图像效果评估学习----图像基础知识（一）

因个人需要，总结一些图像处理过程中常见的一些概念。

白平衡

从字面上理解，即白色的平衡。而色彩学中，白色是指反射到人眼中的光线由于蓝、绿、红三种色光比例相同且具有一定 的亮度所形成的视觉反应。通俗的理解白色是不含有色彩成份的亮度。人眼所见到的白色或其他颜色同物体本身的固有色、光源的色温、物体的反射或透射特性、人眼的视觉感应等诸多因素有关，举个简单的例子，当有色光照射到消色物体时，物体反射光颜色与入射光颜色相同，既红光照射下白色物体呈红色，两种以上有色光同时照射到消色物体上时，物体颜色呈加色法效应，如红光和绿光同时照射白色物体，该物体就呈黄色。当有色光照射到有色物体上时，物体的颜色呈减色法效应。如黄色物体在品红光照射下呈现红色，在青色光照射下呈现绿色，在蓝色光照射下 呈现灰色或黑色。

摄像机的白平衡简单的说就是让白色所成的像依然为白色。由于人眼具有独特的适应性，使我们有的时候不能发现色温的变化。比如在钨丝灯下呆久了，并不会觉得 钨丝灯下的白纸偏红，如果突然把日光灯改为钨丝灯照明，就会觉查到白纸的颜色偏红了，但这种感觉也只能够持续一会儿。摄像机的Sensor并不能像人眼那样具有适应性，所以如果摄像机的色彩调整同景物照明的色温不一致就会发生偏色。那么什么是白平衡呢？白平衡就是针对不同色温条件下，通过调整摄像机内部的色彩电路使拍摄出来的影像抵消偏色，更接近人眼的视觉习惯。白平衡可以简单地理解为在任意色温条件下，摄像机镜头所拍摄的标准白色经过电路的调整，使之成 像后仍然为白色。这是一种经常出现的情况，但不是全部，白平衡其实是通过摄像机内部的电路调整（改变蓝、绿、红三个Sensor电平的平衡关系）使反射到 镜头里的光线都呈现为消色。如果以偏红的色光来调整白平衡，那么该色光的影像就为消色，而其他色彩的景物就会偏蓝（补色关系）。

工作原理：摄像机内部Sensor，他们分别感受蓝色、绿色、红色的光线，在预置情况下这三个感光电路电子放大比例是相同的，为1：1：1的关系，白平衡的调整就是根据被调校的景物改变了这种比例关系。比如被调校景物的蓝、绿、红色光的比例关系是2：1：1（蓝光比例多，色温偏高），那么白平衡调整后的比例关系为1：2：2，调整后的电路放大比例中明显蓝的比例减少，增加了绿和红的比例，这样被调校景物通过白平衡调整 电路到所拍摄的影像，蓝、绿、红的比例才会相同。也就是说如果被调校的白色偏一点蓝，那么白平衡调整就改变正常的比例关系减弱蓝电路的放大，同时增加绿和 红的比例，使所成影像依然为白色。

光照强度

光照强度是一种物理术语，指单位面积上所接受可见光的能量。光照强度是指单位面积上所接受可见光的能量，简称照度，单位勒克斯（Lux或Lx）。为物理术语，用于指示光照的强弱和物体表面积被照明程度的量。在光度 学(photometry)中，“光度”是发光强度在指定方向上的密度，但经常会被误解为照度。照度的国际单位是每平方米所接受的烛光（中国大陆、港澳称 坎德拉）。

发光强度为1烛光的点光源，在单位立体角（1球面度）内发出的光通量为“1流明”。烛光（Candela），音译“坎德拉”。烛光的概念最早是英国 人发明的，它是发光强度（Luminous intensity）的单位。当时英国人以一磅的白蜡制造出一尺长的蜡烛所燃放出来的光来定义烛光单位。而如今的定义已有了变化：以一立方厘米的黑色发光体加热，一直到该发光体将熔为液体时，所发出的光量的1/60就是标准光源，而烛光就是这种标准光源所放射出来的光量单位。

照度仪是用来测量光线强弱等级的专用设备。在某些特定的环境对光的照度是有严格要求的，如用人工对药品的检验就对光的照度有严格的要求。其原理是用锗光电池作探头，由于光的强度不同光电池产生的电流就不同，再把这个电流进行直流放大，再经过数模转换电路把直流信号变成直截反应光照强弱的数字信号显示出来。

摄像机测试一般在600±50Lux的照度下进行。

常见环境下的照度值:     

        ·晴天室外：10WLux

        ·阴天室外：1WLux

        ·室内日光灯：500Lux

        ·室内黄昏：100Lux

        ·1m处的烛光：1Lux

        ·夜间路灯：0.1Lux

色温

色温是表示光源光色的尺度，单位为K（开尔文）。

所谓色温，简而言之，就是定量地以开尔文温度（K）来表示色彩。英国著名物理学家开尔文认为，假定某一黑体物质，能够将落在其上的所有热量吸收，而没有损失，同时又能够将热量生成的能量全部以“光”的形式释放出来的话，它便会因受到热力的高低而变成不同的颜色。例如，当黑体受到的热力相当于 500---550℃时，就会变成暗红色，达到1050－1150℃时，就变成黄色，温度继续升高会呈现蓝色。光源的颜色成分与该黑体所受的热力温度是相对应的，任何光线的色温是相当于上述黑体散发出同样颜色时所受到的“温度”，这个温度就用来表示某种色光的特性以区别其它，这就是色温。打铁过程中，黑色的铁在炉温中逐渐变成红色，这便是黑体理论的最好例子。色温现象在日常生活中非常普遍，相信人们对它并不陌生。钨丝灯所发出的光由于色温较低表现为黄色调，不同的路灯也会发出不同颜色的光，天然气的火焰是蓝色的，原因是色温较高。正午阳光直射下的色温约为5600 K，阴天更接近室内色温3200K。日出或日落时的色温约为2000K，烛光的色温约为1000K。这时我们不难发现一个规律：色温越高，光色越偏蓝；色 温越低则偏红。某一种色光比其它色光的色温高时，说明该色光比其它色光偏蓝，反之则偏红；同样，当一种色光比其它色光偏蓝时说明该色光的色温偏高，反之偏低。

我们也可以用更形象一些的例子来解释色温。从 3300K 到 9300K 的温度变化情况下, 它发光的颜色分别是、红色、白色、蓝色。便于理解，你可以这么想象，火焰你肯定见过，内焰温度较低，外焰温度较高（蓝色），内焰温度较低的地方是黄色的 （暖色），于是火焰最外面温度最高的地方反而会是蓝色的（冷色），是不是有点反常识。而色温就是借助黑体的这个温度变化特性来量化色彩倾向的。色温数值低，偏黄，色温数值高，偏蓝，所谓的冷暖色调就是一种比较感性的叫法了。

摄像机测试通常会选择以下几个色温：

      ·F光源：2700K

      ·A光源：2856K 

      ·TL84光源：4000K

      ·D65光源：6500K

      ·D75光源：7500K 

锐度 Sharpness

锐度是最重要的单一图像质量评价因素：它决定了图像的细节表达能力。摄像设备或系统的锐度使用空间频率响应 SFR （Spatial Frequency Response）来衡量，也称为调制传递函数 MTF （Modulation Transfer Function）。MTF是指某一特定空间频率（以周期或线对/单位距离表示）的对比度。用 “50％MTF”来表示锐度的方法大大优于旧的表示方法，50％MTF表明细节从这个频率开始消失。在打印或显示系统中衡量锐度的指标是主观质量因素 SQF（Subjective Quality Factor），源于人类视觉系统的MTF和对比敏感度 CSF(Contrast SensitivityFunction)。

摄像系统的锐度取决于镜头（设计和制造质量，焦距，光圈，以及到图像中心的距离）和传感器（像素数和低通截止滤波器）。此外，锐度也受相机抖动（好的三脚架可以有所帮助）、对焦精度和大气扰动（热效应和灰尘）的影响。有些失去的锐度可以通过边缘强化来恢复，但边缘强化的能力是有限度的。在图像 MTF非常低（在10％左右）的情况下，它不能恢复图像的细节 。而且过度的边缘强化还可能降低图像质量（特别是在大的放大倍率下观察），造成“光圈”附 近出现相反的边界。

噪声 Noise 

噪声是一个随机变化的影像干扰，在胶片上是随机出现的颗粒而在数字图像上是像素水平的随机变化。它产生于材料的基本物理性质------图像传感器内部 热运动产生的电荷。噪声测量可以在几个Imatest模块中进行。Stepchart测量可以产生最详细的测试结果，但噪音也可以在 Colorcheck，SFR和uniformity中进行测量。噪声与传感器像素面积有很强的关系。它在数码单反相机中非常低，这类相机的像素至少5X5微米。但是，它在使用小传感器的紧凑型数码相机上变得非常恶劣，特别是在高ISO速度的情况下。当然噪声也受传感器技术和制造质量的影响。典型的降 噪软件的能通过平滑图像有效的降低随机噪声，但不能包括对比度变化很大的边界附近区域。这种技术很有效，但它会降低图像质量，丢失图像中低对比度部分的细节。

Dynamic range, contrast 动态范围、对比度 

      动态范围是指相机能够捕捉的照度等级的范围，通常用F -stops，EV（exposure value曝光值）来衡量 。它与噪声密切相关：高噪声意 味着低动态范围。对比度，也被称为gamma，是亮度的响应曲线。高对比度（显示在右侧）通常意味动态范围的损失，在图像显示的时候会裁剪掉阴影或明亮部 分的细节。（图片文件往往比被显示的图像有更大的动态范围。）  动态范围，灰阶响应，和gamma都是使用Stepchart在 transmission step wedge项目中测试的。动态范围是有关像素区域的重要指标，它正比于像素可以存储的电子数目。动态范围在数码单反 相机中必然更好（它的像素相当大;至少5微米面积），明显高于小型数码相机。相机设置在最低ISO速度时它的动态范围可以达到最大限度。 以大动态范围显 示的图像（超过1000:1 ; 10 F-stop）在印刷时可能会产生问题，印刷品的最大动态范围约100:1（略高于6F-stop; 200：1 是绝对最大值）。 

      镜头有一个内在的对比度：对比度越大越好。但镜头的实际对比度不完全取决于内在的对比度。它的结果受杂散光（flare light）的影响，光源处在镜 头的视场范围内还是视场范围外：即光线在镜片和镜筒之间是否有造成有害的反射。杂散光往往使图像雾化或模糊阴影部分的细节：它减少了动态范围。据我们所 知，没有绝对的标准来衡量镜头的对比度。但是你依然可以测量，或者至少是比较在不同的镜头和光圈下的反应。拍摄一张Q-13 chart张贴在一个延伸到 相机的视场范围之外的白板上的图像，通过Imatest的Stepchart功能分析它。如果使用一个黑的背景来代替白板，将有减少杂散光，因此有更高的 对比度。实际镜头的对比度取决于实际的场景。 

Color accuracy 色彩还原精确度 

      色彩还原（精确度）是一个重要的，但含糊不清的图像质量因素。许多观众更喜欢提高色彩饱和度：最准确的颜色不一定是最令人满意的。然而，衡量相机的色彩还原能力是十分重要的：包括颜色还原，饱和度和白平衡算法的有效性。 

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