数位相机系统评估方法.doc

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 device
2～3 device
光源的色溫
3010K±100K
3010K±100K
3010K±100K
反射式chart的面照度
2000lx±100lx
2000lx±100lx
2000lx±100lx
穿透式chart的面照度
635±31 cd/m2
635±31 cd/m2
635±31 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spec項目詳細記載設定條件。

項目
彩色相機
(single device)
彩色相機
(2~3 device)
黑白相機
Gain up
○
○
○
AGC
○
○
○
白平衡
○
○
○
光圈(aperture)
○
○
○
detail
○
○
○
電子shutter
○
○
○
同步
○
○
○
黑平衡
---
○
---
gamma
○
○
○
儲存mode
○
○
○
Knee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)所獲得的被照體照度與此時鏡片的F Number「1500lx，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。
(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(µs)。
(f).接著針對測試chart進行line select 300TV量測4條楔形的寬度d2(μs)
(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(μs)
(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325TV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 up
0 dB
AGC
OFF
白平衡
最佳化
光圈
OFF
電子快門
OFF
Gamma
OFF

‧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
HPF
100kHz
LPF
4.2MHz
SC Trap
ON
Weight
ON
輸出level
Preset

需注意的是如此設定時噪訊儀的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:

①.先將數位信號加入frame memory。
②.依照下列公式計算噪訊實效值:

③.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A[Vp-p]，10%位置的level為B[Vp-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