数位相机系统评估方法.docx

1、数位相机系统评估方法 數位相機系統評鑑方法雖然影像評鑑會牽涉許多量測細節，不過從相機問世至今感度、解析度、噪訊SN比卻一直是非常重要的基本測試項目。進行影像定量評鑑時必需有合適的被測物、方法以及測試項目、步驟與評鑑標準，有鑑於此本文將介紹日本JEITA(日本電子技術產業協會)制定的CCTV機器規範與測試方法，同時探討有關CCD數位相機系統評鑑技術。標準攝影狀態 照明條件表1是JEITA定義的相機照明條件。穿透式chart的面照度項目是以chart輝度表示，表中記載的635cd/m2(nit)等同於2000lx的照明完全擴散時面的輝度，亦即等價於反射式chart所獲得的結果。所謂反射式chart

2、是為了獲得的影像特性，因此利用外部光線照射至由印刷方式製成的玻璃材質表面，藉此完成影測試目的之測試圖案(test chart)。項目彩色相機黑白相機single device23 device光源的色溫3010K100K3010K100K3010K100K反射式chart的面照度2000lx100lx2000lx100lx2000lx100lx穿透式chart的面照度63531 cd/m263531 cd/m263531 cd/m2照度或是輝度的不均性5%以下5%以下5%以下 表1 JEITA定義的照明條件相機的設定條件表2是JEITA定義的相機評鑑項目，表中的符號是指測試後，必需依照各別sp

3、ec項目詳細記載設定條件。項目彩色相機(single device)彩色相機(23 device)黑白相機Gain upAGC白平衡光圈(aperture)detail電子shutter同步黑平衡-gamma儲存modeKnee特性陰影補正 表2 JEITA定義的相機評鑑項目感度感度分為以各光波長為對象之分光感度，以及以太陽光、照明光的視感領域整體為對象之一般感度兩種，數位相機則採用一般感度。此外相機的感度還可用標準感度與最高感度兩種方式表示。有關標準感度與最高感度具體內容如下:標準感度標準感度主要是為了要清楚顯示相機的各種特性能均衡性而設，它規定影像level(0.7Vp-p)所獲得的被照體

4、照度與此時鏡片的F Number1500lx，F:8方式表示。標準感度與後述的SN比有密切的關連，例如提高像增幅器的增幅感度，理論上感度看似已被提高，事實上單純的增加增幅感度會使SN比惡化，亦即增幅感度與SN比兩者的特性均衡非常重要。最高感度打開鏡頭光圈攝取chart影像後，chart的亮度逐件降低。從相機輸出的影像level達到0.35 Vp-p時稱為最高感度(亦即被照體最低照度)。通常AGC之類的相機影像增幅度感都被設成最高狀態。界限解析度判讀被照體細部一般是利用圖1所示的解析度chart測試方式，具體方法是讀取chart水平方向縱式楔狀條數，與垂直方向橫式楔狀條數兩者的極限，再以界限解析

5、度TV條數方式表示，也就是說TV條數是以讀取白色與黑色條數為計量單位；而鏡片解析度則是將白色與黑色pear視為一體讀取。由於界限解析度是利用每個人的視認所獲得，而界限解析度會隨著相機的光圈補正量、monitor的輝度特性以及個人的差異不斷改變，因此極不易獲得正確的實驗資料。圖1 解析度chart為了減少誤差因此利用如圖2所示的示波器(oscilloscope)系統量測作line select，雖然示圖中的波器使用延遲掃引，不過主掃引A與延遲掃引B所構成的B gate輸出，卻是B掃引的時間延遲脈衝(pulse)。圖2 解析度量測系統測試步驟(a).調整解析度測試chart後攝取chart影像。(

6、b).調整鏡頭焦距直到可讀取測試chart上之楔形最大值的影像為止。(c).調整彩色相機的白平衡(white balance)。(d).調整示波器的同步化，直到可line select如圖3(a)的楔形部份影像為止。(e).針對測試chart進行line select 200TV量測如圖3(b)所示4條楔形的寬度d1(s)。(f).接著針對測試chart進行line select 300TV量測4條楔形的寬度d2(s)(g).移動line select尋找4條楔形界限點(圖3(c)，並量測楔形的寬度dx(s)(h).利用下式計算界限解析度RLIM(TV條)。換根據計算結果得知界限解析度為325

7、TV條。圖3 利用楔形部份量測數位相機的解析Response方法以上介紹的方法是利用攝影取得楔形圖片進行line select，再用TV條的方式量測楔形部份的影像振幅。接著要介紹AR量測方法，AR(Amplitude Response)也稱為CTF(Contrast Transfer Function)，AR量測方法是以100%的200 TV條為基準，再以TV條為橫軸，%為縱軸作成圖4之AR座標。雖然CTF有時也被稱為MTF(Modulation Transfer Function)，不過MTF所觀察的楔形部分的波形，應該是正弦波而不是矩形波，所以嚴格來說MTF量測方法也不夠嚴謹。圖4 CTF

8、的量測結果SN比基於下列兩種情況才會利用SN比表示:先將lens cross量測暗部噪訊，再求取與0.7Vp-p額定level之比時，需用SN比表示。lens未cross使光線射入，利用包含shot noise與CCD畫素之間的level差值再內的noise level，求取SN比時需用SN比表示。SN比的量測方式可分為一般量測方法與特殊量測方法兩種，具體內容如下所述:(a).一般量測方法如上所述定值影像輸出(一般是0.7Vp-p)包含輸出level S(peak to peak)與影像輸出之噪訊level SN比(實效值)，其中定值影像輸出通常是用是用SN比表示 。由於量測時由於光線會成為定

9、值level，因此必需先使光線射入，其它條件則依照下列JEITA的規定:相機動作條件:相機的動作條件如下所示:設定項目設定條件Gain up0 dBAGCOFF白平衡最佳化光圈OFF電子快門OFFGammaOFF測試系統如圖5所示之測試系統中噪訊儀(noise meter)可藉由各種顯示器，顯示噪訊實效值與SN比。需注意的test chart必需使用全白的chart。量測方法雖然噪訊儀的設定條件可隨測試目的改變，不過JEITA針對噪訊儀的設定值作以下規定: 設定項目設定條件HPF100kHzLPF4.2MHzSC TrapONWeightON輸出levelPreset需注意的是如此設定時噪訊儀

10、的SN比是以-dB值表示。圖5 噪訊量測系統(b).特殊量測方法雖然特殊量測方法量測NTSC、PAL與高畫質(high vision)等TV相機時，有合適的噪訊儀可供選用，不過CCD數位相機的掃描線條、每秒取像格數有別於標準方式，因此標準方式的噪訊儀無法量側CCD數位相機，必需利用示波器量測噪訊的peak to peak值，再取peak to peak值與定值影像輸出兩者的比，接著換算peak to peak值與實效值，最後再加上15dB之方式計算，需注意的是這種計算方式需量測暗部的噪訊值。量測實例假設定值影像輸出為0.7Vp-p，噪訊電壓為10mVp-p，SN比可用下式求得:量測數位訊號輸出

11、的SN比以上計算例主要是計算類比號信輸出的相機SN比，數位信號輸出的相機SN比則使使用JAI公司開發的計算方法，詳細操作步驟如下所述:.先將數位信號加入frame memory。.依照下列公式計算噪訊實效值:.接著利用式(3)計算SN比dB 。 RSND=201og10Esp-p/NRMS Esp-p:信號的peak to peak值(8bit時為256，10 bit時為1024)。Sheeting光學系統與CCD性能造成畫面出現大面積的明暗不均現象稱為sheeting，sheeting可因出現部位不同分為垂直sheeting與水平sheeting兩種。sheeting的量測方法是利用示波器觀

12、察水平與垂直波形，並使畫面中央成定值level，接著從畫面端緣量測10%位置的level。中央部位的level為AVp-p，10%位置的level為BVp-p，再以下列公式計算sheeting SH% 。值得一提的是附有微鏡片(micro lens)的CCD的光軸中心若與CCD的中心發生偏離時，就會產生sheeting現象。Smear原本smear是指CRT影像管的增幅器位相特性造成的歪斜，在白色影像後面產生水平拖曳尾巴，不過CCD數位相機是指白色被照體上下出現縱形白色拖曳，造成CCD數位相機發生smear現象，主要原因是強烈光線射入CCD時，光線滲入CCD的垂直轉送部，引發多餘電荷進而造成如

13、圖6所示之smear。smear的量測方法是使縱橫都是畫面垂直高度1/10的白色強光射入CCD，再量測上下的光線強度。隨著CCD製程的改善，smear現象幾乎不再是令人困擾的問題，一般而言CCD的smear可低於-80-100dB。圖6 smear實際圖片Gamma特性CRT monitor為了獲得自然對比(contrast)，通常會用相機作CRT的Gamma逆補正稱為Gamma補正。原本Gamma補正在收信端進行比較妥當，不過基於經濟性等考量因此從TV播放以來一直是採取送信端補正方式。最近數年CRT除外幾乎所有平面顯示器例如LCD、PDP、LED都改成收信端補正方式，如果直接搭配CRT的補正

14、方式顯然不妥，因此必需配合顯示器的種類再作補正。一般CRT的Gamma值為2.2，因此補正值是其逆數0.45，量測時使用圖7之Gamma chart。Gamma chart分為Gamma 1與Gamma0.45兩種，具體量測方法是利用待測物數位相機拍照Gamma0.45的chart，之後用波形monitor判讀波形是否成直線狀，判讀時必需注意高level與低level的變異。圖7 Gamma chart色再現性以上介紹有關黑白與彩色共通特性的量測方法，彩色相機則必需追加測試色再現性，測試時使用color bar chart之測試圖案與向量示波器 (vector oscilloscope)。圖8是JAI公司製作的彩色條紋圖案(color bar chart)，一般是依照明度順序白色在左側，不過JAI為了減少sheeting的影響，因此刻意將白色置於中央。圖8 白色置於中央之彩色條紋圖案圖9是信號發生器的彩色條紋以成向量方式表示之圖例。利用數位相機拍攝彩色條紋圖案，如果相機攝影特性很理想且彩色條紋圖案、照明以及其它條件都很匹配時，各顏色向量都會在圖中田字形符號內，因此量測時必需格外注意照明的色溫與均勻性，並確認彩色條紋圖案是否有褪色現象。圖9 彩色條紋之向量圖例