镜头对焦测试流程及意义

        镜头对焦测试是测试相机的焦距和物距是否匹配。物距是相机和物体之间的距离。而焦距是透镜中心到其焦点的距离。焦距的单位是毫米,镜头的焦距一般都标在镜头上,如f=50mm,这是标准镜头,28-70mm,这是最常用的镜头、70-210mm,这是长焦镜头了。在手动对焦(MF)时用户通常修正镜头去检测焦距。
 
        相机的自动对焦系统(AF系统)可以自动检测物体距离并且自动调整镜头,以便镜头适应这个距离。自动对焦系统是探测器和制动器的组合,管理着镜头到物体之间的正确距离,一般我们常用的都是AF,方便快捷,而那些专业的大神一般都是使用MF,因为他们对镜头的理解更加深刻,更多的是自己的经验。被拍摄的物体在相机自动对焦系统前,物距就是物理上的定义,相机和物体之间的距离。物距的测量是基于被动测量或主动测量。在主动自动对焦系统中,距离的测量是直接使用激光测距仪或超声波方法。这个就收集到物距然后被使用去控制镜头的制动器。被动系统并不直接测量物距,使用的是成像系统去定义物距。两种主要的方法是相位探测和对比度探测。这些方法合并在一起称为混合系统,在今天的相机中也使用。
 
自动对焦的方法
 
        当在图像中的一个位置或多个位置的对比度被测量时,要进行扫描无穷远和最近的焦距之间的所有可能的范围,通过这种方式控制镜头的制动器。如果物面和焦平面相等,在焦平面上的所有点的点扩展函数是最小的,就会有最大的空间频率响应和对比度。因此在扫描后,制动器会设置镜头在有最大对比度的位置。对比度自动对焦是通过使用实际的成像系统作为重点探测器。自动对焦系统通过成像系统得出最佳的对焦位置并且根据此控制制动器。这个系统是潜在的非常准确的,因为对焦位置是用成像系统优化的,因此不需要自动对焦系统的校正。
 
        单反相机的起源是用相位自动对焦,是基于专用的自动对焦传感器。在半透明的主镜后面有额外的镜头和反射镜系统,是用于探测物面和焦平面之间的相位偏移。意思就是自动对焦系统可以测量当前的镜头的位置是否造成前焦距或后焦距及镜头偏移焦距有多远。因此所有关于镜头正确位置的信息都计算出来并应用在镜头的制动器上。不同于对比度自动对焦系统,距离是实测的然后去控制制动器。这个系统是非常快的,因为不需要检测所有可能的距离,当然我们在拍摄时,可能出现抖动从而需要多次自动检测。
 
 
        虽然原始的相位自动对焦要求专用的传感器,但是在如今的相机中也使用相同的元素,把专业的像素集成在成像传感器上。这些像素在某种程度上是模糊的,自动对焦系统可以得出关于当前竟然的位置可需要修正的位置。在大多数的情况中,相位自动对焦像素的一些额外信息被用于加速对比度自动对焦系统,因为它的距离需要检测。因此这两种方法是可以合成在一起使用。
 
 
可重复性和准确度
        对焦直接影响分辨率。自动对焦系统的任何震动都会导致分辨率测量结果的不同。因此我们可以在测试自动对焦系统性能的时候带着分辨率测试的流程。额外的分辨率测试要求最好的对焦。我们是基于分辨率测试去检查自动对焦的重复性和准确度。
 
重复性
 
        理想情况下,AF系统的动作只是取决于物体的距离。因此对于固定的物体距离,AF系统在拍摄多张图片时工作方式应该是一样的。我们定义AF系统的重复性是在镜头上的对焦距离的变化性。这有可能是探测物体的距离不同或控制镜头的制动器的变化不同造成重复星不一样。在没有访问内部位置数据的情况下,是不可能区分这些变化的。因为我们没有办法获得这些信息,我们检测AF重复性是直接通过测量SFR。AF系统的任何变化都会导致SFR的不同。
 
准确度
 
        我们假设在给定的物体距离的情况下,相机的正确对焦位置会有最高的空间分辨率。因此AF准确度越好,极限分辨率也就越高。极限分辨率也就是MTF10,因此相机的最高空间频率会有着10%的SFR。
 
正式进入测试流程
 
        待测的相机系统要用镜头分辨率测试卡去测试分辨率。对图卡拍摄时用的是D50光源,亮度是1000lux。设备要固定在三脚架上,距离的选择是根据图卡和成像之间决定的,图卡的高度要和成像的高度一致时,用的是这个时候的图卡和相机之间的距离。为了避免因为使用者造成的震动对拍摄结果有影响,操作相机时使用定时拍摄或者是遥控拍摄。
 
分辨率测试卡
分辨率测试卡
 
每个测试设备都要进行两个测试流程:
 
1、AF 这是测试AF性能的。为了保障测试数据能够得到一个较好的评价,操作者会使用自动对焦在每种测试条件下拍摄10张照片。在拍摄图片之前相机要先对焦在一个距离近的物体上(把手放在镜头前),跟随焦点并拍摄。
 
2、MF 这是参考测量去定义理想的对焦位置。AF系统没有被激活,操作者在拍摄图片时就需要手动对焦。如果可以,相机系统的对焦也可以使用屏幕(实时观察,放大看细节)。从这些图片中(最少十张,当然也可以拍摄更多)选出最好的一张。最好也就是在图像中心有着最高的极限分辨率。
 
测试条件:所有关于图像质量的参数默认的是出厂设置,图像存储为8位JPEG,光圈完全打开。
 
        对于所有图像,图像中心的极限分辨率都是基于ISO12233:2014中的算法。这个方法是基于图2中的正弦西门子星。相机还原测试图案并创建一个图像。用软件去读取图像并对图案中的不同部分去分析。西门子星周围的灰阶是用于线性化和标准化,中心的标记点是作为分析检测的一个起始点。从星的外部到中心,图像的数值伴随着半径的变化被读出来。空间频率可以通过已知的西门子星线对(这里是144)和半径计算出来。从数值拟合出的调和函数可以计算出调制度。通过这个方法,如果RAW数据不能获得,那么获得的SFR会有锐化的增强和其他图像算法增强,这对于测量极限分辨率是非常有用的。
 
西门子星
 
西门子星
结论
 
 
        我们主要的目的是讲解镜头测试流程,找出是否MF和AF都需要测试,以及如果只用AF我们需要拍摄多少张照片,并且仍然能得出极限分辨率的平均值。所有的结果都是从S-SFR测量得出的,使用的MTF10作为极限分辨率。我们评价了320个不同的相机/镜头组合。168个定焦镜头和152个变焦镜头。一个相机/镜头的组合可以是单反相机或一个可变镜头的相机或一个固定镜头的紧凑相机。测试的变焦镜头有着三个不同的焦距。最短焦距(W),最长焦距(T)和在两者之间的焦距(S)。对于所有的镜头/相机组合测试MF和AF,必须要保持工作流程一致,因为这样对于SFR的评价才是有意义的。

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