动态范围对手机拍照质量的影响

肖利平, 姜义重, 吴洪清

(珠海格力电器股份有限公司, 广东 珠海 519070)

引 言

随着科技的迅猛发展,智能手机得到长足的发展,在手机拍照功能上从起始NOKIA的30万像素提升到目前的2 100万像素,同时对广角、动态范围都提出了更高的要求,其中手机拍照的动态范围成了衡量手机拍照功能的一项重要指标。本文从研究手机拍照的动态范围的标准要求入手,对测试的标准、测试的模型、测试的方法进行解析,进而对手机拍照的动态范围与拍照质量的关系进行分析。

1 成像系统动态范围概念的引入

动态范围(dynamic range,DR),最早是信号系统中使用的概念。一个信号的动态范围被定义成最大不失真电平和噪声电平的差,实际使用中多用对数值表示。后来因为技术的发展,动态范围概念引入到成像系统中,动态范围表示被摄图像中所包含的从“最暗”到“最亮”的变化范围(最亮为最接近曝光的亮度,最暗为只剩下噪声时的亮度),其表示方法是图像最亮部分与最暗部分亮度的比值(单位用dB表示),即

(1)

式中:Lmax为最接近曝光的亮度;Lmin为只剩下噪声时的亮度。

为了更好地满足动态范围的要求,引入了高动态范围(high dynamic range,HDR)的概念,对于HDR其原理就是相机自动降低亮部的亮度和提高暗部的亮度,防止出现暗部较黑和亮部较白的现象,目的在于使被摄图像的高光部分不过曝,暗部细节又能保留。通常在拍摄高光画面时,可缩小光比,营造一种高光不过曝、暗调不欠曝的效果,让亮处保持鲜亮,暗处保留更多细节,能够分辨物体的轮廓和深度,而不是一团模糊的黑色。

通常认为,对于固定场景,当动态范围与人眼能处理的亮度范围相接近时(约100 dB),则称为高动态范围。

2 动态范围测试标准的研究

2.1 测试环境的要求

标准ISO 15739[1]规定了数码相机及拍照手机动态范围测试条件:温度23 ℃±2 ℃、相对湿度50%±20%、光源照度变化小于±2%、自动白平衡、镜头前可加红外滤波器。

根据标准ISO 15739规定,对于拥有1个8位的A/D数字转换器的摄像头,其灰度值范围为0～255,测试时,图卡背景环境的灰度值应在合适的范围内(110～130),如果测试图卡背景环境的灰度值超出规定范围,会影响所拍摄标准图卡图片色块的曝光度,造成测试误差。

2.2 测试图卡的要求

根据标准ISO 15739要求,在测试时可以采用测试图卡测量相机动态范围,而测试图卡必须满足标准ISO 14524的要求,需要采用ISO 14524推荐的光电转换函数(opto-electronic conversion function,OECF)标准测试图卡。

3 动态范围测试模型的建立及测试方法

3.1 动态范围测试模型的建立

根据ISO 14524[2]标准建议的测试图卡类型(透射式和反射式图卡)不同,建立不同测试模型,本文以透射式图卡动态范围的测试模型为例,进而研究动态范围的测量方法。

图1 采用透射式图卡的测试模型Fig.1 Testing model based on transmission target

根据实验室采用的透射式图卡建立相应的测试模型,该模型应该具备稳定的积分球均匀光源照明、OECF标准透射式图卡、照度计、均匀板以及相关的测试控制软件等。建立的模型如图1所示,图中:光源箱采用积分球均匀光源,用于提供一个多色温、可调亮度的均匀照射光源;均匀板用于打散光通量,让光均匀分布;摄像头通过对测试图卡的拍摄,获取软件分析的图像。

3.2 动态范围的测量

手机动态范围就是手机的摄像头能够记录的从全黑到全白之间的最大影调范围,动态范围越大被记录的图像信息就越丰富。而研究手机摄像头拍照动态范围就需要通过光电转换函数OECF进行研究,光电转换函数OECF描述了电子静态图像拍摄系统的输入场景亮度值的对数与输出数字信号值之间的函数关系,是研究数码相机成像性能的基础[3]。

根据ISO 14524标准规定,采用图2所示的OECF标准图卡(透射式图卡OECF20)为拍摄图卡。测试图卡由20级呈光谱中性漫射面的矩形灰阶模块组成,灰阶模块之间的视觉密度是按照灰阶模块等间隔的立方根亮度值级数递增,其描述的是单位面积或体积中,满足视觉快感和信息传达的量的多少。

视觉密度为未插入图卡处于测试图卡位置的漫照射体亮度与插入图卡时透过标准图卡的亮度之比的常用对数[4],即

D=lg(L/Lt)

(2)

式中:L为未插入图卡处于测试图卡位置的漫照射体亮度;Lt为插入图卡时透过标准图卡的亮度。

测试图卡的周边背景视觉密度满足方程式

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

(3)

式中:Dd为最暗的灰阶模块视觉密度;D1为最亮的灰阶模块视觉密度。

本测试采用测试图卡,可通过旋转中心圆盘,调节周围背景视觉密度值。

图2 OECF20Fig.2 OECF 20

图3 OECF20图卡的灰阶模块标号Fig.3 Gray-scale markers of OECF 20

对于一个OECF测试图卡,第一步就应该确定构成的图卡灰阶模块的最大和最小的视觉密度值(Dmax和Dmin)。根据这些值,计算得出测试的最大亮度比ΔYmax

ΔYmax=10Dmax-Dmin

(4)

(5)

(6)

OECF测试图卡分为两类:反射式和透射式。ISO规定了4种对比度:20∶1、160∶1、1 000∶1和10 000∶1标准反射型。本测试采用 OECF20测试卡对比度10 000∶1,可测得更大动态范围值。表1为ISO 14524列出的4种对比度(20∶1、160∶1、1 000∶1、10 000∶1)标准OECF测试图卡和OECF20测试图卡的视觉密度标准值。

表1 灰阶模块密度Tab.1 Density of the gray-scale marker

由式(2)可得

Li=10-DiL

(7)

式中:Di为第i块灰阶模块的视觉密度;Li为视觉密度Di的灰阶模块的亮度;L为处于测试图卡位置的漫照射体亮度。

将式(7)代入动态范围DR[6]所表示的式(1)得

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

(8)

式中:Dmax为信噪比为1的灰阶模块的视觉密度值;Dmin为未出现饱和信号前最大灰阶模块的视觉密度值。

4 动态范围测试结果

表2是某型号样机1的OECF测量结果,表中:R、G、B为三基色亮度量化灰度;Y为亮度量化灰度;SNR为信噪比;D为视觉密度。由表2可知,图卡图像亮度在灰阶模块4已达到完全饱和曝光,灰阶模块5接近亮度饱和达到250.0,D8=0.29,而信噪比SNR=1为灰阶模块20与19之间的灰阶,通过换算Dmax=3.27,则动态范围DR=20×(3.27-0.29)=59.6 dB。图4为样机1 OECF/SNR/Density关系图。

表2 OECF测试的测量结果Tab.2 The measured results of OECF testing

图4 样机1 OECF/SNR/Density关系图Fig.4 Relation of OECF,SNR and density of prototype 1

样机2测试结果如表3所示,由表3可知,图卡图像亮度在灰阶模块7已达到完全饱和曝光,灰阶模块8接近亮度饱和达到250.8,从表3可得D8=0.58,而信噪比SNR=1为灰阶模块20与19之间的灰阶,通过换算Dmax=4.17,则动态范围DR=20×(4.17-0.58)=71.8 dB。图5为样机2 OECF/SNR/Density关系图。

表3 样机2测试结果Tab.3 Meaured results of prototype 2

图5 样机2 OECF/SNR/Density关系图Fig.5 Relation of OECF,SNR and density of prototype 1

通过对比可知,样品2动态范围DR大于样品1。通过理论分析可以确定动态范围大的其拍摄出来的图片细节更加明显,轮廓更加清晰。动态范围越大,所能表现的层次越丰富,所包含的色彩空间也越广,因此手机的动态范围越大,它能记录影像的暗部细节和亮部细节越准确、丰富。在同一环境下分别用样机1、样机2各拍一组图片,得到如图6、图7所示的图片。

图6 样机1拍摄的图片Fig.6 Photo taken by prototype 1

图7 样机2拍摄的图片Fig.7 Photo taken by prototype 2

从两图可以明显看出,高动态范围的样机2拍摄的图片7在暗环境下成像质量好于样机1,对暗部记录的细节更丰富,而样机1拍摄的图片在暗环境下成像基本趋于一团黑。

5 结束语

本文基于ISO 14524标准介绍手机动态范围的测量方法。动态范围是成像质量的一个重要指标,是成像质量检测不可缺少的一部分。通过对动态范围测试标准、测试要求、测试方法的研究,明确了动态范围的大小以及和照片清晰度的关系,为测试以及开发人员提供了参考。