肖利平, 姜義重, 吳洪清

(珠海格力電器股份有限公司, 廣東 珠海 519070)

引 言

隨著科技的迅猛發(fā)展,智能手機(jī)得到長(zhǎng)足的發(fā)展,在手機(jī)拍照功能上從起始NOKIA的30萬(wàn)像素提升到目前的2 100萬(wàn)像素,同時(shí)對(duì)廣角、動(dòng)態(tài)范圍都提出了更高的要求,其中手機(jī)拍照的動(dòng)態(tài)范圍成了衡量手機(jī)拍照功能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。本文從研究手機(jī)拍照的動(dòng)態(tài)范圍的標(biāo)準(zhǔn)要求入手,對(duì)測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)、測(cè)試的模型、測(cè)試的方法進(jìn)行解析,進(jìn)而對(duì)手機(jī)拍照的動(dòng)態(tài)范圍與拍照質(zhì)量的關(guān)系進(jìn)行分析。

1 成像系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍概念的引入

動(dòng)態(tài)范圍(dynamic range,DR),最早是信號(hào)系統(tǒng)中使用的概念。一個(gè)信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍被定義成最大不失真電平和噪聲電平的差,實(shí)際使用中多用對(duì)數(shù)值表示。后來(lái)因?yàn)榧夹g(shù)的發(fā)展,動(dòng)態(tài)范圍概念引入到成像系統(tǒng)中,動(dòng)態(tài)范圍表示被攝圖像中所包含的從“最暗”到“最亮”的變化范圍(最亮為最接近曝光的亮度,最暗為只剩下噪聲時(shí)的亮度),其表示方法是圖像最亮部分與最暗部分亮度的比值(單位用dB表示),即

(1)

式中:Lmax為最接近曝光的亮度;Lmin為只剩下噪聲時(shí)的亮度。

為了更好地滿足動(dòng)態(tài)范圍的要求,引入了高動(dòng)態(tài)范圍(high dynamic range,HDR)的概念,對(duì)于HDR其原理就是相機(jī)自動(dòng)降低亮部的亮度和提高暗部的亮度,防止出現(xiàn)暗部較黑和亮部較白的現(xiàn)象,目的在于使被攝圖像的高光部分不過(guò)曝,暗部細(xì)節(jié)又能保留。通常在拍攝高光畫(huà)面時(shí),可縮小光比,營(yíng)造一種高光不過(guò)曝、暗調(diào)不欠曝的效果,讓亮處保持鮮亮,暗處保留更多細(xì)節(jié),能夠分辨物體的輪廓和深度,而不是一團(tuán)模糊的黑色。

通常認(rèn)為,對(duì)于固定場(chǎng)景,當(dāng)動(dòng)態(tài)范圍與人眼能處理的亮度范圍相接近時(shí)(約100 dB),則稱為高動(dòng)態(tài)范圍。

2 動(dòng)態(tài)范圍測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的研究

2.1 測(cè)試環(huán)境的要求

標(biāo)準(zhǔn)ISO 15739[1]規(guī)定了數(shù)碼相機(jī)及拍照手機(jī)動(dòng)態(tài)范圍測(cè)試條件:溫度23 ℃±2 ℃、相對(duì)濕度50%±20%、光源照度變化小于±2%、自動(dòng)白平衡、鏡頭前可加紅外濾波器。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO 15739規(guī)定,對(duì)于擁有1個(gè)8位的A/D數(shù)字轉(zhuǎn)換器的攝像頭,其灰度值范圍為0～255,測(cè)試時(shí),圖卡背景環(huán)境的灰度值應(yīng)在合適的范圍內(nèi)(110～130),如果測(cè)試圖卡背景環(huán)境的灰度值超出規(guī)定范圍,會(huì)影響所拍攝標(biāo)準(zhǔn)圖卡圖片色塊的曝光度,造成測(cè)試誤差。

2.2 測(cè)試圖卡的要求

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO 15739要求,在測(cè)試時(shí)可以采用測(cè)試圖卡測(cè)量相機(jī)動(dòng)態(tài)范圍,而測(cè)試圖卡必須滿足標(biāo)準(zhǔn)ISO 14524的要求,需要采用ISO 14524推薦的光電轉(zhuǎn)換函數(shù)(opto-electronic conversion function,OECF)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試圖卡。

3 動(dòng)態(tài)范圍測(cè)試模型的建立及測(cè)試方法

3.1 動(dòng)態(tài)范圍測(cè)試模型的建立

根據(jù)ISO 14524[2]標(biāo)準(zhǔn)建議的測(cè)試圖卡類型(透射式和反射式圖卡)不同,建立不同測(cè)試模型,本文以透射式圖卡動(dòng)態(tài)范圍的測(cè)試模型為例,進(jìn)而研究動(dòng)態(tài)范圍的測(cè)量方法。

圖1 采用透射式圖卡的測(cè)試模型Fig.1 Testing model based on transmission target

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室采用的透射式圖卡建立相應(yīng)的測(cè)試模型,該模型應(yīng)該具備穩(wěn)定的積分球均勻光源照明、OECF標(biāo)準(zhǔn)透射式圖卡、照度計(jì)、均勻板以及相關(guān)的測(cè)試控制軟件等。建立的模型如圖1所示,圖中:光源箱采用積分球均勻光源,用于提供一個(gè)多色溫、可調(diào)亮度的均勻照射光源;均勻板用于打散光通量,讓光均勻分布;攝像頭通過(guò)對(duì)測(cè)試圖卡的拍攝,獲取軟件分析的圖像。

3.2 動(dòng)態(tài)范圍的測(cè)量

手機(jī)動(dòng)態(tài)范圍就是手機(jī)的攝像頭能夠記錄的從全黑到全白之間的最大影調(diào)范圍,動(dòng)態(tài)范圍越大被記錄的圖像信息就越豐富。而研究手機(jī)攝像頭拍照動(dòng)態(tài)范圍就需要通過(guò)光電轉(zhuǎn)換函數(shù)OECF進(jìn)行研究,光電轉(zhuǎn)換函數(shù)OECF描述了電子靜態(tài)圖像拍攝系統(tǒng)的輸入場(chǎng)景亮度值的對(duì)數(shù)與輸出數(shù)字信號(hào)值之間的函數(shù)關(guān)系,是研究數(shù)碼相機(jī)成像性能的基礎(chǔ)[3]。

根據(jù)ISO 14524標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,采用圖2所示的OECF標(biāo)準(zhǔn)圖卡(透射式圖卡OECF20)為拍攝圖卡。測(cè)試圖卡由20級(jí)呈光譜中性漫射面的矩形灰階模塊組成,灰階模塊之間的視覺(jué)密度是按照灰階模塊等間隔的立方根亮度值級(jí)數(shù)遞增,其描述的是單位面積或體積中,滿足視覺(jué)快感和信息傳達(dá)的量的多少。

視覺(jué)密度為未插入圖卡處于測(cè)試圖卡位置的漫照射體亮度與插入圖卡時(shí)透過(guò)標(biāo)準(zhǔn)圖卡的亮度之比的常用對(duì)數(shù)[4],即

D=lg(L/Lt)

(2)

式中:L為未插入圖卡處于測(cè)試圖卡位置的漫照射體亮度;Lt為插入圖卡時(shí)透過(guò)標(biāo)準(zhǔn)圖卡的亮度。

測(cè)試圖卡的周邊背景視覺(jué)密度滿足方程式

Db=0.74((Dd-D1)/2.2)+D1

(3)

式中:Dd為最暗的灰階模塊視覺(jué)密度;D1為最亮的灰階模塊視覺(jué)密度。

本測(cè)試采用測(cè)試圖卡,可通過(guò)旋轉(zhuǎn)中心圓盤(pán),調(diào)節(jié)周圍背景視覺(jué)密度值。

圖2 OECF20Fig.2 OECF 20

圖3 OECF20圖卡的灰階模塊標(biāo)號(hào)Fig.3 Gray-scale markers of OECF 20

對(duì)于一個(gè)OECF測(cè)試圖卡,第一步就應(yīng)該確定構(gòu)成的圖卡灰階模塊的最大和最小的視覺(jué)密度值(Dmax和Dmin)。根據(jù)這些值,計(jì)算得出測(cè)試的最大亮度比ΔYmax

ΔYmax=10Dmax-Dmin

(4)

(5)

(6)

OECF測(cè)試圖卡分為兩類:反射式和透射式。ISO規(guī)定了4種對(duì)比度:20∶1、160∶1、1 000∶1和10 000∶1標(biāo)準(zhǔn)反射型。本測(cè)試采用 OECF20測(cè)試卡對(duì)比度10 000∶1,可測(cè)得更大動(dòng)態(tài)范圍值。表1為ISO 14524列出的4種對(duì)比度(20∶1、160∶1、1 000∶1、10 000∶1)標(biāo)準(zhǔn)OECF測(cè)試圖卡和OECF20測(cè)試圖卡的視覺(jué)密度標(biāo)準(zhǔn)值。

表1 灰階模塊密度Tab.1 Density of the gray-scale marker

由式(2)可得

Li=10-DiL

(7)

式中:Di為第i塊灰階模塊的視覺(jué)密度;Li為視覺(jué)密度Di的灰階模塊的亮度;L為處于測(cè)試圖卡位置的漫照射體亮度。

將式(7)代入動(dòng)態(tài)范圍DR[6]所表示的式(1)得

DR=20lg(Lmax/Lmin)=20(Dmax-Dmin)

(8)

式中:Dmax為信噪比為1的灰階模塊的視覺(jué)密度值;Dmin為未出現(xiàn)飽和信號(hào)前最大灰階模塊的視覺(jué)密度值。

4 動(dòng)態(tài)范圍測(cè)試結(jié)果

表2是某型號(hào)樣機(jī)1的OECF測(cè)量結(jié)果,表中:R、G、B為三基色亮度量化灰度;Y為亮度量化灰度;SNR為信噪比;D為視覺(jué)密度。由表2可知,圖卡圖像亮度在灰階模塊4已達(dá)到完全飽和曝光,灰階模塊5接近亮度飽和達(dá)到250.0,D8=0.29,而信噪比SNR=1為灰階模塊20與19之間的灰階,通過(guò)換算Dmax=3.27,則動(dòng)態(tài)范圍DR=20×(3.27-0.29)=59.6 dB。圖4為樣機(jī)1 OECF/SNR/Density關(guān)系圖。

表2 OECF測(cè)試的測(cè)量結(jié)果Tab.2 The measured results of OECF testing

圖4 樣機(jī)1 OECF/SNR/Density關(guān)系圖Fig.4 Relation of OECF,SNR and density of prototype 1

樣機(jī)2測(cè)試結(jié)果如表3所示,由表3可知,圖卡圖像亮度在灰階模塊7已達(dá)到完全飽和曝光,灰階模塊8接近亮度飽和達(dá)到250.8,從表3可得D8=0.58,而信噪比SNR=1為灰階模塊20與19之間的灰階,通過(guò)換算Dmax=4.17,則動(dòng)態(tài)范圍DR=20×(4.17-0.58)=71.8 dB。圖5為樣機(jī)2 OECF/SNR/Density關(guān)系圖。

表3 樣機(jī)2測(cè)試結(jié)果Tab.3 Meaured results of prototype 2

圖5 樣機(jī)2 OECF/SNR/Density關(guān)系圖Fig.5 Relation of OECF,SNR and density of prototype 1

通過(guò)對(duì)比可知,樣品2動(dòng)態(tài)范圍DR大于樣品1。通過(guò)理論分析可以確定動(dòng)態(tài)范圍大的其拍攝出來(lái)的圖片細(xì)節(jié)更加明顯,輪廓更加清晰。動(dòng)態(tài)范圍越大,所能表現(xiàn)的層次越豐富,所包含的色彩空間也越廣,因此手機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍越大,它能記錄影像的暗部細(xì)節(jié)和亮部細(xì)節(jié)越準(zhǔn)確、豐富。在同一環(huán)境下分別用樣機(jī)1、樣機(jī)2各拍一組圖片,得到如圖6、圖7所示的圖片。

圖6 樣機(jī)1拍攝的圖片F(xiàn)ig.6 Photo taken by prototype 1

圖7 樣機(jī)2拍攝的圖片F(xiàn)ig.7 Photo taken by prototype 2

從兩圖可以明顯看出,高動(dòng)態(tài)范圍的樣機(jī)2拍攝的圖片7在暗環(huán)境下成像質(zhì)量好于樣機(jī)1,對(duì)暗部記錄的細(xì)節(jié)更豐富,而樣機(jī)1拍攝的圖片在暗環(huán)境下成像基本趨于一團(tuán)黑。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文基于ISO 14524標(biāo)準(zhǔn)介紹手機(jī)動(dòng)態(tài)范圍的測(cè)量方法。動(dòng)態(tài)范圍是成像質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo),是成像質(zhì)量檢測(cè)不可缺少的一部分。通過(guò)對(duì)動(dòng)態(tài)范圍測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)、測(cè)試要求、測(cè)試方法的研究,明確了動(dòng)態(tài)范圍的大小以及和照片清晰度的關(guān)系,為測(cè)試以及開(kāi)發(fā)人員提供了參考。