镜头耀斑光测试

       相机的动态范围可以理解为是一个场景中的音调范围,可以用足够的对比度和良好的信噪比再现。相机动态范围通常受到光斑的限制,光斑是图像中的杂散光,主要由镜头元素之间的反射引起。闪光通过模糊图像降低动态范围;也就是说,在黑暗区域冲洗细节。这是相机(包括镜头)的动态范围低于图像传感器的主要原因,对于最近的hdr(高动态范围,现在的智能手机上有HDR开启按钮)传感器,图像传感器的动态范围可以高达150db(3000万:1)。
 
       理论上,测试图图像中的闪光可能会被设备误认为是测试图的图像,从而导致夸大的动态范围测量。在2019年我们发现了发生这种错误的实际图像。通过对这些图像的研究,开发了一些技术来防止由耀斑光引起的信噪比测量值的夸大。我们认识到一些客户可能实际上更喜欢夸张的测量,因为他们产生的HDR数字有时超过120分贝,接近HDR传感器的规格,在销售中非常的有利。当消除了耀斑光的影响时,减少(但实际)的dr测量可能会使其中一些客户感到不舒服。
 
 
XYLA_flare_annotated
 
XYLA
 
       耀斑光可以用xyla图的图像来说明,xyla图是一个精确的hdr测试图,具有线性结构,由21个灰度斑组成,光密度阶跃为0.3。这张图片来自一个低成本的“黑匣子”相机。上面的横截面图,由图像统计模块制作,是在xyla图像的中心。耀斑在图像中是最明显的,在最亮斑左侧的横截面图中是衰减的。xyla图像(来自同一图像;下部变亮)和相应的横截面图下面的横截面是在活动图表图像的外面(下面)拍摄的,上面显示的是变亮的,以使耀斑光更加可见。图表右侧像素级别的变化(x在800到1600之间)是由左侧最亮的斑点扩散的耀斑光引起的。
 
XYLA_results_showing
 
 
XYLA_results_showing   xyla图像(上图)显示强色调映射的结果

       这张图像有很强的局部色调映射,导致测量到的伽马值异常低(而且不是很有意义),为0.148。信噪比以一种不寻常的方式变化,因为它不像传统的线性图像传感器那样单调下降。这表明使用了具有多个工作区域的hdr图像传感器。由于图像存在明显的桶形失真,区域选择困难。对比度分辨率图表更易于使用,并且在存在色调映射的情况下提供了更好的系统性能指示。

       如果耀斑光再差一点,就很容易被误认为是图本身发出的信号,从而导致动态范围测量错误。闪光可能非常复杂。它可以增加图像的偏移量(通常称为“模糊眩光”),这很难与图像处理管道中的黑色水平偏移量区分开来。大部分时间它是最大的近亮斑,然后随着距离这些斑的距离而减小。下降率很少是一个表现良好的指数。

       透镜反射是产生中程耀斑光的主要原因。未镀膜玻璃表面(折射率1.5)反射入射光的R=4%=0.04。(一块玻璃或一个透镜组件有两个表面)对于表面和光源之间的每个玻璃表面,初级反射(原始入射光的r2)的一小部分r被反射回图像传感器。这称为二次反射。由于大多数透镜表面都是弯曲的,因此光线将不聚焦;也就是说,它将倾向于使图像的一部分起雾。根据edmund optics的研究,最佳的抗反射涂层在可见光谱(约400-700nm)上的r 0.4%=0.004。对于合理的入射角范围,r=0.005可能更为现实。从每个二次反射反射回传感器的光为r2=0.000025=2.5*10-5=-92db(20*log10(r2))。二次反射的数目nsec随着透镜中的组分m(组分粘合在一起,每个组分有两个空气-玻璃表面)的数目而迅速增加:1:1组分;6:2组分;15:3组分;28:4组分;45:5组分等等。

计算公式
计算公式
 
       M=5组件是高质量照相手机的典型组件;M≥12组件是DSLR变焦镜头的常见组件。总的来说,由于杂散光不覆盖整个图像,透镜光斑的严重程度低于二次反射的次数;它随着与明亮区域的距离而减小。很容易理解为什么实际的相机dr测量限制在70-90db左右,即使传感器dr要高得多。
 
劣质相机的对比度分辨率图像的图像统计横截面,显示由红色箭头指示的空间变化光斑
 
劣质相机的对比度分辨率图像的图像统计横截面,显示由红色箭头指示的空间变化光斑
 
       闪光的主要特征是图像中从明亮区域扩散的黑暗区域的光线。这种漫射光可能与实际的图表信号(特别是线性图表)混淆,从而导致夸大(过于乐观)的dr测量。此外,增加耀斑光(这可能是由较差的,即较便宜的透镜涂层造成的)通过使图像的阴影区域起雾来降低实际dr,但可能导致dr测量值的增加。因此,需要区分伪影信号、耀斑信号和真实信号。由于文章内容较多,所以分为两节来讲解。

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