引言：問題
我們常收到類似這樣的問題：
“如何比較不同相機拍攝的圖像清晰度，這些相機的分辨率（總像素數）和物理像素尺寸（像素間距）都不同？”
簡而言之，這取決於具體應用。
您是否專注於整個感光元件上影像的清晰度（這在大多數影像攝影中很常見——風景、家庭、寵物等）？我們稱這些應用為以影像為中心的應用。
您是否需要測量特定物體的細節（例如醫學影像（我們通常使用內視鏡）、機器視覺、零件偵測、空中偵察等）？我們將這些應用稱為以物件為中心的應用。
換句話說，你究竟想測量什麼？
本頁主要比較不同相機拍攝的以物件為中心的影像。
其中物體的像素大小可以非常不同。
正確比較不同影像的關鍵在於：
MTF/SFR（清晰度）測量中空間頻率單位的選擇，以及
選擇合適的總結指標（這一點很重要，因為最受歡迎的指標 MTF50 對軟體銳利化給予了過高的獎勵）。
下表改編自《清晰度－它是什麼，如何測量？ 》 。如果您是清晰度測量的新手，我們強烈建議您先閱讀此頁面。
表1. 空間頻率單位匯總及與選定頻率單位下的MTF相關的公式。重點在於比較不同影像。
MTF 單位 | 應用 | 方程式 |
Cycles/Pixel (C/P) | 像素級測量。奈奎斯特頻率f Nyq始終為 0.5 C/P。 用於比較像素利用率，並非衡量影像整體清晰度的指標。 | |
週期/距離 （循環次數/毫米或循環次數/英吋） | 感測器上每物理距離的周期數。必須輸入像素間距或像素間距。在早期標準膠片格式（例如，35mm 膠片的 24x36mm）時代，常用於比較解析度。 用於將 Imatest 結果與鏡頭設計程式的輸出進行比較，這些程式通常使用 cycles/mm。 | |
線寬/ | 測量影像整體清晰度。線寬是電視測量中常用的指標。 LW/PH 和 LP/PH 是比較不同感光元件尺寸和像素數的相機整體清晰度（在影像感光元件上）的最佳單位。以圖像為中心。 注意：對於裁切後的圖片，請在「更多設定」中的「尺寸」輸入框中輸入原始圖片高度。 | |
線路對/ | ||
週期/角度： 週期/ 週期/度 | 角頻率。必須輸入像素間距（螺距）。焦距（ FL ，單位為毫米）通常包含在商業影像檔案的 EXIF 資料中。如果 EXIF 資料中沒有焦距訊息，則必須手動輸入，通常位於設定視窗底部的 EXIF 參數區域。如果缺少像素間距或焦距，單位將預設為週期/像素。 週期/角度（度或毫弧度）可用於比較相機遠距離拍攝物體的能力。例如，對於觀鳥（以前稱為「鳥瞰」）而言，它是衡量相機遠距離拍攝鳥類影像能力的良好指標，不受感光元件和像素尺寸等因素的影響。它高度依賴鏡頭質量和焦距。以物體為中心。 | 焦距 (FL) 可由簡單的鏡頭方程式估算：1/ FL = 1/ s1 + 1/ s2 ，其中s1為鏡頭與視力表的距離， s2為鏡頭與感光元件的距離，放大倍率M = s2/s1。 FL = s1 / (1 + 1/| M |) = s2 / (1 + | M |) 此方程式可能無法給出M的準確值，因為透鏡可能與簡單的透鏡方程式有顯著偏差。 |
Cycles/物體距離： 週期/ 週期/ | 拍攝主體（通常稱為拍攝主體）的每距離週期數。必須輸入像素間距和放大倍率。當系統規格中提及拍攝對象時，這一點尤其重要。 週期/距離對於機器視覺任務非常有用，例如，在偵測表面細微裂紋時，需要偵測特定寬度的裂縫。以對象為中心。 | |
線寬/ 線路對/ | 主要用於測試活動圖表高度（而非影像總高度）顯著的情況。 不建議用於比較，因為測量結果取決於作物高度（ROI）。 | |
線寬/ 線路對/ （以前稱為線寬或線對/像素 (PH)） | 選取其中任一選項後， MTF 圖表單位（有時用於放大倍率）右側會出現一個「特徵高度（像素）」框，您可以在其中輸入特徵高度（以像素為單位），該高度可以是待測顯示器的高度、測試圖表的高度，或影像中存在非活動區域時的有效視場。特徵高度（以像素為單位）必須在每張相機影像中單獨測量。示例如下。 可用於比較不同影像或像素尺寸的相機對特定物體的解析度。以物體為中心。 | |
PH = 影像高度（像素）。 FL (mm) = 鏡頭焦距（毫米） 。像素間距= 感測器上每個像素的距離 = 1/(像素數/距離)。 | ||
建議使用 MTF50P 和 MTF 面積歸一化等總和指標來比較相機。 | ||
總結指標 | 描述 | 評論 |
MTF50 | 空間頻率是指 MTF 為低頻 (0) MTF 的 50% ( nn %) 時的頻率。 MTF50 ( nn = 50) 被廣泛使用，因為它對應於電氣工程中的頻寬（半功率頻率）。 | 最常用的總結指標；與感知清晰度高度相關。隨著軟體銳利化程度的增加而增加；但可能具有誤導性，因為它會「獎勵」過度銳化，導致邊緣出現可見且可能令人不適的「光暈」。 |
MTF50P | MTF 為峰值 MTF 的 50% ( nn %) 時的空間頻率。 | 對於低到中等程度的軟體銳利化，其值與 MTF50 相同；但當軟體銳利化達到峰值（最大 MTF > 1）時，其值低於 MTF50。與 MTF50 相比，它對軟體銳利化的敏感度要低得多（正如我們在 2020 年電子成像會議上發表的論文中所述）。總而言之，這是一個更好的指標。 |
MTF區域 | MTF 曲線下的面積（低於奈奎斯特頻率），歸一化到其峰值（當f = 0 時，幾乎沒有銳化或沒有銳化，峰值為 1；但對於強烈的銳化，峰值可能大於 1）。 | 這是一個特別有趣的新指標，因為它在銳化程度很低或沒有銳化的情況下與 MTF50 非常接近，但不會在過度銳化的情況下增加；也就是說，它不會獎勵過度銳化。目前還相對不為人所知。相關描述請見《斜邊 MTF 測量一致性》。 |
MTF10、MTF10P、 | MTF 為零頻率或峰值 MTF 的 10% 或 20% 的空間頻率。 | 這些數值之所以重要，是因為它們與「解析度消失」（瑞利極限）相當。噪音在 10% 或更低的水平下會對結果產生顯著影響。 MTF20 （或 MTF20P）以每畫面高度的線寬 (LW/PH) 表示，最接近類比電視線。有關測量顯示器電視線的詳細信息，請點擊此處。 |
儘管 MTF50（MTF 降至其低頻值一半時的空間頻率）是最常用的綜合指標，但我們並不建議使用它，因為它對過度銳利化的影像獎勵過高。 MTF50P 在這方面表現更佳，而 MTF 面積歸一化可能更好（儘管它並不為人所知或廣泛使用）。綜合指標的詳細描述請參閱《修正誤導性影像品質測量》 ，該文連結至我們在 2020 年電子成像大會上發表的論文。
銳利化：通常可以改善影像外觀，但會使相機對比變得複雜。
銳利化是在影像拍攝後進行的，無論是在相機內還是在後製軟體中，都能改善影像的視覺效果（除非過度銳利化），但這會使相機之間的對比變得困難。詳情請參閱此處。以下是一些需要考慮的因素。
不同相機的銳化程度差異巨大。使用 Imatest 的Read Raw 、 dcraw或LibRaw等工具從 RAW 格式轉換而來的影像未經銳利化。高品質消費級相機拍攝的 JPEG 影像通常具有適度的銳利化，其特點是邊緣過衝（表現為光暈）有限，且 MTF 響應曲線略有上升。但手機和其他行動裝置的拍攝情況則截然不同。我們看到一些相機過度銳利化，導致影像出現巨大的光暈和 MTF 響應峰值，雖然在小螢幕上觀看時影像可能看起來不錯，但通常會嚴重損害影像品質。
銳化效果可以透過邊緣形狀和MTF響應來識別。未銳化的影像MTF值單調遞減。下圖中的相機B就是一個典型例子。銳利化後的影像（如右圖所示，出自《修正誤導性影像品質測量》）在邊緣和MTF反應上都呈現出凸起或峰值。右側的邊緣可以被描述為經過了強烈的銳化，但並非過度銳化。
銳利化總結－由於不同的銳利化程度會使影像間的比較變得困難，您應該檢查邊緣/MTF圖，以尋找明顯的銳利化痕跡。如果可能，不同相機上的銳利化程度應保持一致。如果無法做到這一點，謹慎選擇總結指標可能會有所幫助。建議使用MTF50P或MTF面積峰值歸一化。
例如：一種用於測量特定尺寸物體清晰度的醫學影像系統
這裡以Rezchecker圖表為例，其整體尺寸為 1-7/8 英吋高 x 1-5/8 英吋寬。 （具體尺寸與相機之間的比較關係不大。）
客戶希望比較兩款截然不同的相機，用於醫療應用，該應用需要對特定視野範圍內的物體進行高品質成像，即該應用是以物體為中心的。
每台相機都拍攝了一張 Rezchecker 色卡。以下是圖像。這些影像可以使用固定SFR模組（可以分析多個邊緣的 MTF）或Rescharts斜邊 SFR 模組（僅適用於單一邊緣）進行分析。
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由於我們不知道這些相機的實體像素尺寸（可以在感測器規格表中找到，但通常不在 EXIF 資料中），因此我們選擇以「每個特徵高度的線寬」為單位。如果像素尺寸已知，則可以使用「每物體毫米的線對數」作為單位（此單位較標準，也方便比較）。以下是 Rescharts 斜邊 SFR 的設定視窗。
可選的輔助讀數（被下拉式選單遮擋）包括 MTF50P 和 MTF Area PkNorm（已歸一化至峰值）。特徵高度（相機 A 為 114 像素；相機 B 為 243 像素）需要針對每張影像單獨測量：這在任何影像編輯器中都很容易做到（我在 Imatest 影像統計模組中繪製了一個矩形並測量了其高度）。為每張影像手動輸入特徵高度有些不方便，因此建議使用「每物體毫米週期數」（如果已知感測器像素間距）。
比較結果
感興趣區域（ROI）小於最佳值，尤其是相機 A，其 ROI 僅為 15×28 像素，遠低於建議的最小值。這無疑會影響測量精度，但測量結果仍足以用於比較兩台相機。
由於沒有明顯的銳化（邊緣附近沒有「光暈」；MTF響應曲線沒有凸起或峰值），因此標準匯總指標是等效的。 MTF50僅在存在強烈銳利化時才會失效。
在 Rezchecker 的細節解析方面，相機 B 勝出。其 MTF50P 值為 54.8 LW/特徵高度，比相機 A 的 MTF50P 值（45.8 LW/特徵高度）高出 20%。詳細資訊請參考下方的附錄。
概括
為了比較規格差異很大的相機（像素尺寸、像素間距、視野角等），需要根據任務（或應用）對影像進行分類。我們定義了兩種非常廣泛的任務類型。
磨利 這使得比較變得複雜。仔細觀察邊緣/MTF圖，尋找可見或可測量的銳化跡象。關鍵的銳化測量指標是過衝。如果可能，影像的銳化程度應該相似。建議使用MTF50P或MTF面積峰值歸一化作為總結指標。不建議使用MTF50，因為它對軟體銳利化過於敏感，因此可能無法準確反映系統的固有銳利度。這在「修正誤導性影像品質測量」一文中有詳細解釋。 |
附錄：相機 A 和 B 的邊緣/MTF 結果
