摄像头拍照图像质量评价方法

近年来智能手机、Pad等移动终端设备迅速普及应用，人们对图像质量要求也越来越高。那么，如何评测手机获取数字图像的质量，成为手机制造商密切关注的热点。

企业或者检测机构对手机成像质量的检测多是参考ISO的相关标准。ISO 12233是测量成像设备空间频率响应（SFR）的标准[1]，ISO 15739是测量成像设备噪点的标准[2]，ISO 14524是测量成像设备光电转换函数OECFs的标准[3]。手机成像的特征不同于普通摄像设备，因此这些标准规定的相关条款不能完全满足手机成像质量检测的需要。因此，IEEE国际标准化组织成立了CPIQ（Camera Phone Image Quality）工作组，致力于研制配置摄像头的可移动设备成像质量检测方法标准[4]。

本文内容主要侧重于手机成像质量检测方法的理论分析与研究，着重讨论空间频率响应SFR、噪点和色彩还原精度的三个图像质量因子的检测与分析方法。

一、基本原理

1.空间频率响应测量

（SFR: Spatial Frequency Response）

空间频率响应，也称之为阶调传递函数，表达了成像设备获取空间物体细节的能力，表现为数字图像清晰度的指标[5-6]。一个理想的镜头透光率应为100%，但实际上都会有光损失，当这种损失在频率域中以对比度衰减测量时，称之为阶调传递函数（MTF：Modulation Transfer Function）。如图1所示，上半部分是正弦波图像，从左向右频率增加；下半部分是经过镜头模糊的图像，可发现随着频率的增加，对比度下降。

图1 频率与对比度关系示意图

对比度计算公式：

式1）中，C  表示对比度，Vmax 表示图像最高亮度，Vmin 表示图像最低亮度。

MTF计算公式：

式2)中, f 表示空间频率，MTF(f) 表示阶调传递函数，C(f) 表示对比度，C(0) 表示低频对比度。

SFR空间频率响应的测量结果是MTF曲线，如图2所示，横坐标表示空间频率，纵坐标表示对比度。MTF曲线上的MTF50，是MTF低频值下降到50%时对应的空间频率值。MTF50可以较好地表达人眼视觉对图像清晰度的感知，当图像的对比度下降到低频对比度的一半时，图像的细节在视觉上是清晰可见的，当对比度进一步下降时人眼视觉对比度敏感度迅速下降，不能辨认图像细节。MTF曲线上的MTF50P，与MTF50类似，是指MTF最大值下降到50%时的空间频率值，该值可以反映出相机图像处理软件是否对图像进行了锐化处理。图2左图是图像没有明显锐化处理的MTF曲线，低频对比度最大值趋于1，MTF50约等于MTF50P；图2右图图像是经过锐化处理的MTF曲线，最大值大于1，MTF50大于MTF50P。理论上讲，MTF50的值越大成像设备的空间分辨力越高，获取的图像越清晰；但是经图像处理软件锐化处理后的图像，MTF50会被提高，这时MTF50值不足以表达成像设备的空间频率响应性能，可参考MTF50P来反映该设备的空间频率响应。

MTF曲线

MTF曲线

2. 噪点的测量

噪点（Noise）是数字图像亮度的随机变化量，类似于反射图像的颗粒度变量[7-8]。如图3所示，不同亮度图像随机噪点的视觉表现，图像由亮到暗的变化过程中随机噪点增大。

图3 图像随机噪点的视觉表现示意图

数字图像随机噪点的产生是由光的粒子性以及相机成像元件热能等物理因素引起的。对于数字成像设备来说，成像元件的尺寸、ISO的速度、环境光照等都是图像噪点的重要影响因素。数字图像噪点的计算方式在ISO 15739中有相应的规定，典型的计算方法是用RMS（Root Mean Square）表示：

式3）中，RMS 表示图像像素噪点，S 表示信号，即是图像像素亮度，σ (S)  表示图像亮度的标准偏差计算函数，也有用信噪比（SNR：Signal-to-Noise）形式表示：

式 4) 和式 5) 中,SNR表示信噪比，L 是亮度值， g 是图像像素值和 L值对应曲线的一阶导数, σ 表示图像像素噪点。

实际测量中常用场景参考噪点的形式表示图像噪点，场景参考噪点是指噪点的表示相对于场景亮度，而不是图像像素亮度，可以用成像设备的曝光值EV（Exposure Value）变化与噪点变化函数关系表示：

式6）中，Noise_EV 表示场景参考噪点，σ  表示像素亮度噪点，△(v) 表示像素亮度变化量，△(EV) 表示曝光值变化量,  D表示场景物体色的密度值。

图4 SNR噪点测量图

噪点的测量结果表现为SNR曲线，如图4所示，横坐标表示图像密度参考值，纵坐标表示信噪比，单位换算为dB。图4绘制了拍摄图像的RGBY四个颜色通道的信噪比，信噪比的值越大表明图像的噪点越小，成像设备获取的图像质量越高；反之，图像质量越差。对于RGB三个颜色通道的SNR曲线对比而言，三条曲线越接近，彩色噪点越小。