密度表。必须取消选中“自动”(默认)才能启用眩光测量。(请参阅下文“动态范围”。)

步骤图设置
步进图设置窗口

非均匀性校正(自Imatest 3.9 版本起可用)允许您使用在相同条件下拍摄的单独平场图像来校正非均匀照明。这将打开“非均匀性校正”窗口,该窗口在灰度和彩色图表模块的“非均匀性校正”部分中进行了描述。

区域检测:对于线性(单行)图表,您可以通过勾选“自动”复选框来选择自动或手动区域检测。如果未勾选“自动” ,则可以使用滑块为阶梯图分析选择固定数量的色块(6-41),点击“确定”后会出现一个精细的 ROI 调整框。当暗部噪声较高或需要计算眩光时,此选项非常有用。(也可以在“设置”中的“ROI 选项”下设置区域检测。)我们强烈建议您不要勾选“自动(区域检测)”。

stepchart_fine_roi
精细 ROI 选择(对话框详情)可让您预览区域位置:详情请点击此处。

入射光勒克斯值(用于ISO 感光度计算):当在此框中输入以勒克斯为单位的入射光强度正值(非空白或零)时,系统将计算 ISO 感光度并在阶梯图噪声细节图中显示。更多详情请参见“ISO 感光度和曝光指数”页面。如果 X 轴刻度选择“勒克斯”,则也需要填写此值(图 2-4)。

要使图 2-4 的 x 轴以勒克斯 (Lux) 为单位显示,必须输入光圈和曝光值。通常情况下,如果可用,这些值会从 EXIF 数据中获取;但如果需要,也可以手动输入。

饱和度级别:输入图像的最大像素级别,对应于饱和度级别,用于对图像数据进行归一化以进行某些计算。选项:

标准文件:255饱和度级别会根据图像数据的数据类型和容器大小自动设置。这是默认设置。图像文件假定具有标准位深度(例如,8 位、16 位或 32 位数据)和标准饱和度级别。例如,对于标准的 8 位图像数据,饱和度级别将设置为 255。对于 16 位图像,饱和度级别将设置为 65535,而对于 32 位图像,饱和度级别将设置为 4294967295。
ITU-R 建议 601 (BT.601): 235饱和度设置为 235。
检测到的最大补丁级别饱和度级别设置为从图像中的色块区域检测到的最大值。如果图像数据的位深度不标准(例如,12 位数据存储在 16 位容器中),或者存在自定义饱和度级别,只要图像曝光足以使最亮的色块达到饱和状态,此方法就非常有用。
手动输入的饱和度水平饱和度级别设置为用户输入的值。如果图像数据的位深度不标准,或者存在自定义饱和度级别,则此功能非常有用。例如,对于存储在 16 位容器中的 12 位数据的图像,饱和度级别应输入 4095(2^12 - 1 = 4095)。

缩放:您可以选择图 2 和图 3 中 x 轴的最小值。此设置默认为“自动” 。手动设置可使多次连续运行的结果以相同的比例缩放,这有助于更清晰地比较不同相机拍摄的结果。

结果(图 1),下图:像素噪声第一幅图的左下角有三种噪声显示方式。

噪声(%)归一化至图像密度范围 = 1.5(不推荐)
取值范围为 0-1。(此设置是对场景参考噪声的近似值,不再推荐使用。)
噪声(%),归一化至 255 像素(最大值 100)
取值范围为 0-1。对比度越高的相机,噪声越严重(受伽马编码影响)。
像素噪声(最大值 255)数值范围为0-255。

噪声细节(图 2),中间图:光圈噪声或信噪比。图 2 左侧中间图有两种显示方式。结果已消除渐变照明不均匀性的影响。

光圈噪声基于光圈值(曝光或照明的 2 倍因子)的场景参考噪声
信噪比(基于光圈值)场景参考信噪比,基于光圈值。请注意,信噪比的定义方式有很多种,大多数都是基于图像(或像素)的。结果与下图所示的信噪比(更标准的信噪比)有所不同。

缩放比例(最小值和最大值)可以在单选按钮右侧的下拉菜单中设置。大多数情况下,这些值应保留为“自动” 。当显示模式在光圈值、噪声和信噪比之间切换时,这些值会反转。例如,图 2 和图 3 中 x 轴的最小值都可以设置在 -4 到 -1.5 之间。

噪声细节(图 2),下图:像素噪声或信噪比。图 2 左下角的图表提供了五种显示方式。前三种与图 1 的下图相同。噪声结果已消除渐变光照不均匀性的影响。所有显示方式均源自像素噪声(下文第三种选择)。在下文的符号中, N <sub>i </sub> 表示 RMS 噪声, S <sub>i </sub> 表示图像块 i 的信号(像素)电平。

噪声(%)已归一化至图像密度范围 = 1.5 100% *(像素噪声)除以(明暗色块之间像素级差值,其中明暗色块的密度差为 1.5)。该差值接近ColorChecker中的 1.45 黑白差值。其优点在于,它将噪声与场景关联起来:噪声性能不受相机对比度的影响。
噪声(%),归一化至 255 像素(最大值 100) 100% * (像素噪声) / 255 = N i /2.55。取值范围为 0-100。对于对比度较高的相机,此噪声测量结果会更差。(受伽马编码影响。)
像素噪声(最大值 255)像素噪声( N i )。取值范围为 0-255。
像素信噪比(信号强度/均方根噪声)无量纲像素噪声( N i )。取值范围为 0-255。
像素信噪比 (dB) (20*log10(S/N))每个色块的信噪比为 20 Log10(信噪比)(其中信号强度 = 像素级)。单位为分贝 (dB)。信噪比翻倍,分贝测量值增加 6.02。
此选项还会显示 SNR_BW。SNR_BW 是基于白-黑色块级别(密度差 = 1.5)的平均信噪比,接近于ColorChecker中的白平衡差。它的设计使其相对独立于色卡类型和系统对比度(伽马值)。
SNR_BW = 20 log 10( ( S WHITE - S BLACK )/ N mid ),其中N mid是中间灰块中的噪声(最接近标称图表密度 = 0.7)。

X 轴刻度(图 2-4)和动态范围单位(图 2)有多种选择,包括密度单位、EV、勒克斯(如果入射勒克斯、光圈和曝光值可用)以及 dB(分贝:20 × 密度单位)。动态范围单位可能与刻度单位相同,也可能不同。旧的默认设置是刻度以对数曝光为单位,动态范围以 EV 为单位(第一个选项)。注意:1 个密度单位 = 3.322 EV = 20 dB;1 EV = 6.02 dB。选项:

x轴表示曝光量(-目标密度)的对数。动态范围单位为EV。
x 轴单位为勒克斯(入射勒克斯/10^密度)。动态范围单位为 EV。
x轴表示曝光量(单位:dB,-20*目标密度)。动态范围(单位:dB)。
x轴表示曝光量对数。动态范围以密度单位表示。
x 轴的 F 值(EV)。动态范围以 EV(F 值)表示。

右侧的“绘图”框允许您选择要显示的图形。要获得时间噪声图,需要读取两个文件。

所有设置完成后,单击“确定”继续。

结果

该示例使用佳能 EOS-10D 相机在 ISO 100 下拍摄,并使用 Capture One 软件以默认设置(未应用曲线)将 RAW 格式转换为图像。

结果包括色调响应和噪声。Colorcheck的结果类似,但色调细节较少。彩色图像生成三个图表,黑白图像生成两个图表。

图一:阶梯图结果

阶梯图_图1_GF1_ISO100

上图显示了灰度图块的平均归一化像素值(黑色曲线)以及一阶和二阶密度拟合曲线(蓝色和绿色虚线)。横轴表示区域(图块编号;对于线性图表,该编号与沿目标线的距离成正比)。图上方显示了部分图块。密度拟合的方程在下文的“算法”部分给出。二阶拟合通常与图块非常吻合。对于自动区域检测,用于确定区域边界的微分和平滑步骤以浅青色尖峰显示(图中未显示)。

下图显示了每个色块的均方根噪声:R、G、B 和 Y(亮度),单位在“设置”窗口(上方)中选择。对于此显示器,以像素为单位的噪声可以通过将噪声百分比乘以 255 来计算。

噪声可以归一化到 255 像素,以像素为单位表示(最大 255),或者归一化到对应于目标密度范围 1.5 的像素差值(与X-Rite ColorChecker上的黑白色块相同)。选项如上所述。

由于伽马编码,暗部噪点最大:在将传感器的线性输出转换为用于在伽马=2.2下观看的颜色空间(此处为sRGB)时,暗部比亮部被放大得更多,噪点也随之增强。

有关噪声的详细解释:噪声的外观和测量,请参阅“摄影图像中的噪声” 。

图二:阶梯图噪声细节

第二张图(噪声细节)包含了一些最重要的结果:

  • 色调响应曲线(以对数刻度显示,类似于胶片响应曲线),
  • 噪声可以用光圈值(或曝光值或曝光区)的分数表示,也可以用场景参考信噪比(SNR = S/N = 1/光圈噪声)表示。
  • 噪声或信噪比(SNR),基于像素级别,可以用多种方式表示,并且
  • 动态范围(仅对透射阶梯图可靠,因为反射图的色调范围比大多数相机要小)。

下图的横轴为曝光量对数,等于(减去)目标标称密度(对于20级Q-13/Q-14图表, log10 (光强(外)/光强(内))= 0.05 - 1.95)。此轴与图1相反。该轴也可以设置为光圈值(EV;2倍因子;-3.32*密度)或分贝值(dB;-20*密度)。

左上角的图显示了密度(色调)响应(灰色方块)以及一阶和二阶拟合曲线(蓝色和绿色虚线)。密度(对数)图对应于人眼的视觉特性,类似于传统的胶片密度响应曲线。动态范围部分显示为灰色,因为反射式 Q-13 测试卡的密度范围太小,无法测量相机的总动态范围。请参阅下文 “动态范围”部分。该曲线与光电转换函数 (OECF) 密切相关,OECF 是曝光量与像素级之间的线性关系曲线。曝光误差 (Exp err) 的相关描述请参见此处。
右上角方框包含动态范围结果:基于斜率的动态范围( Imatest 4.5+ )以及基于亮度 (Y) 噪声的多个质量等级的动态范围。详情如下。选择反射目标时,该方框以灰色显示。

左侧中间的图显示了场景参考信噪比(SNR<sub> scene </sub>),单位为分贝(dB)(噪声的倒数, 噪声单位为光圈值(或曝光值) ,如下所示,它是噪声除以光圈值之间像素级差值后的数值)。随着亮度降低,信噪比往往会降低(噪声会增加)。对数纵轴清晰地显示了暗区噪声水平。当特定质量级别(由最大光圈噪声或最小信噪比定义)的动态范围在图的范围内时,会显示动态范围信息。如果所有图像块的噪声或场景参考信噪比都优于指定级别,则会省略动态范围信息:例如,上图中低于 H 的质量级别不报告动态范围信息,因为信噪比从未低于 12dB(光圈噪声 < 0.25):即 MH 级别。

Stepchart_Fig2_f-stop_noise_GF1_ISO100
f 值(场景参考)噪声(1/SNR场景)可以显示在左侧中间的图中,代替 SNR场景。
阶梯图_图2_GF1_ISO100
第二张图:噪点细节,ISO 100

x 轴(对数曝光量)的方向与图 1 中的方向相反,
图中显示了图表区域(从浅色到深色)。

左下角的图显示了像素噪声或信噪比 (SNR) 的几种不同表示方式。右上方的图示显示了像素信噪比 (dB) = 20 log 10 ( S i / N i ),其中S i是图像块 i 的信号(平均像素电平), N i是图像块 i 的噪声(像素电平的标准偏差,已去除缓慢变化)。

下图是左下角的图,像素噪声归一化为 100%。

图2_像素噪声_GF1_ISO100

中间右侧区域显示选定的 EXIF 数据(元数据)。

右下角的图显示了中等灰度区域的噪声频谱。仅进行去马赛克处理就会导致频谱在奈奎斯特频率(0.5周期/像素)处下降到约0.5。经过强降噪处理的数码相机图像的噪声衰减速度会更快。

SNR_BW是基于黑白色块级别(密度差 = 1.5)的信号 S 的平均信噪比,该级别是 Colorchecker 的黑白密度差。它的设计使其相对独立于色卡类型和系统对比度(伽马值)。
SNR_BW = 20 log 10 (( S WHITE - S BLACK )/ N mid ),其中N mid是中等水平色块中的噪声(最接近标称图表密度 = 0.7)。

阶梯图_图2_GF1_ISO1600第二张图:噪点细节,ISO 1600
以下是 ISO 1600 的测试结果。色调响应与 ISO 100 相似,但信噪比显著降低(噪点增加)。噪点非常明显,但图像仍然适用于许多用途。它可能不适合拍摄精细的人像,但如果需要颗粒感强的“Tri-X”胶片或“自然光”效果,则可以接受。左侧中间的图表显示了几个质量级别的动态范围,每个质量级别由该范围内的最小信噪比场景(最大噪点)指定。低质量(L;蓝色)的动态范围对应的最小信噪比场景为 0dB(1:1;最大噪点为 1 档);高质量(H;黄色)的动态范围对应的最小信噪比场景为 20dB(10:1;最大噪点为 0.1 档)。

图三:密度和对比度响应

阶梯图_图3_GF1_ISO100

上图显示了亮度 (Y)、红色、绿色和蓝色通道的密度响应(小圆圈),以及一阶和二阶拟合曲线(灰色虚线和点划线)。它类似于一组传统的胶片密度响应曲线。Imatest Studio中未显示 R、G 和 B 曲线。

仅对于反射阶梯图,标称曝光值以粉色圆点 ( • ) 显示,曝光误差以光圈值 (f-stop) 表示。曝光误差对色彩校准的影响不如色彩校准图那么显著,因为色彩校准图的曝光误差会严重影响 a*b* 颜色值:因此,其他图中未显示曝光误差。标称曝光值的计算公式与计算色彩校准图灰度像素级别的公式类似:

像素级别 = 255 * (10 – 密度/ 1.01) (1/2.2)

中间的图显示了密度曲线的斜率,也可以将其视为局部对比度或伽马值。该曲线是密度的导数,即d (密度)/ d (对数曝光)。

下图是颜色误差,以 ΔC ab (CIELAB a*b* 平面上的几何距离)、ΔC 94和 ΔC 2000来衡量。它们非常接近,因为灰度图像的色度往往很低。

镜头光晕(在镜头元件之间以及镜筒上反射的杂散光)可以通过在深色和白色背景下拍摄反射式阶梯图(Q-13 或 Q-14)来测量。当存在光晕(白色背景)时,阶梯图暗区(图表左侧)的密度响应曲线斜率会降低。该曲线便于测量斜率的降低程度。

图四:时间噪声

时变噪声是指两幅原本完全相同的图像之间的随机差异。它的测量方法是将两幅相同的测试图图像之差的噪声(标准差)除以根号2(1.414)。

多图像文件列表

N时间= 噪声(图像1 - 图像2 ) / 1.414

两幅图像相减可以消除固定模式噪声。之所以需要除以根号 2,是因为即使图像像素相减,噪声功率也会叠加。除以根号 2 可以将时间噪声缩放到与单幅图像中测量的噪声相同的水平。

要测量时间噪声,请选择两张图像进行分析。在右侧显示的对话框中,选择“读取两个文件以测量时间噪声” 。分析过程正常进行(针对第一个文件),但如果在输入对话框的“绘图区域”中选中“4. 时间噪声” ,则会显示第四个图,其中包含时间噪声分析结果。此图旨在独立呈现信息,因此重复了之前图中的一些特征。

阶梯图时间噪声显示
时间噪声显示
  • 左上图显示了密度响应,与图 2 的左上图类似。
  • 左下角的图(RMS 噪声(光圈))显示了与图 2 中左图相同的场景参考噪声或 SNR。在这些图中,单幅图像的噪声(或 SNR)显示为一条浅色曲线。
  • 右上角的图(像素 SNR (dB))显示噪声或 SNR,其比例与图 2 左下角的图相同。
  • 右下角的图(像素噪声)显示了像素噪声,其缩放比例与图 1 的下部图相同(纵轴;x 轴不同)。

保存结果

阶梯图计算完成后,将出现“保存阶梯图结果?”对话框。您可以在此选择要保存的图形以及保存位置。默认位置是数据文件目录下的Results子目录。您可以更改为其他现有目录,但必须在 Imatest 之外创建新的结果目录——例如使用 Windows 资源管理器等工具。(这是此版本 Matlab 的限制。)选择会在运行之间保存。您可以在选中或取消选中复选框之前查看输出图形。

图形、CSV 和 XML 数据保存在文件中,文件名由根文件名、后缀和扩展名组成。根文件名默认为图像文件名,但可以使用“结果根文件名”框进行更改。请务必按 Enter 键。

建议勾选“保存后关闭数据”选项,以防止批量运行中数据堆积(这会降低大多数系统的速度)。单击“是”或“否”后,Imatest 主窗口将重新出现。


保存对话框

相机和扫描仪的动态范围

如需更全面、最新的动态范围解释,
我们推荐使用动态范围页面。

Imatest 可以使用多种类型的测试图表在多个模块中计算动态范围。

单个透射图表图像的动态范围。阶梯图、颜色/色调交互式、多测试由于反射式色卡的色调范围不足,因此需要使用透射式色卡,例如 Imatest 36 色动态范围色卡或HDR 色卡。
多张(不同曝光)图像的动态范围动态范围模块使用 CSV 格式的“自动色彩/色调阶梯图”输出,生成多张不同曝光图像的对比结果。通常与反射式色卡配合使用,但也可用于透射式色卡。由于无法考虑眩光的影响,因此不再推荐使用。
ISO 15739 动态范围(基于密度≈2的色块)颜色/色调交互式、颜色/色调自动、 eSFR ISO从密度≈2的单个色块推断动态范围。
原始传感器动态范围颜色/色调交互式,颜色/色调自动将原始数据拟合到EMVA 1288 标准中的方程,然后外推以求得 DR 值。测试图表的色调范围不必与 DR 值一样大,但建议使用色调范围 ≥ 3 的透射式图表。

动态范围定义

动态范围(DR) 是指相机能够提供良好对比度和/或良好信噪比 (SNR) 的场景亮度(色调)范围。

Imatest动态范围可以用两种方式定义。

基于质量场景参考信噪比(SNR<sub> scene</sub> )高于指定最小值(即光圈噪声低于指定最大值)的色调范围。在某个区域内,场景信噪比越高(噪声越低),图像质量越好。信噪比通常在最暗的区域最差。Imatest 计算四个信噪比等级的动态范围,记为 SNR<sub>4</sub>。建议在大多数情况下使用。信噪比 = 10(20dB;高品质)
信噪比 = 4(12dB 中高品质)
信噪比 = 2(6dB;中等质量)
信噪比 = 1(0dB;低质量)
基于坡度
(在 Imatest 4.4 中引入)
色调范围,其中密度曲线的斜率大于最大斜率的 7.5%(暗部),小于饱和度的 98%(亮部)。
由于原始数据中的噪声和不规则密度阶跃会影响色块级别,进而影响斜率测量,因此必须谨慎操作。测试图的密度经过插值处理,得到 101 个等间距的点,然后使用 Matlab 的 interp1 函数计算这些点的对数像素级别。最后,使用宽度为 7 个点(约为总范围的 1/13)的矩形核对曲线进行平滑处理。
该算法能够提供稳定可靠的结果,远优于早期(4.4 版本之前)的 Patch 范围和检测到的 DR 测量方法。由于在最暗区域噪声可能非常严重,因此该方法通常不用于图像成像。

动态范围可以用以下任何单位表示。

  • 光圈值,或者等效的曝光区或曝光值(2 的倍数;log 2单位),
  • 密度(log 10 )单位,其中一个密度单位 = 3.322 档光圈,或
  • 分贝(dB),其中 1 密度单位 = 20dB;1 档光圈 = 6.02dB。

信噪比场景为 1(0dB;1 档噪声)对应的动态范围符合ISO 15739噪声测量标准[1]第 6.3 节中动态范围的定义。Imatest 测量方法与 ISO 15739 在一些细节上有所不同,因此结果并不完全相同。Imatest 可以直接从透射图测量动态范围,而不是像 ISO 15739 那样,通过外推最大密度为 2.0 的反射图的结果,因此可能产生更精确的结果。

测量相机(或扫描仪)动态范围最直接的方法是使用透射式阶梯图,并用灯箱从背面照射。反射式阶梯图(例如 Kodak/Tiffen Q-13 或 Q-14)并不适用,因为它们的密度范围约为 1.9,相当于 1.9 * 3.32 = 6.3 档光圈,远低于数码相机的动态范围(尽管可以在阶梯图和色彩/色调自动的动态范围后处理器中组合几种不同的曝光)。

变速器步进图

下表列出了几种透射率阶梯图,它们的密度范围至少为 3(10 档光圈)。柯达摄影阶梯图有校准版和未校准版两种,通常未校准版就足够用了。斯托弗(Stouffer)的阶梯图价格也很实惠。

变速器步进图
产品步骤密度增量Dmax尺寸
Imatest 36色动态范围测试图表
(受到推崇的)
36约 0.10(1/3 光圈)
包含参考文件
3.4 8x10英寸
Imatest 36 色块高动态范围
测试图表(也推荐使用)
36约 0.10 - 0.30(1/3 - 1 档光圈);
需要参考文件
>6 8x10英寸
柯达2号或3号摄影步进式显影片21 0.15(1/2 光圈)线性图案3.05 1 x 5.5" (#2)
较大(#3)
Stouffer变速箱阶梯楔块T2115 21 0.15(1/2 光圈)线性图案3.05 0.5 x 5 英寸
Stouffer变速箱阶梯楔块T3110 31 0.10(1/3 光圈)线性图案3.05 3/4 x 8 英寸
Stouffer变速箱阶梯楔块T4110 41 0.10(1/3 光圈)线性图案4.05 1 x 9 英寸
Danes-Picta TS28D
(在其数码影像页面上)
28 0.15(1/2 光圈)线性图案4.2 10 x 230 毫米
(0.4 x 9 英寸)
DSC Labs 72dB 13级灰阶13 0.30(1 档光圈)线性模式3.7 (大的)
Esser 测试图表 TE 241 20表格;在黑暗区域较大
正方形组成的圆形图案
4.1 (大的)

Stouffer T4110 (动态范围 13.3 档)、 Danes-Picta TS28D (动态范围 13.6 档)或TE 241 (动态范围 13.6 档)镜头常用于动态范围超过 10 档的数码单反相机。Stouffer T4110(如图右所示)价格低廉,最大动态范围为 4.0,但取景困难,使用自动曝光相机难以正确曝光,且由于其线性排列,容易出现光线衰减。

强烈推荐使用Imatest 36 色块动态范围测试图,其密度步长约为 0.1,从基础密度到基础密度 +3.4(相当于 11.3 档光圈范围);或者使用 36 色块高动态范围 (HDR) 测试图,其密度步长从 0.1 到 0.3,最大密度至少为基础密度 +6(相当于 20 档光圈范围)。近乎圆形的色块排列可确保暗角对测试结果的影响最小。测试图提供包含实际密度值的 CSV 或 CGATS 参考文件(HDR 测试图需要此文件) 。该测试图在 8x10 英寸胶片上的有效区域为 7.75x9.25 英寸。

它还包含中心和角落的倾斜边缘,对比度为 4:1,用于测量 MTF。边缘的 MTF50 ≥ 16 周期/毫米,比最好的喷墨测试图高出约 3 倍。定位标记使区域选择更加便捷, Imatest 4.0+还提供全自动区域检测功能。中性灰色背景有助于确保测试图在自动曝光相机中曝光良好(相比之下,黑色背景的测试图有时会出现严重过曝的情况)。

如果拥有多张手动曝光照片,可以使用标准的36色块动态范围图表配合动态范围后处理器来测量大于11档光圈的动态范围。Dmax = 3.4 足以满足手机和小像素数码相机的需求,但高端单反相机以及HDR安防和车载摄像头通常具有更高的动态范围,因此非常适合使用动态范围图表或HDR图表进行测量(HDR图表无需动态范围后处理器)。

该图表采用高精度 LVT 胶片记录工艺制作,以获得最佳的密度范围、低噪声和精细细节。

灯箱

Imatest LED灯箱 - 侧视图你需要一个能够均匀照亮透射阶跃图的灯箱。大多数情况下,9x12英寸的尺寸就足够了。避免使用超薄或“迷你”型号,因为它们的照明可能不够均匀。荧光灯箱应配备高频镇流器以消除闪烁。推荐使用Imatest商店出售的GLE-10和GLE-16E型号。LED灯箱(例如Artograph 12x9英寸型号)的优点是价格低廉、无闪烁(使用直流电源)且易于调光(如果你有限流直流电源),但它们并不适合用于颜色测量。

在灯箱比较指南中,对Imatest 商店提供的灯箱进行了比较。

目前市面上最好的灯箱是Imatest LED灯箱(如图右所示),可从Imatest商店购买。它比上一段提到的灯箱有几个优点。

  • 照明更加均匀:均匀度高达 95%。
  • 高品质光谱响应。标准版可选择 3100K、4100K、5100K、5500K、6500K 和近红外色温(850nm 或 940nm),显色指数 (CRI) 为 97。
  • 强度可通过硬件旋钮、蓝牙或 USB 进行调节,范围从低至 1 勒克斯到高达 100,000 勒克斯:范围超过 300:1,使其适用于从接近日光到极暗光线的测量。
入射光测量

反射式色卡:入射光测量相对简单。将带有平面漫射器的入射照度计(例如价格低廉的 BK615)放置在色卡正前方,指向相机,确保不遮挡任何光线。直接使用勒克斯值进行测量。

透射式照度图:这类照度图的测量方法较为复杂:不能直接使用勒克斯值。您需要测量照度图上清晰(白色)的区域(而非灯箱本身)。对于像 BK 625 这样可以调整传感器方向的照度计,请将其指向光源(位于显示屏的对面)。测量照度图白色区域的照度。对于 36 色块动态范围照度图,请使用最浅的灰阶色块。您需要进行一些调整,因为Imatest的输入是为反射式照度图设计的,反射式照度图中白色区域会反射约 90% 的入射光。为了补偿这一点,请使用

Lux( Imatest的输入)= Lux(测量值)* 1.11。

实用公式:如果您的测光表以 EV(曝光值)显示:勒克斯 = 2.5 * 2 EV @ ISO 100
注意: ISO 100 的 EV 值也称为光值( LV ) 。

测量动态范围

  • 将图表放在灯箱上——或任何均匀漫射光源下。务必遮挡灯箱向图表外部照射的直射光:杂散光会降低测量的动态范围,应尽量避免。
  • 在暗室中拍摄图表。确保没有任何杂散光照射到目标正面,否则会影响拍摄结果。图表周围环境应尽可能保持黑暗,以最大程度地减少眩光。
  • 使用相机的直方图确定使图表中最亮区域饱和的最小曝光量。过度曝光(或曝光不足)会减少有效区域的数量。最亮区域的相对像素值应至少为 0.98(像素值 250 或 255);否则,相机将无法检测到全部动态范围。如果最亮区域低于此值,且选择了透射率图表,则会发出动态范围警告。
  • 对于带有透射单元(TPU,即用于透射影像的光源)的平板扫描仪,您可以直接将阶梯图放在玻璃板上。杂散光通常不会造成问题,但尽量减少杂散光也无妨。35mm胶片扫描仪可能难以测试,因为大多数扫描仪只能扫描36mm的胶片段。(大多数透射测试图的长度都比36mm长。)对于Dmax大于3的扫描仪,推荐使用Stouffer透射阶梯楔形图T4110或Danes-Picta TS28D ,但这些测试图尺寸过大,难以用35mm胶片扫描仪进行测试。

  • 请按照上文“拍摄图表和运行 Stepchart”中的其余说明进行操作。务必从Stepchart输入对话框(右侧)中选择正确的图表类型。

动态范围的解读

动态范围是指场景亮度((-)色阶密度)与满足测量标准(最小信噪比场景或密度响应斜率)的最暗区域之间的差异。其中,像素值达到最大值(24 位颜色为 250,最大值为 255)的 98% 的区域通过插值估算得出。该测量的重复性优于 0.5 档光圈。

动态范围准则限制评论
质量(最低场景参考信噪比) 10、4、2 或 1(比例)
10、12、6 或 0 (dB)
大多数情况下,这是推荐的测量方法。图像传感器规格表通常使用最小信噪比 (SNR) = 1 (0dB) 来定义动态范围 (DR)。
坡度(> 最大坡度的比例)最大值的 0.05斜率测量需要进行精细的插值以确保结果的稳健性。最暗的区域可能噪声很大。

实际测得的动态范围通常小于传感器标称的动态范围,这主要是由于镜头光晕——即镜头元件之间以及镜头内壁(镜筒内侧)反射的杂散光。不同的测试图表设计具有不同的光照分布,因此产生的镜头光晕程度也不同。一些传感器制造商声称其动态范围超过 120dB(针对特殊的高动态范围 (HDR) 传感器),但没有任何相机系统(包括光学元件)能够达到如此高的性能水平。(我们目前所知的极限大约在 100dB 左右。)

传感器动态范围可以通过使用“颜色/色调交互式”或“颜色/色调自动”模式,并采用“颜色/色调交互式/颜色/色调自动/eSFR ISO噪声”中描述的方法,从原始图像(未经任何形式的去马赛克或处理)进行测量。也可以使用一系列平场曝光图像(通常需要使用校准过的中性密度滤镜)进行测量。但这些测量结果绝不能与相机系统测量结果混淆(尤其是对于HDR系统),因为每张图像的动态范围实际上为零。

以下是使用dcraw从 raw 格式转换而来的 Panasonic G3(一款像素间距为 3.75 微米的微型四分之三相机)在 ISO 160 下的结果,设置如下:去马赛克:普通 RAW 转换(去马赛克),输出伽玛: 2.2,白平衡:相机,输出色彩空间: 48 位,质量:默认。

松下 G3,ISO 160,使用 dcraw 转换。
松下 G3,ISO 160,使用 dcraw 转换。

基于斜率的动态范围大于 11 档光圈。低画质级别(场景参考信噪比 = 1 = 0dB)下的动态范围为 9.33 档光圈,高画质级别(信噪比 = 10 = 20dB)下则降至 5.68 档光圈。这些结果在 24 位原始转换中保持不变。

响应曲线的形状很大程度上取决于转换软件的设置。下图是同一曝光条件下,相机内保存为 JPEG 文件的图像。请注意,转换曲线截然不同:它在亮部有一个“肩部”,这通过降低亮部饱和(“过曝”)的倾向来提高图像质量。由于软件降噪( dcraw转换中没有此功能),动态范围也得到了提升。

松下G3相机,ISO 160,机内JPEG格式。注意“肩部”轮廓。 软件降噪技术提高了动态范围。
松下G3相机,ISO 160,机内JPEG格式。注意“肩部”轮廓。
软件降噪技术提高了动态范围。

动态范围的显示单位可以在X 轴刻度(图 2-4)和动态范围单位(图 2)下拉菜单中设置。要将动态范围从光圈值转换为分贝 (dB)(传感器数据手册中通常给出的测量值),请将光圈值乘以 6.02 (20 log 10 (2))。低质量(光圈噪声 = 1;信噪比 = 1)的动态范围与数据手册中的数值最为接近。

摘要 .CSV 和 XML 文件

可选的 .CSV(逗号分隔变量)输出文件包含 Stepchart 的结果。其名称为 [根名称]_summary.csv。例如 Canon_EOS10D_Q13_ISO400_crop_summary.csv。

格式如下:

模块SFR、SFR 多 ROI、Colorcheck 或 Stepchart。
文件文件名(标题)。
运行日期运行时间(mm/dd/yyyy hh:mm)。
(空白行)
表格表格之间用空行分隔。
第一张表包含测量值和理想值的像素级别和密度。
第二张表包含密度 = -log(曝光) 和 Y、R、G 和 B 密度 (-log(像素级别/255)),假设 8 位/像素。
第三张表包含了 Y、R、G 和 B 斑块之间的密度差异(斜率)。
第四张表包含上面描述的底部两行中各块的 Y、R、G 和 B 噪声测量值的两组数据。
– 噪声(%)已归一化至图像密度范围 = 1.5
– f 值噪声
第五张表包含上述Y、R、G 和 B 通道的 S/N 和 SNR (dB)。
(空白行)
附加数据第一条记录是数据的名称;第二条(及后续)记录包含数据的值。名称通常一目了然(与数字类似)。
(空白行)
EXIF 数据如果可用,则会显示。EXIF数据是图像文件的元数据,包含重要的相机、镜头和曝光设置。默认情况下, Imatest使用一个名为 jhead.exe 的小程序来读取 EXIF 数据,该程序仅适用于 JPEG 文件。要读取所有图像文件格式的详细 EXIF 数据,我们建议您下载、安装并选择Phil Harvey 的 ExifTool ,具体操作请参见此处。

所有模块的格式都类似。数据本身也基本易于理解。对 .CSV 文件的改进将在变更日志中列出。

可选的 XML 输出文件包含与 .CSV 文件类似的结果,其内容基本一目了然。该文件存储在 [根目录名称].xml 目录下。XML 输出将用于 Imatest 的扩展程序,例如数据库,这些扩展程序可能由 Imatest 或第三方编写。如有任何疑问或建议,请与我们联系。

算法
  • (仅限自动区域检测)定位图像中的不同区域。具体方法是:对垂直方向上像素值取平均值并求导,然后进行平滑处理,如上图左上角的浅青色尖峰所示。如果该函数值超过阈值,则检测到区域边界。阈值被调整为能够产生均匀间隔的最低值。这是一种最优检测算法:阈值过低会检测到错误的边界(即噪声),而阈值过高则可能遗漏有效的区域。
  • 找到每个区域的感兴趣区域(ROI),该区域包括中心 2/3。
  • 计算感兴趣区域(ROI)的统计数据,包括平均像素值以及ROI内部像素值的二阶多项式拟合值——该拟合值将从像素值中减去以计算噪声。这可以消除非均匀照明的影响。
  • 计算每个感兴趣区域 (ROI) 的噪声。噪声是像素值的标准差,已扣除二阶多项式。噪声显示选项如上所示。通过将像素(已扣除二阶多项式)排列成一维数组并进行傅里叶变换 (FFT),计算第七区域(中间灰度)的噪声频谱。独立轴的单位为周期/像素,其中 0.5 为奈奎斯特频率。
  • 利用像素值低于最大值 10% 和高于最小值 10% 的区域的平均像素值,将平均像素响应拟合到一个数学函数(实际上是两个函数)。这需要一些解释。
  • 利用灰度区域在密度约为 0.1 到 0.9 之间(忽略接近白色和黑色的极端值)的平均像素值,将平均像素响应拟合到两个数学函数,以求得伽玛值(对比度:一阶方程)和二阶方程。这需要一些解释。

采集设备(相机或扫描仪)响应的简化(一阶)方程为:

归一化像素级别 = (像素级别/255) = k 1曝光gamc

Gamc是采集设备的伽玛值。监视器也有伽玛值,定义为 gamma = gamm。

显示器亮度 = (像素级/255) γ

两种伽马值都会影响最终图像的对比度。

系统 gamma = gamc * gamm

对于数码相机,Gamc 通常约为 0.5 或 1/2。Macintosh 系统的 Gamm 为 1.8;Windows 系统以及几种常用的色彩空间(例如 sRGB、Adobe RGB 1998 等)的 Gamm 为 2.2。当系统 Gamma 值略大于 1.0 时,图像通常看起来最佳,但对于对比度高的场景,情况可能并非如此。有关 Gamma 的更多信息,请参阅术语表、使用 Imatest SFR和显示器校准。
利用公式,密度 = - log 10 (暴露量) + k ,

log10 (归一化像素级别)= log10 ( k1曝光gamc )= k2 - gamc * 密度

这是一个不错的斜率为 gamc 的一阶方程,如图中蓝色虚线所示。但它的精度不高。二阶方程的效果要好得多:

log10 (归一化像素级别)= k3 + k4 * 密度 + k5 * 密度2

k₃ 、 k₄和k₅是通过二阶回归得到的,并在图中以绿色虚线标出。二阶拟合效果非常好。

参考

  1. 摄影:电子静态图像成像,噪声测量,ISO 15739:2013,2013。[在线]。网址: http://www.iso.org/iso/catalogue_detail.htm ?csnumber= 59420。↩