數碼照相機色彩還原與鏡頭色貢獻關系研究

上海市質量監督檢驗技術研究院 龔錢冰，奚玉成，于西龍，韓帥

一、引言

機器視覺系統不可或缺的部分是光學鏡頭。成像的質量和算法的實現及效果都會受到光學鏡頭極大的影響。光學鏡頭行業的最上游為光學玻璃、光學塑料等光學材料產業，上游為光學元件、電子元件、機械結構件等，其中核心是光學材料和光學元件。隨著光學理論的完善、結構設計的優化、加工技術的提高，鏡頭種類日趨繁多，價格區間較大，擁有較廣泛的用戶市場[1]。評價一個鏡頭性能是否優質時最常用的一個重要指標就是色貢獻指數，它指的是在其他條件都相同的情況下，無鏡頭與有鏡頭相比改變光學成像的整個色彩程度的三個數的標志。對于數碼照相機其中一個最重要的成像性能就是色彩還原，它是成像系統還原被拍攝物體顏色能力的體現。

針對數碼照相機的成像特點，本文依據《GB/T29298-2012數字（碼）照相機通用規范》《GB/T 9917.1-2002 照相鏡頭 第1部分：變焦距鏡頭》 和 《GB/T 9917.2-2008 照相鏡頭 第2部分：定焦距鏡頭》進行了色彩還原色貢獻指數測試試驗，通過對實驗數據的整合分析，得到了數碼照相機色彩還原和鏡頭色貢獻指數之間的關系，通過研究它們之間的關系旨在為實際拍攝提供借鑒和指導[2]。

二、理論分析

受不同的電子光學鏡頭組、電子影像傳感器和圖像處理技術模塊應用的影響，成像設備的性能有很大的差距。首先，光學鏡頭進行圖像取景，從物體處獲得光信號，光信號通過鏡頭組聚焦在電子影像傳感器上。隨后通過采樣方式將原來的光信號轉化為數字信號，將光學鏡頭取到的景數字化，這樣就得到了“數字底片”，光學鏡頭組和電子影像傳感器的相關性能優劣就可以在數字底片中得到較好的體現。數字底片與傳統相機中的膠卷底片是相類似的。因此數字底片的優劣直接影響了最后得到的照片。膠卷底片到照片需要進行沖印，而數字底片變成照片則需要圖像處理模塊的加工，數字底片形成后，圖像處理模塊會按照程序編程中的設定對“數字底片”進行處理修改，最后獲得成片。成像需要經歷的流程如圖1所示。

所有的成像設備的成像原理基本一致，都需要經過如圖1所示的過程，與數字移動終端相比，數碼照相機對成像要求會更多，所以多了快門和光圈，增加了對曝光的控制，而且在光路的設計上會更加復雜。

圖1 數碼照相機成像原理圖

數碼照相機按下快門后，物體發出的光線經過多個鏡頭組的匯聚后將光照到相機對應的感光元件上，位于感光元件上的光電二極管接受來自物體的光信號后，光子的能量給了光電二極管PN結共價鍵上被束縛的電子，使得電子掙脫束縛，成為光生載流子，形成電信號，光的強度不同形成的電信號的強度也不同。相機控制芯片收集并輸出感光元件上不同的電信號。在進入數模轉換器之前，模擬電信號先要經過放大和濾波，而后模擬信號經過轉換為數字信號，數字信號的大小與經過放大和濾波后的模擬電信號的強度高低成正比，最后形成數字圖像，此時的數據最大可能地保留了拍攝物體細節和面貌，沒有通過軟件處理。原始的數字圖像獲得后，下一步要做的就是數字信號處理[3]。圖像數據會按照數字信號處理器的軟件設置經過色彩校正、白平衡調整等后期處理，最后被編碼后保存到存儲介質。

三、試驗部分

本次試驗針對數碼照相機的成像系統性能的色彩還原部分和鏡頭的色貢獻指數進行測試，其他性能部分（如分辨率、白平衡、均勻性等）不在本次試驗考慮范圍內。由數碼照相機進行拍攝和存儲照片，測試用照片在拍攝后的數據分析和相關的測試結果均由專業處理軟件進行。

（一）色彩還原

成像性能通常會用色彩還原度來進行考量，它是成像系統還原被拍攝物體顏色能力的一種體現。本次試驗在色溫為6500K的光源照射條件下拍攝標準彩色測試圖，通過比較三原色紅（R）、綠（G）、藍（B）的測試值與CIE標準值之間的偏差來判斷成像性能的優劣。

目前主流的照相機生產廠商會在保證顏色不嚴重失真的情況下在圖像處理模塊中加入顏色管控功能，使得成像效果更加艷麗。這種顏色管控功能主要是改變紅（R）、綠（G）、藍（B）三原色的比例。按照“色彩還原”項目中平均色彩還原誤差值從小到大的順序抽取了六個型號的照相機拍攝彩色測試圖。

（二）鏡頭色貢獻指數

鏡頭的色貢獻指數，在其他條件都相同的情況下，無鏡頭與有鏡頭相比改變光學成像的整個色彩程度的三個數的標志。

鏡頭的軸向光譜透射比，是指當入射的單色光束與鏡頭光軸平行時，透過鏡頭的光通量Φλ1與相應的入射光通量Φλ2之比，用公式（1）表示。

式中τ（λ）是波長為λ時鏡頭的光譜透射比。

藍（B）、綠（G）、紅（R）光譜透射比值分別先求對數，然后都分別減去一個同樣的正整數，使其中最小的一項等于零，然后各項小數分別乘以100，使其余小數全部消除。最后計算得到的三個數即為這組鏡頭的色貢獻指數。如表1所示。

表1 色貢獻指數計算

這時，色貢獻指數表示為：GB/CCI=0/5/4。

（三）鏡頭色貢獻指數與色彩還原試驗結果比對

1.色彩還原

式（2）中：

△Eab：彩色標板上每塊色塊的CIE LAB色差；

Lm、am、bm：CIE LAB 色空間的明度指數（L）和色品指數（a、b）的測得值；

Ln、an、bn：CIE LAB色空間的明度指數（L）和色品指數（a、b）的標準值；

表2所示為樣品1的色彩還原度。

表2 樣品1的色彩還原度

2.色貢獻指數

表3為樣品1的色貢獻指數。

表3 樣品1的色貢獻指數

這時，色貢獻指數表示為：GB/CCI=0/4/2。

同等試驗條件下，我們總共對10臺照相機和10臺手機分別進行了色彩還原和色貢獻指數測試，得到20組實驗數據，如下結論是通過對數據的比對分析得到：對于照相機而言，其色彩還原和色貢獻指數偏差較小，且色彩還原偏差越小的產品，其色貢獻指數也越接近基準值；而對于手機而言，色彩還原和色貢獻指數偏差較大，但其色彩還原和色貢獻指數偏差也呈現一定的正相關性。

四、結語

在影像傳感器缺陷與像面亮度均勻度方面，數字移動終端與數碼照相機基本無區別，但色彩還原和色貢獻指數方面存在明顯區別，整體表現是照相機色彩還原和色貢獻指數偏差優于數字移動終端。

數字移動終端生產廠商可以給予拍攝者更多權限，增加“原始圖像編碼數據”功能，使得拍攝者獲得模數轉換后數字信號的權限，即可以使拍攝者能在獲得光源圖像后用感應器將捕捉到的所有光源圖像信號自動轉化成為拍攝數字信號后的所有原始數據的圖像權限。去除自動圖像處理，可以給用戶更多自主選擇的權利。有助于消費受眾范圍的擴大，吸引更多專業的攝影愛好者，為后期制作提供更大的發揮空間，也有利于數字移動終端成像系統的良性發展。