数码照相机分辨率的自测评估

郑晓东 吕玮阁 虞仲晓

信息时代，图像记录装置无处不在。除了我们传统的数码照相机，还包括手机摄像头、安防摄像头等，应用于摄影、人脸识别、机器视觉、汽车驾驶、影视制作、视频直播、医疗等各行各业。图像记录装置的一个重要技术指标是所记录图像的分辨率。提到分辨率，一般用户首先想到的是照相机或摄像模组所用CMOS影像传感器的像素数，这也是手机或照相机厂家向用户提供的主要技术参数之一。但要获得好的成像质量，需要CMOS影像传感器像素数量和镜头成像质量相匹配，再加上好的图像处理软件（照相机固件）才能获得满意的结果。单纯增加像素数并不一定意味着更好的图像质量。在影像传感器受光尺寸固定的情况下，增加像素数量，意味着要减少每个像素的感光面积。通常情况下，这会减少每个像素所能够累计的光电子数，不利于获得高信噪比的图像。因此，用户没有必要单纯追求高的像素数。

在这里，我们介绍一种自己在家里也可以做的数码照相机分辨率评测方法，大家可以用这种方法评测自己相机的分辨率特性，用于比较不同照相机与镜头组合的真实成像特性。该方法也是国家标准《GB/T 19953～2005数码照相机 分辨率的测量》里所推荐的方法，但由于测试条件无法全部达到标准规定的要求，测试结果仅供个人参考，用于比较自己或朋友间不同相机与镜头组合的分辨率特性，探寻镜头的“最佳光圈”。具有法律效力的正规测试仍需要委托国家照相机质量监督检验中心等国家认证的专业检测机构。

一、 准备测试图

根据自己的需要，测试用的测试图可以在网络上下载pdf文件自己打印，也可以购买商用产品。在网络浏览器的搜索引擎中输入“ISO 12233”，搜索内容选择“图片”，就可以找到一些可供下载的图片文件。最新版本的ISO 12233：2014测试图包括了正弦和光电转化率的测试图案，自己打印不易准确重现测试卡的技术要求。对个人用户，我们仍推荐使用国家标准GB/ T 19953～2005中推荐的旧版ISO 12233 ： 2000测试图案，如图1所示。

打印测试图所用打印机的分辨率应该尽量要高，推荐使用激光打印机进行打印，打印用纸可以选择专用的照相用纸或白度较高的一般A4打印纸。国家标准的要求是，测试图白色背景和黑色线条部分的反射率之比小于80并大于40倍。打印完后，可用放大镜检查一下测试卡楔形线条末端（最细的部分）线条之间是否黑白线的间隔清晰可辨？测试卡中的楔形线为双曲线形，如图2。在整个测试图中分布有多组，用于分别测量视场不同区域的分辨率。线条横向配置的图案，测量镜头的垂直方向分辨率；竖直设置的图案，评价镜头水平方向分辨率；45°斜放的，評价斜向分辨率。每个方向配置的图案一般分两组，一组有5条双曲线，对应低分辨率区，标记的数字是1～5；另一组有9条双曲线，对应高分辨率区，对应的数字为6～20（中心区域）或6～10（边缘区域）。

购买或自制好测试卡后，将测试卡固定到光照均匀的墙壁或支架上，使测试卡与地面保持垂直。

二、拍摄测评

将被测照相机或手机安装到三脚架上，对准测试图。前后调整相机与测试卡之间的距离，使相机视场的上下边缘与测试图外缘黑色框中向上（下边缘）和向下（上边缘）的白三角形所指示的测试卡边缘对齐。图3是测试卡上边缘黑、白三角形相对指示的测试卡边缘示意图。即将照相机视场的上、下边缘分别对准测试图上、下边缘的黑白边界转换处，并对准测试图中心。根据照相机视场的宽、高比，照相机的左右边缘视场将与测试图中的4：3、3：2或16：9的横向三角形所标识的边界对齐。

如果调整过程中无法精确对准，可以通过图像的后续处理对测试结果进行修正。

为了对准方便，也可以在测试卡的中心区域放置一块小的反射镜，调整照相机，使照相机经镜子反射后的像在视场的中心区，如图4所示。由于照相机经反射镜所成的虚像到照相机的物距是测试卡到照相机物距的2倍，要观察照相机的清晰反射像需要进行调焦。图4中a和b是镜头焦点分别对焦到测试图和照相机经反射镜所成虚像时的图像；图4a中，测试图的线条清晰，照相机的反射像模糊；而图4b中，照相机的反射像清晰，线条不清晰。

拍摄时照相机各类参数的设定：

拍摄测试图时，被评测照相机的设置应调整为出厂时的初始设定状态，无法确定初始设定时则按照常用参数来设置。白平衡根据拍摄测试图时所用照明光源的光谱特性予以调整。即，日光照明的话，选择日光白平衡；如使用其他光源照明，选择对应的白平衡选项。优先选择自动白平衡模式，ISO100或以下，记录像素数设置为照相机的最高像素数。调焦方式可分别选择手动和自动两种方式拍摄，并对测试结果进行比较。

照相机方位对准、参数设定完成后，就可以拍摄测试卡的图像。对于变焦镜头，可根据自己的需要，选取长焦、中焦、短焦三个焦距位置分别拍摄。比如，对55～210mm的镜头，分别对55mm、100mm、210mm三个焦距进行评测。焦距变化后，照相机距离测试图的位置也需要重新调整，以便使测试图的全高（即纵向黑/白三角形顶尖所指示的上下边缘之间的有效高度）正好充满照相机高度方向的视场。如果无法使测试图的全高正好充满照相机的全高视场，比如，三脚架各轴的调整精度有限，照相机位置和方位对准困难；广角镜头拍摄时存在较大畸变，测试图边缘成像后不再是直线，或者照相机的分辨率已经高于测试图所能提供的最高分辨率等情况，可以使测试图全高成像后只占照相机视场全高的一部分，在判读时对结果进行换算，详细处理方法见第3节，结果判读。

由于测试图中只有黑白两种图案，通过观察照片的直方图分布检查照片的曝光是否合适。应将测试图中白色背景对应的灰度水平控制在直方图的未饱和区域内，即照片直方图的最右边部分不要有很多像素分布。

三、结果判读

拍摄完成后，将所拍摄的照片导入计算机，对结果进行判读。用看图软件将所拍摄的测试图显示在计算机的显示器上。为了便于观察，可以對图片进行任意倍率的放大缩小，放大倍率以观察舒适为宜。

目视判读的原则是，对照片中分辨率测量用楔形图（如图2所示）从低分辨率区域（5条双曲线）向高分辨率区（9条双曲线）域扫视，仔细寻找照片中楔形线的线条数发生变化的位置。在低分辨率区，双曲线由5条模糊为4条，高分辨率区是双曲线由9条混杂为8条。如图5所示，图中矩形区1右边所对应的双曲线为5条，而矩形区2右边所对应的双曲线混叠成了4条，虚线箭头所指示的位置即为我们要判读的分辨率数值。该位置所对应的数字乘以100，即为该视场的分辨率，单位为：线数/像高，记作：LW/PH。它所代表的是在整个像高范围内照相机能够分辨多少条线。视觉分辨率高于600LW/PH时，统一以50LW/ PH分档取值；低于600LW/PH时，则以10LW/PH分档取值。

除目视判读外，有兴趣的读者也可以尝试用计算机软件对结果进行自动判读。比较常用的软件有国产的“Iseetest”，下载网址为：http：//www.iseetest.com/；美国的“Imatest”，下载网址为：https：//www.imatest.com/，等。这些软件的试用版都可以免费下载试用。

如果所拍摄图像中，测试图高度未充满照相机的视场全高，需对数据进行如下处理：

用Photoshop或其他相应软件测量所拍摄的测试图全高在照片中高度方向的像素数，照片全高的像素数应该是已知的（比如，1220万像素的图像一般为4272×2848，即像高方向的像素数为2848）。当测试图在高度方向未充满照相机视场全高时，分辨率的测评结果应为：

四、实测案例

图6为所拍摄的示例照片及其直方图。从直方图中可见，测试图部分的像素基本都分布在直方图的中部及左侧。直方图可以从相机显示屏上观察或通过Photoshop、ACDsee等读取。从照相机给出的的直方图就可检查曝光是否合适。图7为将测试图中心视场部分的楔形线部分放大后的局部判读图。

判读出结果后，可按照表1的格式记录所测得的数据。

其中，图像像素数可通过Photoshop、ACDsee或画图板软件获得，本示例照片的像素数为6000×4000。照片中测试图全高在垂直方向的像素数为：958。根据第3节所给公式（1）换算后，分辨率最后结果应为：视觉读数 （4000/958）×100。

需要注意的是，表1中，45°方向的部分分辨率没有判读结果。这是因为照相机的性能超出了所拍摄测试卡的测试范围。需要采用具有更高分辨率的测试图样，即具有更密集的条纹的测试图进行测试。或者在一定范围内，通过拉大拍摄距离，缩小拍摄测试图的方法进行拍摄和判读。测量视场远角区域的分辨率时，若左、右上（下）角都有判读值，则取其平均值为上（下）角分辨率判读值。

国标规定，对被检数码照相机视觉分辨率的评价，可选用下列任一方案：

（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。

选定好评价方案后，就可以对不同型号的相机分辨率性能进行直接比较了。