引言：问题
我们经常收到类似这样的问题：
“如何比较不同相机拍摄的图像清晰度，这些相机的分辨率（总像素数）和物理像素尺寸（像素间距）都不同？”
简而言之，这取决于具体应用。
您是否关注整个传感器上图像的清晰度（这在大多数图像摄影中很常见——风景、家庭、宠物等）？我们称这些应用为以图像为中心的应用。
您是否需要测量特定物体的细节（例如医学成像（我们通常使用内窥镜）、机器视觉、零件检测、空中侦察等）？我们将这些应用称为以对象为中心的应用。
换句话说，你究竟想测量什么？
本页面主要比较不同相机拍摄的以物体为中心的图像。
其中物体的像素大小可以非常不同。
正确比较不同图像的关键在于：
MTF/SFR（清晰度）测量中空间频率单位的选择，以及
选择合适的汇总指标（这一点很重要，因为最流行的指标 MTF50 对软件锐化给予了过高的奖励）。
下表改编自《清晰度——它是什么，如何测量？》 。如果您是清晰度测量方面的新手，我们强烈建议您先阅读此页面。
表1. 空间频率单位汇总及与选定频率单位下的MTF相关的公式。重点在于比较不同图像。
MTF 单位 | 应用 | 方程 |
Cycles/Pixel (C/P) | 像素级测量。奈奎斯特频率f Nyq始终为 0.5 C/P。 用于比较像素利用率，并非衡量图像整体清晰度的指标。 | |
周期/距离 （循环次数/毫米或循环次数/英寸） | 传感器上每物理距离的周期数。必须输入像素间距或像素间距。在早期标准胶片格式（例如，35mm 胶片的 24x36mm）时代，常用于比较分辨率。 用于将 Imatest 结果与镜头设计程序的输出进行比较，这些程序通常使用 cycles/mm。 | |
线宽/ | 测量图像整体清晰度。线宽是电视测量中常用的指标。 LW/PH 和 LP/PH 是比较不同传感器尺寸和像素数的相机整体清晰度（在图像传感器上）的最佳单位。以图像为中心。 注意：对于裁剪后的图片，请在“更多设置”中的“尺寸”输入框中输入原始图片高度。 | |
线路对/ | ||
周期/角度： 周期/ 周期/度 | 角频率。必须输入像素间距（螺距）。焦距（ FL ，单位为毫米）通常包含在商业图像文件的 EXIF 数据中。如果 EXIF 数据中没有焦距信息，则必须手动输入，通常位于设置窗口底部的 EXIF 参数区域。如果缺少像素间距或焦距，单位将默认为周期/像素。 周期/角度（度或毫弧度）可用于比较相机远距离拍摄物体的能力。例如，对于观鸟（以前称为“鸟瞰”）而言，它是衡量相机远距离拍摄鸟类图像能力的良好指标，不受传感器和像素尺寸等因素的影响。它高度依赖于镜头质量和焦距。以物体为中心。 | 焦距 (FL) 可由简单的镜头方程估算：1/ FL = 1/ s1 + 1/ s2 ，其中s1为镜头到视力表的距离， s2为镜头到传感器的距离，放大倍率M = s2/s1。FL = s1 / (1 + 1/| M |) = s2 / (1 + | M |) 该方程可能无法给出M的准确值，因为透镜可能与简单的透镜方程有显著偏差。 |
Cycles/物体距离： 周期/ 周期/ | 拍摄对象（通常称为拍摄主体）的每距离周期数。必须输入像素间距和放大倍率。当系统规格中提及拍摄对象时，这一点尤为重要。 周期/距离对于机器视觉任务非常有用，例如，在检测表面细微裂纹时，需要检测特定宽度的裂纹。以对象为中心。 | |
线宽/ 线路对/ | 主要用于测试活动图表高度（而不是图像总高度）显著的情况。 不建议用于比较，因为测量结果取决于作物高度（ROI）。 | |
线宽/ 线路对/ （以前称为线宽或线对/像素 (PH)） | 选中其中任一选项后， MTF 图表单位（有时用于放大倍率）右侧会出现一个“特征高度（像素）”框，您可以在其中输入特征高度（以像素为单位），该高度可以是待测显示器的高度、测试图表的高度，或者图像中存在非活动区域时的有效视场。特征高度（以像素为单位）必须在每张相机图像中单独测量。示例如下。 可用于比较不同图像或像素尺寸的相机对特定物体的分辨率。以物体为中心。 | |
PH = 图像高度（像素）。FL (mm) = 镜头焦距（毫米） 。像素间距= 传感器上每个像素的距离 = 1/(像素数/距离)。 | ||
建议使用 MTF50P 和 MTF 面积归一化等汇总指标来比较相机。 | ||
汇总指标 | 描述 | 评论 |
MTF50 | 空间频率是指 MTF 为低频 (0) MTF 的 50% ( nn %) 时的频率。MTF50 ( nn = 50) 被广泛使用，因为它对应于电气工程中的带宽（半功率频率）。 | 最常用的汇总指标；与感知清晰度高度相关。随着软件锐化程度的增加而增加；但可能具有误导性，因为它会“奖励”过度锐化，从而导致边缘出现可见且可能令人不适的“光晕”。 |
MTF50P | MTF 为峰值 MTF 的 50% ( nn %) 时的空间频率。 | 对于低到中等程度的软件锐化，其值与 MTF50 相同；但当软件锐化达到峰值（最大 MTF > 1）时，其值低于 MTF50。与 MTF50 相比，它对软件锐化的敏感度要低得多（正如我们在 2020 年电子成像会议上发表的论文中所述）。总而言之，这是一个更好的指标。 |
MTF区域 | MTF 曲线下的面积（低于奈奎斯特频率），归一化到其峰值（当f = 0 时，几乎没有锐化或没有锐化，峰值为 1；但对于强烈的锐化，峰值可能大于 1）。 | 这是一个特别有趣的新指标，因为它在锐化程度很低或没有锐化的情况下与 MTF50 非常接近，但不会在过度锐化的情况下增加；也就是说，它不会奖励过度锐化。目前还相对不为人所知。相关描述见《斜边 MTF 测量一致性》。 |
MTF10、MTF10P、 | MTF 为零频率或峰值 MTF 的 10% 或 20% 的空间频率。 | 这些数值之所以重要，是因为它们与“分辨率消失”（瑞利极限）相当。噪声在 10% 或更低的水平下会对结果产生显著影响。MTF20 （或 MTF20P）以每画面高度的线宽 (LW/PH) 表示，最接近模拟电视线。有关测量显示器电视线的详细信息，请点击此处。 |
尽管 MTF50（MTF 降至其低频值一半时的空间频率）是最常用的综合指标，但我们并不推荐使用它，因为它对过度锐化的图像奖励过高。MTF50P 在这方面表现更佳，而 MTF 面积归一化可能更好（尽管它并不为人熟知或广泛使用）。综合指标的详细描述见《纠正误导性图像质量测量》 ，该文链接至我们在 2020 年电子成像大会上发表的论文。
锐化：通常可以改善图像外观，但会使相机对比变得复杂。
锐化是在图像拍摄后进行的，无论是在相机内还是在后期处理软件中，都能改善图像的视觉效果（除非过度锐化），但这会使相机之间的对比变得困难。详情请参见此处。以下是一些需要考虑的因素。
不同相机的锐化程度差异巨大。使用 Imatest 的Read Raw 、 dcraw或LibRaw等工具从 RAW 格式转换而来的图像未经锐化。高品质消费级相机拍摄的 JPEG 图像通常具有适度的锐化，其特点是边缘过冲（表现为光晕）有限，且 MTF 响应曲线略有上升。但手机和其他移动设备的拍摄情况则截然不同。我们见过一些相机过度锐化，导致图像出现巨大的光晕和 MTF 响应峰值，虽然在小屏幕上观看时图像可能看起来不错，但通常会严重损害图像质量。
锐化效果可以通过边缘形状和MTF响应来识别。未锐化的图像MTF值单调递减。下图中的相机B就是一个典型例子。锐化后的图像（如右图所示，出自《纠正误导性图像质量测量》）在边缘和MTF响应上都呈现出凸起或峰值。右侧的边缘可以被描述为经过了强烈的锐化，但并非过度锐化。
锐化总结——由于不同的锐化程度会使图像间的比较变得困难，您应该检查边缘/MTF图，以寻找明显的锐化痕迹。如果可能，不同相机上的锐化程度应保持一致。如果无法做到这一点，则谨慎选择总结指标可能有所帮助。建议使用MTF50P或MTF面积峰值归一化。
例如：一种用于测量特定尺寸物体清晰度的医学成像系统
这里以Rezchecker图表为例，其整体尺寸为 1-7/8 英寸高 x 1-5/8 英寸宽。（具体尺寸与相机之间的比较关系不大。）
客户希望比较两款截然不同的相机，用于医疗应用，该应用需要对特定视野范围内的物体进行高质量成像，即该应用是以物体为中心的。
每台相机都拍摄了一张 Rezchecker 色卡。以下是图像。这些图像可以使用固定SFR模块（可以分析多个边缘的 MTF）或Rescharts斜边 SFR 模块（仅适用于单个边缘）进行分析。
 |  |
由于我们不知道这些相机的物理像素尺寸（可以在传感器规格表中找到，但通常不在 EXIF 数据中），因此我们选择以“每特征高度的线宽”为单位。如果像素尺寸已知，则可以使用“每物体毫米的线对数”作为单位（这种单位更标准，也便于比较）。以下是 Rescharts 斜边 SFR 的设置窗口。
可选的辅助读数（被下拉菜单遮挡）包括 MTF50P 和 MTF Area PkNorm（已归一化至峰值）。特征高度（相机 A 为 114 像素；相机 B 为 243 像素）需要针对每张图像单独测量：这在任何图像编辑器中都很容易做到（我在 Imatest 图像统计模块中绘制了一个矩形并测量了其高度）。为每张图像手动输入特征高度有些不方便，因此建议使用“每物体毫米周期数”（如果已知传感器像素间距）。
比较结果
感兴趣区域（ROI）小于最佳值，尤其是相机 A，其 ROI 仅为 15×28 像素，远低于推荐的最小值。这无疑会影响测量精度，但测量结果仍然足以用于比较两台相机。
由于没有明显的锐化（边缘附近没有“光晕”；MTF响应曲线没有凸起或峰值），因此标准汇总指标是等效的。MTF50仅在存在强烈锐化时才会失效。
在 Rezchecker 的细节解析方面，相机 B 胜出。其 MTF50P 值为 54.8 LW/特征高度，比相机 A 的 MTF50P 值（45.8 LW/特征高度）高出 20%。详细信息请参见下方的附录。
概括
为了比较规格差异很大的相机（像素尺寸、像素间距、视场角等），需要根据任务（或应用）对图像进行分类。我们定义了两种非常广泛的任务类型。
磨利 这使得比较变得复杂。仔细观察边缘/MTF图，寻找可见或可测量的锐化迹象。关键的锐化测量指标是过冲。如果可能，图像的锐化程度应该相似。建议使用MTF50P或MTF面积峰值归一化作为汇总指标。不建议使用MTF50，因为它对软件锐化过于敏感，因此可能无法准确反映系统的固有锐度。这在“纠正误导性图像质量测量”一文中有详细解释。 |
附录：相机 A 和 B 的边缘/MTF 结果
