数码相机像质的定量分析 - 摘自《照相机》- www.GotoRead.com - 浏览网
来源:百度文库 编辑:神马文学网 时间:2024/04/29 22:25:45
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字体大小:大 中 小很多人感到疑惑:人们在谈到数码相机的像质时,往往只关心像素的数量这一个指标。这就好比不能只看汽车的时速表,来评判汽车的能力是一个道理。
实际上,数码相机的像质与镜头的光学传递函数、图像传感器的尺寸及其信噪比等因素都有关系,能不能将这些因素放在一起通过计算,得出数码相机像质的量化数据呢?以下是我们的尝试。
1. 理论根据
在通讯学科中有个著名的理论叫做克劳德萨农(Claude Shannon)原理,它定义数据传输通道的传送能力C,与通道的波段宽度W和信噪比SNR之间的关系,它们符合下列关系式:C = W log2(SNR+1)
数码相机的数据采集,处理,传送过程与上述定义有着惊人的类似,所以,我们运用这个理论来量化数码相机的像质,首先对公式中的各个参数进行假设:
原式中的通道传送能力C,现在用来代表像质,命名为“图像质量(image quality)”,用IQ表示。原式中的波段宽度W,现在是MTF50与传感器宽度的乘积,MTF50是镜头在50%MTF的频率,MTF50越高,产生的图像就越锐利。SNR表示信噪比。
这样,数码相机像质的量化公式就产生了:
IQ = MTF50 × 传感器宽度 × log2(SNR+1)
式中:MTF 50可测量出来,或从镜头传递函数曲线图中查出来,单位是线对/mm;传感器宽度的单位是mm;虽然测量SNR需要专用设备,但对于数码系统,用Photoshop就能测量信噪比。
2.试验与计算
试验涉及的数码相机有:尼康D100、佳能1Ds、佳能1D、佳能D30、佳能D60、索尼F707。其中:尼康D100、佳能D30和D60,是我们自己拍摄并及时测量信噪比。索尼F707是取自我们以前拍摄的照片,再测量信噪比。佳能1Ds和1D是用别人拍摄的照片来测量信噪比。
为了与胶片进行对比,这次试验还选择了富士Provia 100F和Velvia反转片拍摄的图像,用尼康LS8000进行扫描,扫描分辨率为4000DPI,然后测量噪声数据,传感器宽度用胶片的宽度代替,即24mm。
用于信噪比测试的标本,选择图像中清洁均匀的蓝天,剪裁出50×50像素的试验片段,使用蓝天作为试验片段出于两个原因:1、我本人是风光摄影师,蓝天对于我很重要;2、大多数影像传感器的蓝通道噪声数据偏大。有了试验片段,用Photoshop工具测量亮度通道的标准偏差,即为噪声数据。
然后计算信噪比,由于图像的RGB彩色为24比特,每个通道的信号为8比特,信号强度为28=256。信噪比SNR=256/噪声数据,例如噪声数据为0.5,那么SNR=256/0.5=512。
为了便于比较,用35mm富士 Provia 100F作为基准,其它的IQ与其相除,得到的结果叫做规格化IQ。试验及计算结果列于表1。
计算结果能符合实际吗?
我们惊喜地看到,佳能1Ds的规格化IQ是1.03,也就是说佳能1Ds产生图像的能力略高于35mm胶片。而佳能D60与尼康D100的IQ接近,低于35mm胶片,事实也是如此。
500万像素的索尼F707的IQ低于300万像素的佳能D30,事实上,在以较大尺寸输出图片时,佳能D30通常打败索尼F707,计算结果与事实吻合。
这种差别可从原理上加以解释:索尼F707的图像传感器面积较小,像素反而多,因此像素尺寸就小,捕捉光子的能力就小,有效信号就弱,结果信噪比就小。影像传感器是用半导体材料制造的,其噪声来自材料,目前减少噪声的方法只有降温,因此很多昂贵的中画幅数码后背内置冷却器来降低噪声以提高像质,天文学家则用液氮来冷却CCD,才能辨别昏暗的遥远星系,当然这些设备的价格也是天文数字,远不是普通摄影师所能用的起的。
我们所说的产生图像的能力,包括像质和最大输出尺寸两方面意义。用35mm的Provia 100F可制作出12.5英寸×18英寸的视觉可接受的照片,佳能D30的规格化为0.55,推算它可产生照片的尺寸约为6.9英寸×10英寸。事实上,当打印图片的尺寸大于这个推算值时,图像的细节就开始恶化。
请注意:120富士Provia 100F胶卷用645拍摄,经IQ推算可产生25英寸×36英寸的照片,事实上完全有把握制作出24英寸×30英寸的优秀照片,而佳能1Ds尚达不到,也就是说,目前在制作大幅面照片时,中画幅相机仍能胜过高级数码单反相机。
3. 结论
我们的对数码相机图像质量进行量化的方法,考虑了对数码图像质量有影响的诸多因素,其结果可公平解释数码相机产生优秀照片的能力,而且用这个评判方法与实际体验能够统一。
注:米尔霍克(稭iles Hecker):风光摄影师,在俄怀明州学院研究电子图像,有26年的摄影生涯。
诺曼考恩(種orman Koren):住在科罗拉多,1964年开始摄影,撰写过关于数码制版的书,在磁性记录方面有32年的工作经历。
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