鄭曉東 呂瑋閣 虞仲曉

信息時代，圖像記錄裝置無處不在。除了我們傳統(tǒng)的數(shù)碼照相機，還包括手機攝像頭、安防攝像頭等，應用于攝影、人臉識別、機器視覺、汽車駕駛、影視制作、視頻直播、醫(yī)療等各行各業(yè)。圖像記錄裝置的一個重要技術指標是所記錄圖像的分辨率。提到分辨率，一般用戶首先想到的是照相機或攝像模組所用CMOS影像傳感器的像素數(shù)，這也是手機或照相機廠家向用戶提供的主要技術參數(shù)之一。但要獲得好的成像質(zhì)量，需要CMOS影像傳感器像素數(shù)量和鏡頭成像質(zhì)量相匹配，再加上好的圖像處理軟件（照相機固件）才能獲得滿意的結果。單純增加像素數(shù)并不一定意味著更好的圖像質(zhì)量。在影像傳感器受光尺寸固定的情況下，增加像素數(shù)量，意味著要減少每個像素的感光面積。通常情況下，這會減少每個像素所能夠累計的光電子數(shù)，不利于獲得高信噪比的圖像。因此，用戶沒有必要單純追求高的像素數(shù)。

在這里，我們介紹一種自己在家里也可以做的數(shù)碼照相機分辨率評測方法，大家可以用這種方法評測自己相機的分辨率特性，用于比較不同照相機與鏡頭組合的真實成像特性。該方法也是國家標準《GB/T 19953～2005數(shù)碼照相機 分辨率的測量》里所推薦的方法，但由于測試條件無法全部達到標準規(guī)定的要求，測試結果僅供個人參考，用于比較自己或朋友間不同相機與鏡頭組合的分辨率特性，探尋鏡頭的“最佳光圈”。具有法律效力的正規(guī)測試仍需要委托國家照相機質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心等國家認證的專業(yè)檢測機構。

一、 準備測試圖

根據(jù)自己的需要，測試用的測試圖可以在網(wǎng)絡上下載pdf文件自己打印，也可以購買商用產(chǎn)品。在網(wǎng)絡瀏覽器的搜索引擎中輸入“ISO 12233”，搜索內(nèi)容選擇“圖片”，就可以找到一些可供下載的圖片文件。最新版本的ISO 12233：2014測試圖包括了正弦和光電轉(zhuǎn)化率的測試圖案，自己打印不易準確重現(xiàn)測試卡的技術要求。對個人用戶，我們?nèi)酝扑]使用國家標準GB/ T 19953～2005中推薦的舊版ISO 12233 ： 2000測試圖案，如圖1所示。

打印測試圖所用打印機的分辨率應該盡量要高，推薦使用激光打印機進行打印，打印用紙可以選擇專用的照相用紙或白度較高的一般A4打印紙。國家標準的要求是，測試圖白色背景和黑色線條部分的反射率之比小于80并大于40倍。打印完后，可用放大鏡檢查一下測試卡楔形線條末端（最細的部分）線條之間是否黑白線的間隔清晰可辨？測試卡中的楔形線為雙曲線形，如圖2。在整個測試圖中分布有多組，用于分別測量視場不同區(qū)域的分辨率。線條橫向配置的圖案，測量鏡頭的垂直方向分辨率；豎直設置的圖案，評價鏡頭水平方向分辨率；45°斜放的，評價斜向分辨率。每個方向配置的圖案一般分兩組，一組有5條雙曲線，對應低分辨率區(qū)，標記的數(shù)字是1～5；另一組有9條雙曲線，對應高分辨率區(qū)，對應的數(shù)字為6～20（中心區(qū)域）或6～10（邊緣區(qū)域）。

購買或自制好測試卡后，將測試卡固定到光照均勻的墻壁或支架上，使測試卡與地面保持垂直。

二、拍攝測評

將被測照相機或手機安裝到三腳架上，對準測試圖。前后調(diào)整相機與測試卡之間的距離，使相機視場的上下邊緣與測試圖外緣黑色框中向上（下邊緣）和向下（上邊緣）的白三角形所指示的測試卡邊緣對齊。圖3是測試卡上邊緣黑、白三角形相對指示的測試卡邊緣示意圖。即將照相機視場的上、下邊緣分別對準測試圖上、下邊緣的黑白邊界轉(zhuǎn)換處，并對準測試圖中心。根據(jù)照相機視場的寬、高比，照相機的左右邊緣視場將與測試圖中的4：3、3：2或16：9的橫向三角形所標識的邊界對齊。

如果調(diào)整過程中無法精確對準，可以通過圖像的后續(xù)處理對測試結果進行修正。

為了對準方便，也可以在測試卡的中心區(qū)域放置一塊小的反射鏡，調(diào)整照相機，使照相機經(jīng)鏡子反射后的像在視場的中心區(qū)，如圖4所示。由于照相機經(jīng)反射鏡所成的虛像到照相機的物距是測試卡到照相機物距的2倍，要觀察照相機的清晰反射像需要進行調(diào)焦。圖4中a和b是鏡頭焦點分別對焦到測試圖和照相機經(jīng)反射鏡所成虛像時的圖像；圖4a中，測試圖的線條清晰，照相機的反射像模糊；而圖4b中，照相機的反射像清晰，線條不清晰。

拍攝時照相機各類參數(shù)的設定：

拍攝測試圖時，被評測照相機的設置應調(diào)整為出廠時的初始設定狀態(tài)，無法確定初始設定時則按照常用參數(shù)來設置。白平衡根據(jù)拍攝測試圖時所用照明光源的光譜特性予以調(diào)整。即，日光照明的話，選擇日光白平衡；如使用其他光源照明，選擇對應的白平衡選項。優(yōu)先選擇自動白平衡模式，ISO100或以下，記錄像素數(shù)設置為照相機的最高像素數(shù)。調(diào)焦方式可分別選擇手動和自動兩種方式拍攝，并對測試結果進行比較。

照相機方位對準、參數(shù)設定完成后，就可以拍攝測試卡的圖像。對于變焦鏡頭，可根據(jù)自己的需要，選取長焦、中焦、短焦三個焦距位置分別拍攝。比如，對55～210mm的鏡頭，分別對55mm、100mm、210mm三個焦距進行評測。焦距變化后，照相機距離測試圖的位置也需要重新調(diào)整，以便使測試圖的全高（即縱向黑/白三角形頂尖所指示的上下邊緣之間的有效高度）正好充滿照相機高度方向的視場。如果無法使測試圖的全高正好充滿照相機的全高視場，比如，三腳架各軸的調(diào)整精度有限，照相機位置和方位對準困難；廣角鏡頭拍攝時存在較大畸變，測試圖邊緣成像后不再是直線，或者照相機的分辨率已經(jīng)高于測試圖所能提供的最高分辨率等情況，可以使測試圖全高成像后只占照相機視場全高的一部分，在判讀時對結果進行換算，詳細處理方法見第3節(jié)，結果判讀。

由于測試圖中只有黑白兩種圖案，通過觀察照片的直方圖分布檢查照片的曝光是否合適。應將測試圖中白色背景對應的灰度水平控制在直方圖的未飽和區(qū)域內(nèi)，即照片直方圖的最右邊部分不要有很多像素分布。

三、結果判讀

拍攝完成后，將所拍攝的照片導入計算機，對結果進行判讀。用看圖軟件將所拍攝的測試圖顯示在計算機的顯示器上。為了便于觀察，可以對圖片進行任意倍率的放大縮小，放大倍率以觀察舒適為宜。

目視判讀的原則是，對照片中分辨率測量用楔形圖（如圖2所示）從低分辨率區(qū)域（5條雙曲線）向高分辨率區(qū)（9條雙曲線）域掃視，仔細尋找照片中楔形線的線條數(shù)發(fā)生變化的位置。在低分辨率區(qū)，雙曲線由5條模糊為4條，高分辨率區(qū)是雙曲線由9條混雜為8條。如圖5所示，圖中矩形區(qū)1右邊所對應的雙曲線為5條，而矩形區(qū)2右邊所對應的雙曲線混疊成了4條，虛線箭頭所指示的位置即為我們要判讀的分辨率數(shù)值。該位置所對應的數(shù)字乘以100，即為該視場的分辨率，單位為：線數(shù)/像高，記作：LW/PH。它所代表的是在整個像高范圍內(nèi)照相機能夠分辨多少條線。視覺分辨率高于600LW/PH時，統(tǒng)一以50LW/ PH分檔取值；低于600LW/PH時，則以10LW/PH分檔取值。

除目視判讀外，有興趣的讀者也可以嘗試用計算機軟件對結果進行自動判讀。比較常用的軟件有國產(chǎn)的“Iseetest”，下載網(wǎng)址為：http：//www.iseetest.com/；美國的“Imatest”，下載網(wǎng)址為：https：//www.imatest.com/，等。這些軟件的試用版都可以免費下載試用。

如果所拍攝圖像中，測試圖高度未充滿照相機的視場全高，需對數(shù)據(jù)進行如下處理：

用Photoshop或其他相應軟件測量所拍攝的測試圖全高在照片中高度方向的像素數(shù)，照片全高的像素數(shù)應該是已知的（比如，1220萬像素的圖像一般為4272×2848，即像高方向的像素數(shù)為2848）。當測試圖在高度方向未充滿照相機視場全高時，分辨率的測評結果應為：

四、實測案例

圖6為所拍攝的示例照片及其直方圖。從直方圖中可見，測試圖部分的像素基本都分布在直方圖的中部及左側(cè)。直方圖可以從相機顯示屏上觀察或通過Photoshop、ACDsee等讀取。從照相機給出的的直方圖就可檢查曝光是否合適。圖7為將測試圖中心視場部分的楔形線部分放大后的局部判讀圖。

判讀出結果后，可按照表1的格式記錄所測得的數(shù)據(jù)。

其中，圖像像素數(shù)可通過Photoshop、ACDsee或畫圖板軟件獲得，本示例照片的像素數(shù)為6000×4000。照片中測試圖全高在垂直方向的像素數(shù)為：958。根據(jù)第3節(jié)所給公式（1）換算后，分辨率最后結果應為：視覺讀數(shù) （4000/958）×100。

需要注意的是，表1中，45°方向的部分分辨率沒有判讀結果。這是因為照相機的性能超出了所拍攝測試卡的測試范圍。需要采用具有更高分辨率的測試圖樣，即具有更密集的條紋的測試圖進行測試?；蛘咴谝欢ǚ秶鷥?nèi)，通過拉大拍攝距離，縮小拍攝測試圖的方法進行拍攝和判讀。測量視場遠角區(qū)域的分辨率時，若左、右上（下）角都有判讀值，則取其平均值為上（下）角分辨率判讀值。

國標規(guī)定，對被檢數(shù)碼照相機視覺分辨率的評價，可選用下列任一方案：

（1）最低分辨率；

（2）最低分辨率、水平平均分辨率和垂直平均分辨率；

（3）最低分辨率、水平平均分辨率和垂直平均分辨率和45°平均分辨率；

（4）最低分辨率和最高分辨率；

（5）最低分辨率、最高分辨率和45°平均分辨率。

選定好評價方案后，就可以對不同型號的相機分辨率性能進行直接比較了。