数位像机测试概要.ppt

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1、1,數位像機測試概要,數位相機快速風行，幾乎已經到了人手一台的地步。一台數位相機是好是壞，評論與見解也漸趨多元化。從早期解像能力到色彩表現，現今則幾乎著重於功能與外觀上。傳統相機的測試報告 仰賴作者過去直觀的經驗和看法，這主要是因為傳統的表現較難科學量化的緣故；許多介紹數位相機的雜誌或網站，不少還是將測試報告焦點放在實拍的部分，一來透過看圖說故事較容易說服讀者，二來複雜的測試圖表和數據，不見得人人都看得懂。,2,測試數位影像的區分,數位影像本身是一結果，討論結果的產生，必須深入探討每一個變數所產生的影響。例如：解像力的測試，就必須包含相機鏡頭、CCD感光元件、LSI 圖像引擎；再就色彩，色彩測

2、試中牽扯了雜訊影響、色彩還原、修正、對比、壓縮計算等等變數存在。以上每一種都應該針對極大或極小值去提供測試報告，方能看出一台數位相機完整的性能。受限於人力與物力，這樣的作法大約只能存在各家數位相機製造廠的實驗室當中。一般的測試表現，瞭解解像力和色彩應為最適合的途徑。,3,數位相機的解像力測試,比起色彩測試，解像力比較具備較精準判斷的價值，這是因為對大多數不可替換鏡頭的消費型數位相機來說，從出廠的那一刻起其解像能力的表現幾乎被決定了。解像能力，顧名思義就是指在固定的距離範圍內，你的相機到底能拍出多細的景物。這個能力即使在數位時代的今天，也鮮能被後製處理進一步加強（後續的文章中我們將進一步證明）。

3、換言之，如果你的數位相機解像能力很差，即使你的後製手段和技法很優異，也難將林換成樹,4,ISO12233 解像力測試,ISO 國際標準組織制訂了數位解像力測試方法和標準，幾乎目前所有的數位相機測試都是依循著這個標準走。日本主要是以判斷數字軸線的解像力表現為主。美系的測試則鎖定利用 SFR 計算標準來測定解像力的表現。,5,數位相機的色彩表現,KODAK的標準色卡Q-13 Q-13 中包含了兩組色卡灰階和單色色塊卡，灰階卡中包含有20個灰階色塊，濃度比由0.51.95，主要測試：1.反射進入相機的色調，2.曝光大小和比重，3.平衡比,6,彩色色卡中則包含了9種顏色/2階段不同的濃度。目前使用Q-

4、13的測試相當廣泛，從國外的數位影像專業網站 DP REIVEW 到許多美日的影像專業雜誌都使用此一系統。使用該色卡可以簡易的判斷色塊在拍攝時的變化，進而推論出適合配光和拍攝對應。但可惜的是由於 Q-13 沒有色階表，因此無法判斷整體影像的色相和飽和度。,（附註：Q-13原長尺寸：8英吋，Q-14為同型色卡長度為14英吋。）,7,KODAK Q60/IT8 標準色階卡,Q60-E3 中包含了最下方的灰階色層，用以判斷相機的Gamma值。色階分層共有六種顏色可以看出彩度的變化以及人像圖用作對人體膚色還原的部分評析。Q60是目前各大雜誌（國內的PC SHOPPER）以及國外數位網站（IMAGE R

5、ESOURCE）最常使用的測試標準圖表。Q60 主要用於影像掃描器、印表機的校準居多，也有少數的測報引用 Q60 作為判別。Kodak 也特別為 Q60 製作了不同的版本，包括：透射版，適用於底片掃描器。,8,GretagMacbeth Graycard（灰卡）和 ColorChecker（色校卡）在今日已經逐步取代 Kodak Q系列成為新一代的色彩校正標準。Macbeth 的特色不僅在於其色塊大、辨認容易，還可以輕鬆結合其搭配的免費或付費軟體進行快速比較和運算，使用上相當方便。價格昂貴是其一大缺點，單位售價幾乎是 Kodak 係標準的三倍。,9,測試解像力之基本理論MTF,數位影像測試兩大

6、項目：解像力和色彩。解像力 Resolution開始。其實摒除那些嚇人的圖表和數據，測試解像力簡單的說就是量度、計算影像從清晰-模糊之間的轉換點。受限於光學材料和其他種種的因素，每一個鏡頭、每一台數位相機都有其分辨能力的極限。解像力測試就是應用科學的方法將這個極限找出來。,10,為了可以清楚的計算解像力的數據，目前使用歷史最悠久，也同時是最多人採用的就是 MTF=Modulation Transfer Function為基礎的測試程序。MTF主要是引進反差對比的概念來檢定鏡頭解像力，使用者必須對空間頻率/Spatial frequency這個概念進行瞭解。所謂空間頻率就是1mm的寬度中（或是等

7、寬的其他單位），正弦濃度變化反覆有幾次的意思（請想像空間頻率如同海浪一樣的波型變化）。,11,本充足的反差可以很容易辨識出兩條線來，而當空間頻率加大時，也就是線條越緊密時，反差也逐漸縮小，終於反差衰減到全部變成灰色，再也分辨不出黑白條紋來，就表示鏡頭的解像力已到極限（如 下圖所示）。,12,USAF 1951,早期的鏡頭精細度還沒有達到現代的標準時，解像力測試圖可以說相當的簡單，甚至使用今日家庭用的印表機設備都可以輕易複製。最早的標準 MTF 系列中，首推 USAF1951，這是美國空軍於1951年開發出來，軍用代號為 MIL-STD-150A，主要適用於偵照設備的檢測，後來淪為民用鏡頭與顯微

8、鏡的測試標準。藉由 測試標的設備來拍攝以下 MTF 測試圖，可以得到兩種數據：對比和銳利度，再藉由計算線條密度 和 MTF 之間的關係，我們就可以將數據轉換成下圖：,右圖為MTF隨著空間線條的增加而減少的情形,13,水平和垂直的測試範圍,由於多數的鏡頭是圓形，因次測試線條除了可以是直的外 測試垂直象限的表現外，也可以測試橫向線條來理解水平象限的表現。所以，透過數據的整理繪製成圖之後，我們大致上可以看出以下四種模式：,14,這樣的線條模式，代表其銳利度和對比非常的好，MTF值幾乎沒有衰減。,這張圖表示鏡頭的解像力表現相當好，但紅虛線(40 lp/mm)的異常下降告訴我們，這個鏡頭對結構細膩的物件

9、拍攝仍有它的極限。,15,16,ISO12233/WG18解像力測試圖,這張名為 Digital CINE Camera Resolution Chart 同樣是根植於 ISO12233 標準而建立。除了保有原來的測試標準外，也針對未來數位影像器材的發展，擴大展圖比例，同時也囊括了更高解析度的判讀元素（針對千萬畫素以上 DSLR），CINE 圖展達 60 cm x 144cm，售價高達 600美元。,17,ISO12233 標準解像力測試圖,PIMA/ISO Camera Resolution Chart ISO12233/WG18,18,不同年代的解像力測試圖：,左：NBS 1963A Mi

10、crocopy Target/右：NBS 1952 Resolution Target,19,PIMA/ISO Camera Resolution Chart ISO12233/WG18上面用紅色號碼標記的五個點，為此圖特有用於目測解像力之性能：垂直解像力條(Vertical Res)-可目測鏡頭對垂直影像的解像力。對比指示條（Contrast Indicator)-用於顯示在空間頻率不同下的對比狀況。對角線解像力條（Diagonal Res)-45度傾斜的對角線解像力條。中央對焦區(Center Focusing Area)-兩種不同頻率的同心圓，協助對焦。水平解像力條（Horizontal

11、 Res)-可目測鏡頭對水平影像的解像力。新版 Digital CINE Camera Resolution Chart 加上了 Sector Star Target 可以測試散光效果,20,SFR 美系測量的新標準,新名詞 SFR！Spatial frequency response(SFR)主要是用於測量隨著空間頻率的線條增加對單一影像的所造成影響。簡言之SFR就是MFT的精簡版。因為測量MFT需取得昂貴的正弦樣版，並且需換算大量的數據。因此，PIMA開發了這款 較低成本的SFR作為替代品。基本上SFR只需一個雙色調的黑白斜線（如下左圖所示）即可換算出約略相等於MFT的值的解像力評鑑圖。,

12、21,計算解像力數據的電腦軟體,日本 CIPA ISO12233 標準解像力測試軟體 HYRes3.1HYRes 3.1運作原理依據 MTF，而非SFR；程式介面分成切割區(Trim）與測量區（Measure）兩大部分，使用時須切割下解像力尺（如紅框），電腦會自動檢查尺上的臨界點，再經由換算得出解像力線數,相關 HYRes3.1 原文說明和下載請參照以下網址,22,美系的測試軟體 Imatest 美系的解像力計算大多以 SFR 為基礎，相對提供的資訊也更為完整複雜。Imatest 是近期以來發表相當不錯的數位影像測試軟體，涵蓋了 SFR、色彩、雜訊以及兼用於印表機、掃描器等進行完整測試內容。系

13、統建立於知名的數學運算平台 Matalab，可靠性相當高，製圖內容相當有深度 相關網址：http:/,23,正式解讀SFR測試數據,數位影像後製處理流程。按照今日的標準，越是往高端（Hi-END）取向的攝影師，越不希望在拍照的過程中，加入更多干涉的結果，例如：對比、色調與銳利化調整等等；相反地越是往消費者端，就越是希望相機能代勞一切，按下快門的同時直接取得漂漂亮亮的成果，無須再做任何的修改。由於有這兩個極端的狀況存在，許多廠商開發出影像 演算法則，將原始的影像檔案變得更犀利，而這之中銳利化調整是相當普遍的作法。我們必非認定銳利化調整一定不好，相反的適度的 Image sharpness 有助於

14、 MTF 的增進，然而每一種影像設備都有銳利化調整程度的極限，過度銳利化的結果，反而會造成影像細節的喪失、加大雜訊的顆粒，最後毀掉整幅照片。（下圖左：相片原圖、中：正常銳利化、右：過度銳利化）,24,25,銳利化在解像力上的影響在 SFR 的思考之中，如何納入銳利化的同時，一樣能得出相對應的計算結果就是我們看圖時需要思考的目標。因此，Imatest 安排了兩種曲線：第一種是來自圖檔的原始資料所繪成的 SFR 值，另一個則是根據此一SFR曲線的表現，自動判斷它是否加了（或沒有）銳利化的值，再根據銳利化通則正推（或反推）回原來的表現，兩種數據都具有參考 指標。應用 Hyres3.1 來檢測 Kon

15、icaMinolta D7D 解像力,26,SFR 實用意義何在？,學會了辨識正確 SFR 的技巧，那其實用價值為何呢？SFR/MTF50 並不是因測試數位相機而設計，只是眾多媒體宣傳下藉以評估不同相機的結果，倒果為因。未來同學走入出版業界，擔任專職的攝影師或是印前出版編輯時，需要科學化瞭解你手上照相機的能耐或你同事拍得照片到底合不合用，SFR演算法將可提供你些許的幫助。例如：你想要為大禮堂輸出一幅大型的海報（高30英吋），假設你已經知道你的 KonicaMinolta D7D+24-105mm 鏡頭的解像力為 1325 LW/PH 則根據以下公式：,27,色彩重現的理論與模型,運用 MTF/

16、SFR 我們可以充分建構並還原解像力模式，讓解像力得以正確地數據化；接下來我們則要將焦點放在色彩重建的部分。很多同學都知道色彩是由三原色：紅色R、綠色G和藍色B所組成的，但如何將我們眼睛中顏色的類比訊號，轉換到 CRT 或 LCD 螢幕上的數位訊號，再從螢幕的數位訊號轉成印刷用的 CMYK 規格呢？再者，每一種不同的設備之間是如何溝通色彩和定義？如何才能讓作者眼中的真實色彩，完完全全的忠實地呈現在平面或螢幕上,28,色彩重現模型,29,色彩 v.s.數字,然而單單只是靠上述的系統來描述色彩還是不夠的，實際物體上所表現出的色彩尚還必須包括色相，飽合度以及亮度，也就是（HSB模式）請參看下圖。色相

17、（Hues）為色彩由物體反射或透射出來的顏色。表示的方式為色彩在標準色環上的位置，以介於0到360的角度表示。一般使用時，色相是以顏色的名稱來區分，如紅色、橙色或綠色等。飽和度(Saturation)，又稱彩度，是顏色的強度或純度。飽和度表示灰色和色相的相對比量，表示方式為從0%（灰色）到100%（完全飽和）的百分比。在標準色環上，飽和度由中心向外圍增加。亮度(Brightness)為顏色的相對亮度或暗度，通常的表示方法是從0%（黑色）到100%（白色）的百分比。,30,31,評定色彩還原力的方法,其實就和解像力測試模式 相近；也就是利用一組標準色版，在標準環境下拍攝，取得數據之後再去比較與原

18、始值之間的差異，就可以概略的知道設備偏色的程度。ColorChecker 簡易色彩測試ColorChecker 因為簡單易用已經逐漸變成業界的主流。基本上，色彩校正包含的範圍除了，色彩本身之外，還有雜訊表現、動態範圍、白平衡等項目。色彩（Color)在數位化的世界中是以一個3D三維空間的座標表現（La*b*），L 代表明度，a*b*代表顏色座標（座標規範請見第75講 CIELAB色彩空間說明）。如果要討論相機完整的色彩表現，理應測試完整L值；不過，這樣 光是測試數據就會龐大到令人無法分析的地步。要求測試簡單明瞭，我們勢必取一定值的明度L表現，來分析對應的 a*b*位置，這就像將整條火腿，切下薄

19、薄的一片來品嚐味道一樣。,32,KonicaMinolta D7D 數碼效果（飽和度變化：左-2/中0/右+2）測試,33,數位影像的雜訊測試判定,雜訊如何產生？區別數位與傳統影像，雜訊（Noise）是一個重要的觀察指標。取代傳統底片的數位感光原件 CCD/CMOS（相關電子感光原件的介紹請參考前面的講座）本身就是一個消耗能量（電力）的設備。有能源的消耗，自然就會產生熱量，熱導致晶片材質的電子活動加劇，受熱的電子不斷的運動而產生了電流，形成所謂的暗電流（Black Level）,34,蓋上鏡頭蓋長時間曝光8秒的 Olympus E-10 畫面(放大16倍）上明顯出現雜訊產生的白點（黃框）一般感

20、光原件的暗電流範圍通常在 0.075nA/cm22.0 nA/cm2之間理想的光感測器其暗電流應該是零，但現實世界裡這樣的理想材質還在研究階段。當然，還有其他因素同樣會影響暗電流的產生，然而熱卻是最顯著的影響因素。暗電流的存在，讓即使沒有 光進入數位相機之中，卻因光電二極體自行釋放的電流，彷彿開了另一道窗口感應光線；當暗電流電壓與低亮度光的電壓相當時，感光原件的畫素就彷彿看到了景物，從而導致曝光，並將結果呈現在畫面上。,35,雜訊消除 Noise ReductionSNR=Signal/Noise（單位 dB）SNR數據需要於光亮臨界點之處，想取得清楚影像時非常有用。由於開發低雜訊比材質之困難

21、度太高，攜帶型相機設備又不適合運用成本高的散熱機制。因此，處理雜訊的方法轉而用內建韌體或軟體的方式來執行，例如：同時拍攝兩張照片，其中一張係關閉光圈拍攝之，用以比對可能會出現的雜訊處，從而消除之，稱之 Noise Reduction。,上：ISO12233測試原圖 SN=116.4 下：加強銳利化後 SN 降到13.68 訊噪曲線也有了改變,36,Noise 雜訊檢測 數位相機的雜訊檢測，你可以用很簡單的方式，蓋上鏡頭蓋，直接長時間曝光（一般消費型數位相機約2秒，專業型可以手動調整M模式，取得8秒甚至 bulb 的曝光時間）。再將影像拉回到電腦軟體之中，啟動色調分佈圖（見右上），比較與純黑影像

22、的區別（右下圖）。,37,色像差與動態範圍檢測,色像差（Chromatic Aberration）和動態範圍（Dynamic Range）在數位相機上表現的差異，較難用肉眼直接察覺。色像差本身牽涉鏡頭與鏡片原始設計與材質，而動態範圍更是從感光原件性能到影像韌體處理流程等都有影響。這兩種性能，對一般的玩家來說，比較難以瞭解，甚至即使是老經驗的攝影師，往往也是到了拍攝特定場景時才發現此一差異。雖然，目前的後製技術已經可以修復色像差所造成的影響，但是對動態範圍來說，已經失去細節的部分還是很難還原。什麼是色像差色像差(Chromatic aberration)，主要成因是當光線通過不同介質時，不同頻率

23、的光波產生不同的折射路徑，至終將光線分解為由紅到紫的彩色光譜；這個現象同樣也存在於攝影鏡頭的光學鏡片之中，因而導致各色光線無法落在同一點而形成暈開的色散。由於多數人的視覺習慣是以相片的中心為起點，而這種現象常發生於劣質鏡頭拍攝照片之邊緣處（見下圖所示），一般的使用者較難察覺到此一情況。,38,色像差可分為兩大類1.光軸的色像差：起因於鏡片本身的材質影響進入鏡片的光線 路徑，並造成各種顏色的色光折射率不同，讓藍色光系在離焦點較近處成像，紅色系則在較遠處；可藉由不同折射係數的光學鏡片和設計（例如：螢石）得到修正。2.倍率色像差：發生在鏡片相互修正上，當凹面鏡補償了焦點位置的光軸色像差之後，整體產生

24、的色光仍然不能一致 所導致。這是因為色光的波長不同，焦距亦不一樣，所以產生的影像的倍率便因顏色而異，影像的大小會產生色偏移。,39,鏡頭設計上的缺陷，常導致某特定角度、焦段、光圈時，邊緣影像有紫光或色像差(Chromatic Aberration)產生,40,數位影像測試總評,白平衡檢測（White Balance）白平衡差異（White Balance）影響數位相機的色彩表現甚鉅，雖然大多數的數位相機自動白平衡（AUTO WB）都能應付一般的拍攝狀況。不過，若將白平衡誤差 更進一步以（K）色溫來區分，則誤差普遍存在於各廠家的設定之中。ColorChecker 特別針對白平衡部分設計了圖塊檢測

25、，標示(1)為原始攝影圖塊、標示（2）則為理想的 ColorChecker HSV值合併運算曝光之表現以及標示(3)原始 ColorChecker 理想值，以 HSV 和 K 兩種系統顯示白平衡的誤差比值。,41,鏡頭光衰減（Light Fall Off）採用多重鏡片組合設計的鏡頭，鏡片材質、形狀，或多或少都會影響光線路徑和光量大小；不同於色像差，Light Falloff 主要是判別自鏡頭中央 起至整幅畫面邊緣位置于拍攝均勻光線下所產生的光差。理想鏡頭於均勻光線下，自中心到邊緣的光分佈應為相同，但實際上卻不容易 做到，形成許多攝影人員口中的暗角現象。光衰減檢測，可以看出鏡頭中心到邊緣影像光線

26、不均勻分佈的情形,42,影像器材數據化量測綜合評量,相機是否固定於穩定的三角架（反光鏡是否鎖起）；相機機身是否會晃動影像畫質 相機與測試標的距離是否恰當 相機是否正確與測試標的完成對焦；對焦選擇是否正確、對焦點是否位於正確中心 影像格式和壓縮比是否正確選擇（RAW格式是否可以選擇）；過高的壓縮比或過低的解析度，同樣影響畫質的表現 環境 Gamma 值的選擇；環境亮度影響畫質清晰表現甚鉅 清潔工作是否確實；無論鏡頭表現、UV濾鏡、保護鏡，甚至於相機內之 CCD/CMOS 等，沾染上灰塵等，都將影響後續的測試值 鏡頭的設定；測試標的是否位於有效的景深內（鏡頭之光圈和焦長是否正確設定）；測試 DSLR 最好可以選擇定焦鏡頭 光線的位置；直射光線易造成測試標的的反光，影響判別。,