서론: 질문
우리는 다음과 같은 질문을 자주 받습니다.
해상도(총 픽셀 수)와 물리적 픽셀 크기(픽셀 간격)가 다른 여러 카메라로 촬영한 이미지의 선명도를 어떻게 비교할 수 있을까요?
간단히 말하면, 용도에 따라 다릅니다.
센서 전체에 걸쳐 이미지의 선명도가 중요한가요? (풍경, 가족, 반려동물 등 대부분의 사진 촬영에서 이러한 특징이 두드러집니다.) 이러한 용도를 이미지 중심형이라고 부릅니다.
의료 영상(특히 내시경), 머신 비전, 부품 검사, 항공 정찰 등에서처럼 특정 물체의 세부 사항을 측정해야 하시나요? 이러한 애플리케이션을 객체 중심 애플리케이션 이라고 합니다.
다시 말해, 정확히 무엇을 측정하고 싶으신 건가요?
이 페이지는 주로 서로 다른 카메라로 촬영한 객체 중심 이미지 의 비교를 다룹니다 .
객체의 픽셀 크기가 매우 다를 수 있는 경우.
서로 다른 이미지를 적절하게 비교하는 핵심은 다음과 같습니다.
MTF/SFR(선명도) 측정을 위한 공간 주파수 단위 선택 및
적절한 요약 지표를 선택하는 것이 중요합니다(가장 널리 사용되는 지표인 MTF50은 소프트웨어 샤프닝에 지나치게 높은 점수를 주기 때문입니다).
아래 표는 "선명도 - 선명도란 무엇이며 어떻게 측정하는가?" 에서 발췌한 것입니다. 선명도 측정에 익숙하지 않으신 분들은 이 페이지를 참고하시기를 강력히 권장합니다.
표 1. 선택된 주파수 단위에서의 MTF를 참조하는 방정식과 함께 공간 주파수 단위를 요약한 표. 서로 다른 이미지 비교에 중점을 두었다.
MTF 유닛 | 애플리케이션 | 방정식 |
사이클/픽셀(C/P) | 픽셀 단위 측정. 나이퀴스트 주파수 fNyq 는 항상 0.5 C/P입니다. 픽셀 활용도를 비교하기 위한 지표입니다. 이미지의 전반적인 선명도를 나타내는 지표는 아닙니다. | |
사이클/거리 (사이클/mm 또는 사이클/인치) | 센서의 물리적 거리당 사이클 수입니다. 픽셀 간격 또는 피치를 입력해야 합니다. 과거 표준 필름 포맷(예: 35mm 필름의 경우 24x36mm) 시절 해상도 비교에 널리 사용되었습니다. 일반적으로 사이클/mm를 사용하는 렌즈 설계 프로그램의 출력과 Imatest 결과를 비교하기 위해서입니다. | |
선 굵기/ | 전반적인 이미지 선명도를 측정합니다. TV 측정에는 일반적으로 선폭을 사용합니다. LW/PH와 LP/PH는 센서 크기와 화소 수가 다른 카메라의 전체적인 선명도(이미지 센서 기준)를 비교하는 데 가장 적합한 단위입니다. 이미지 중심적인 비교 방식입니다. 참고: 이미지를 자른 경우, 추가 설정의 크기 입력란에 원본 이미지의 높이를 입력하세요. | |
라인 쌍/ | ||
주기/각도: 주기/ 사이클/도 | 각주파수입니다. 픽셀 간격(피치)을 입력해야 합니다. 초점 거리( FL )는 일반적으로 상용 이미지 파일의 EXIF 데이터에 포함되어 있습니다. 만약 포함되어 있지 않다면, 설정 창 하단의 EXIF 매개변수 영역에서 수동으로 입력해야 합니다. 픽셀 간격이나 초점 거리가 입력되지 않으면 단위는 기본적으로 Cycles/Pixel로 설정됩니다. 사이클/각도(도 또는 밀리라디안)는 카메라가 멀리 있는 물체를 포착하는 능력을 비교하는 데 유용합니다. 예를 들어, 조류 관찰(이전에는 "조류 관찰"이라고 불렀음)에서 센서 및 픽셀 크기 등과 관계없이 카메라가 먼 거리에서 새의 이미지를 포착하는 능력을 측정하는 좋은 지표입니다. 렌즈 품질과 초점 거리에 크게 좌우됩니다. 물체 중심적인 측정 방식입니다. | 초점 거리(FL)는 간단한 렌즈 방정식 1/ FL = 1/ s1 + 1/ s2 에서 추정할 수 있습니다. 여기서 s1 은 렌즈와 차트 사이의 거리, s2 는 렌즈와 센서 사이의 거리, 그리고 배율 M = s2/s1 입니다. 따라서 FL = s1 / (1 + 1/| M |) = s2 / (1 + | M |) 입니다. 렌즈는 단순 렌즈 방정식에서 크게 벗어날 수 있기 때문에 이 방정식은 M 의 정확한 값을 제공 하지 못할 수 있습니다. |
주기/물체 거리: 주기/ 주기/ | 촬영 대상(많은 사람들이 피사체라고 생각하는 것)에 대한 거리당 사이클 수입니다. 픽셀 간격과 확대율을 입력해야 합니다. 시스템 사양에서 촬영 대상을 참조하는 경우 중요합니다. 사이클/거리 비율은 머신 비전 작업, 예를 들어 표면의 미세 균열을 검사하고 특정 너비의 균열을 감지해야 하는 경우에 유용합니다. 객체 중심적입니다. | |
선 굵기/ 라인 쌍/ | 주로 활성 차트 높이(전체 이미지 높이가 아닌)가 중요한 테스트에 사용됩니다. 측정값이 (ROI) 작물 높이에 따라 달라지므로 비교 용도로는 권장하지 않습니다. | |
선 굵기/ 라인 쌍/ (이전 명칭: 선폭 또는 선쌍/N픽셀(PH)) | 이 두 옵션 중 하나를 선택하면 MTF 플롯 단위 (때때로 확대율에 사용됨) 오른쪽에 '피처 높이 픽셀' 상자가 나타나며, 여기에 픽셀 단위로 특징 높이를 입력할 수 있습니다. 특징 높이는 테스트 대상 모니터, 테스트 차트 또는 비활성 영역이 있는 이미지에서 활성 시야의 높이일 수 있습니다. 픽셀 단위의 특징 높이는 각 카메라 이미지에서 개별적으로 측정해야 합니다. 아래 예시를 참조하십시오. 이미지 크기 또는 픽셀 크기가 다른 카메라에서 특정 객체의 해상도를 비교하는 데 유용합니다. 객체 중심적입니다. | |
PH = 픽셀 단위의 화면 높이. FL (mm) = 렌즈 초점 거리(mm). 픽셀 피치 = 센서 상의 픽셀 간 거리 = 1/(픽셀/거리). | ||
요약 지표: 카메라 비교에는 MTF50P 및 MTF 영역 정규화 값을 사용하는 것이 좋습니다. | ||
요약 지표 | 설명 | 댓글 |
MTF50 | MTF50( nn =50) 은 저주파수(0) MTF의 50%에 해당하는 공간 주파수입니다. MTF50은 전기 공학에서 대역폭(반전력 주파수)에 해당하기 때문에 널리 사용됩니다. | 가장 일반적인 요약 지표이며, 인지되는 선명도와 상관관계가 높습니다. 소프트웨어 선명도 조정이 증가할수록 값이 커지지만, 과도한 선명도 조정을 "보상"하는 것처럼 보여 가장자리에 눈에 띄고 거슬리는 "후광" 현상을 유발할 수 있으므로 오해의 소지가 있습니다. |
MTF50P | MTF가 최대 MTF의 50%( nn %)인 공간 주파수. | 소프트웨어 샤프닝 정도가 낮거나 중간 정도일 때는 MTF50과 동일하지만, 소프트웨어 샤프닝이 최대치에 도달하는 경우(최대 MTF > 1)에는 MTF50보다 낮습니다. MTF50보다 소프트웨어 샤프닝에 훨씬 덜 민감합니다( Electronic Imaging 2020에서 발표한 논문 참조 ). 종합적으로 더 나은 측정 지표입니다. |
MTF 영역 | MTF 곡선 아래 면적(나이퀴스트 주파수 이하)을 피크 값으로 정규화한 값(선명도가 거의 없거나 전혀 없을 때는 f =0에서 1이지만, 선명도가 강할 경우에는 피크 값이 1보다 클 수 있음). | 이 새로운 측정 기준은 특히 흥미로운데, 선명도 보정이 거의 또는 전혀 없는 경우 MTF50과 매우 유사한 경향을 보이지만, 과도한 선명도 보정의 경우에는 증가하지 않기 때문입니다. 즉, 과도한 선명도 보정을 장려하지 않습니다. 아직 비교적 생소한 지표입니다. "경사 모서리 MTF 측정 일관성" 에서 자세히 설명되어 있습니다. |
MTF10, MTF10P, | MTF가 0주파수 또는 피크 MTF의 10% 또는 20%인 공간 주파수 | 이 수치들은 "소실 해상도"(레일리 한계)와 유사하기 때문에 중요합니다. 노이즈는 10% 이하 수준에서도 결과에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. MTF20(또는 MTF20P)은 화면 높이당 선폭(LW/PH)으로 표현되며 아날로그 TV 라인 과 가장 유사합니다 . 모니터 TV 라인 측정 에 대한 자세한 내용은 여기에서 확인할 수 있습니다 . |
MTF50(MTF가 저주파 값의 절반으로 떨어지는 공간 주파수)은 가장 잘 알려진 요약 지표이지만, 과도하게 선명하게 처리된 이미지에 지나치게 높은 점수를 주기 때문에 권장하지 않습니다. MTF50P가 이 점에서 더 낫고, MTF 면적 정규화는 더욱 좋을 수 있습니다(다만 널리 알려져 있거나 사용되는 지표는 아닙니다). 요약 지표에 대한 자세한 내용은 "잘못된 이미지 품질 측정 수정" 에서 확인할 수 있으며, 이 링크는 Electronic Imaging 2020에서 발표한 논문입니다.
선명도 향상: 일반적으로 이미지의 외관을 개선하지만, 카메라 간 비교를 복잡하게 만듭니다.
이미지 촬영 후 카메라 또는 후처리 소프트웨어에서 적용되는 선명도 향상 기능은 (과도하게 적용되지 않는 한) 이미지의 시각적 품질을 개선하지만, 카메라 간 비교를 어렵게 만듭니다. 자세한 내용은 여기에서 확인할 수 있습니다. 몇 가지 고려 사항은 다음과 같습니다.
카메라마다 선명도 조절 정도는 천차만별입니다. Imatest의 Read Raw , dcraw 또는 LibRaw를 사용하여 RAW 파일을 변환한 이미지는 선명도가 적용되지 않은 상태입니다. 고품질 소비자용 카메라로 촬영한 JPEG 이미지는 일반적으로 적당한 수준의 선명도 조절이 되어 있으며, 이는 가장자리 오버슈트(후광처럼 보이는 현상)가 적고 MTF 응답이 약간 상승하는 정도입니다. 하지만 스마트폰이나 다른 모바일 기기에서는 상황이 완전히 다릅니다. 과도한 선명도 조절로 인해 거대한 후광 현상과 MTF 응답 피크가 발생하는 경우도 있습니다. 이러한 이미지는 작은 화면에서 볼 때는 좋아 보일 수 있지만, 일반적으로 이미지 품질을 심각하게 저하시킵니다.
선명도 조정은 가장자리의 모양과 MTF 응답을 통해 확인할 수 있습니다. 선명도 조정이 되지 않은 이미지는 MTF가 단조적으로 감소합니다. 아래 카메라 B가 그 대표적인 예입니다. 오른쪽 그림(오해의 소지가 있는 이미지 품질 측정 수정 참조 )에서 볼 수 있듯이, 선명도 조정이 된 이미지는 가장자리와 MTF 응답 모두에서 굴곡이나 봉우리가 나타납니다. 오른쪽 그림의 가장자리는 강하게, 하지만 과도하지는 않게 선명하게 처리된 것으로 볼 수 있습니다.
선명도 요약 — 선명도 적용 정도가 다르면 이미지 간 비교가 어려워지므로, 에지/MTF 플롯에서 선명도 적용의 흔적을 확인해야 합니다. 가능하면 여러 카메라에서 선명도 적용 정도가 유사해야 합니다. 만약 유사하지 않다면, 요약 지표를 신중하게 선택하는 것이 도움이 될 수 있습니다. MTF50P 또는 MTF 영역 피크 정규화 지표를 권장합니다.
예시: 특정 크기의 물체의 선명도를 측정하는 의료 영상 시스템
다음은 Rezchecker 차트를 사용한 예입니다. 이 차트의 전체 크기는 세로 1-7/8인치, 가로 1-5/8인치입니다. (카메라 간 비교에는 정확한 크기가 중요한 요소는 아닙니다.)
고객은 특정 시야각 내에서 물체의 고품질 이미지를 얻어야 하는 의료 애플리케이션에 사용할 두 가지 매우 다른 카메라를 비교하기를 원했습니다. 즉, 해당 애플리케이션은 물체 중심적 입니다.
각 카메라로 Rezchecker 차트를 촬영했습니다. 다음은 해당 이미지입니다. 이 이미지는 고정형 SFR 모듈(여러 에지의 MTF를 분석할 수 있음) 또는 Rescharts 경사 에지 SFR(단일 에지에서만 작동)에서 분석할 수 있습니다.
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이 카메라들의 물리적 픽셀 크기를 알 수 없기 때문에(센서 사양표에서 확인할 수 있지만, 일반적으로 EXIF 데이터에는 나와 있지 않습니다), 단위는 특징 높이당 선폭(Line Widths per Feature Height)으로 설정합니다. 픽셀 크기를 알 수 있는 경우에는 객체 mm당 선쌍(Line Pairs per Object mm) 단위를 사용하는 것이 더 일반적이며 비교가 용이합니다. 다음은 Rescharts 경사 모서리 SFR의 설정 창입니다.
선택 사항인 보조 판독값(드롭다운 메뉴에 가려져 있음)은 MTF50P와 MTF 영역 PkNorm(피크 값으로 정규화됨)입니다. 특징 높이(카메라 A의 경우 114픽셀, 카메라 B의 경우 243픽셀)는 각 이미지에 대해 개별적으로 측정해야 합니다. 이미지 편집기에서 쉽게 측정할 수 있습니다(저는 Imatest 이미지 통계 모듈에서 사각형을 그리고 높이를 사용했습니다). 각 이미지의 특징 높이를 직접 입력하는 것은 다소 불편하므로 센서 픽셀 피치를 알고 있다면 Cycles/Object mm 단위를 사용하는 것이 좋습니다.
비교 결과
관심 영역(ROI)의 크기가 최적 크기보다 작습니다. 특히 카메라 A의 경우 ROI 크기가 15×28 픽셀에 불과하여 권장 최소값보다 훨씬 작습니다. 이는 측정 정확도를 저하시키지만, 두 카메라를 비교하기에는 충분한 측정값입니다.
가장자리 부근에 "후광"이 나타나거나 MTF 응답에 돌출부 또는 피크가 생기는 등 뚜렷한 선명도 향상이 없기 때문에 표준 요약 지표는 동일합니다. MTF50은 강한 선명도 향상이 있을 때만 기준이 되지 않습니다.
Rezchecker에서 디테일 해상도 측면에서 카메라 B가 우위를 차지했습니다. MTF50P = 54.8 LW/Feature Height에서 카메라 B는 MTF50P = 45.8 LW/Feature Height인 카메라 A보다 20% 더 우수한 성능을 보였습니다. 자세한 내용은 아래 부록을 참조하십시오.
요약
사양이 매우 다른 카메라(픽셀 크기, 픽셀 피치, 시야각 등)를 비교하려면 이미지를 작업(또는 응용 분야)별로 분류해야 합니다. 우리는 두 가지 매우 광범위한 유형의 작업을 정의합니다.
날카롭게 하기 비교를 복잡하게 만듭니다. 선명도 향상의 가시적 또는 측정적 징후가 있는지 에지/MTF 플롯을 주의 깊게 살펴보십시오. 핵심 선명도 측정값은 오버슈트입니다. 가능하면 이미지의 선명도 수준이 비슷해야 합니다. MTF50P 또는 MTF 영역 피크 정규화(MTF Area Peak Normalized) 를 권장 요약 지표로 사용합니다. MTF50은 소프트웨어 선명도에 지나치게 민감하여 시스템 고유의 선명도를 제대로 나타내지 못할 수 있으므로 권장하지 않습니다. 이에 대한 자세한 내용은 "잘못된 이미지 품질 측정 수정"을 참조하십시오. |
부록: 카메라 A와 B의 에지/MTF 결과
