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DXOMARK測量相機的畸變

52RD.com 2020年5月6日 我愛研發網            參與:2人 我來說兩句
  一、畸變的介紹
  
  就像我們所熟知的,人的眼睛感覺遠近的一種方法就是憑借所看到的物體的大小——遠的物體看起來小,近的物體看起來大。在攝影中,也是用相同的方法來表現透視的關系,比如說,平行的鐵軌會隨著我們向遠處瞭望而顯得越來越靠近,直至匯聚成一點。這一現象可以理解為兩條鐵軌間的距離會隨著瞭望距離的增加而減小,隨著看的距離越遠,兩條鐵軌間的距離越小,直至縮為一點。
  
  另外,透射現象還有一種表現,即物體離的越近,透視效果就越強烈。比如說,同樣拍攝一個長長的隊伍,如果站在隊伍的前面1m處拍攝整個隊伍,那么就會發現前面人的成像比后面人的要大的多;而如果站在隊伍前面10m甚至100m處拍攝,那么就會發現前面人的成像和后面人的大小差異不會顯得那么的大。
  
  所以我們可以知道透鏡在拍攝時,物體離的越遠,成像就會顯得越;透鏡離拍攝物體越遠,成像上的大小變化越不明顯。
  
  通常將由于光學透鏡固有的透視原因而造成的失真稱為鏡頭畸變。這種失真對于照片的成像質量是非常不利的,但因為這是透鏡的固有特性(凸透鏡匯聚光線、凹透鏡發散光線),所以無法消除,只能改善。高檔鏡頭光學設計以及用料考究,利用鏡片組的優化設計、選用高質量的光學玻璃(如螢石玻璃)來制造鏡片,可以使透視變形降到很低的程度。但是完全消除畸變是不可能的,目前最高質量的鏡頭在極其嚴格的條件下測試,在鏡頭的邊緣也會產生不同程度的變形和失真。
  
  另一方面,由于焦平面上不同區域對影像的放大率不同、軸外點通過鏡頭成像的主光線偏離理想光路等原因,也會造成實際成像的變形。通常這種變形的程度從畫面中心至畫面邊緣依次遞增,主要在畫面邊緣反映得較明顯。
  
  畸變會引起成像時的畫面變形,大多數時候輕微的畸變并不會對畫面質量有太大影響,但某些應用可能對畸變比較敏感,比如翻拍資料、拍攝建筑物等規則物體,都希望畸變不要太嚴重,否則會明顯歪曲拍攝實物的幾何特征。
  
  畸變作為光學系統中經常提到的一個參數,是限制光學測量準確性的重要因素之一。它是光學系統對物體所成的像相對于物體本身而言的失真程度,只引起像的變形,對像的清晰度并無影響。
  
  二、畸變的分類
  
  在實際的拍攝中,鏡頭角度越大,光線越傾斜,保持準確成像位置就越困難。在實際成像中很難有完美的成像,通常會有兩種成像現象,一種是成像線條向外擴散——桶形畸變;一種是成像向內收縮——枕形畸變。
  
  枕形畸變(Pincushion Distortion),又稱枕形失真,它是由鏡頭引起的畫面向中間“收縮”的現象。我們在使用長焦鏡頭或使用變焦鏡頭的長焦端時,最容易察覺枕形失真現象。特別是在使用焦距轉換器后,枕形失真便很容易發生。當畫面中有直線(尤其是靠近相框邊緣的直線)的時候,枕形失真最容易被察覺。普通消費級數碼相機的枕形失真率通常為0.4%,比桶形失真率低。
  
  桶形畸變(Barrel Distortion),又稱桶形失真,是由鏡頭中透鏡物理性能以及鏡片組結構引起的成像畫面呈桶形膨脹狀的失真現象。我們在使用廣角鏡頭或使用變焦鏡頭的廣角端時,最容易察覺桶形失真現象。當畫面中有直線(尤其是靠近相框邊緣的直線)的時候,桶形失真最容易被察覺。普通消費級數碼相機的桶形失真率通常為1%。
  
  某些超廣角鏡頭往往存在兩種畸變疊加的情況。通常對稱性鏡頭畸變較輕微,非對稱鏡頭畸變較明顯。變焦鏡頭往往在廣角端拍攝時,往往會使畫面邊緣向外凸起,產生桶形畸變;用長焦端拍攝時,畫面邊緣經常會向內凹進,產生枕形畸變。這通常是由于通過鏡頭的主光線在變焦過程中折射情況發生變化引起的。在鏡頭設計時調整鏡頭結構和光圈位置可以控制畸變的發生,而采用非球面鏡片調整光路可以取得較好的矯正效果。
  
  三、DXOMARK測試畸變
  
  通常來說,幾何畸變分為網格呈現桶形的桶形畸變(邊緣附近的線向外彎曲)和網格呈現枕形的枕形畸變(邊緣附近的線向內彎曲)。更加復雜的鏡頭實際上是這兩種現象的混合而成的,而且畸變的程度在成像區域可能也是不同的。
  
  因此常用的測試圖卡就是縱向橫向整齊排布的點圖。一般測試都是在一定的拍攝距離拍攝該點圖圖卡,然后通過軟件計算成像上的點和測試圖卡上的一系列點位置的偏差來表征畸變。
  
  在DXO測試幾何畸變的方法中,有三種測量方式:全局測量、局部測量和TV畸變。
  
  全局測量:在點圖的成像中(有畸變),計算屬于同一直線上(或行或列)兩端點間的最大距離I;記實際點圖中(沒有畸變),同一直線上兩端點間的距離為L,那么(I/L)-1的值的百分數即為全局測量的畸變。結算結果為正,則代表成像為桶形畸變,結果為負即代表為枕形畸變,趨于0則代表畸變越小。
  
  局部測量:在實際的點圖和點圖的成像中,點中心的位置是已知的。那么某點相對于成像中的中心點的位置和相對于實際點圖中中心點的位置之間的比值就是測量的局部畸變。這個測量值是兩個距離的比值,當它接近1時,表示沒有畸變。該值的平均值是取中心點為圓心,測量點到中心點為直徑的圓上所有點所產生的畸變。
  
  TV畸變:Analyzer測量的TV畸變來自于SMIA標準中對感知畸變的測量。
 
  一個角的TV畸變可以計算為DTV=100*(A-B)/B,對四個角計算TV畸變并取平均值即可得到TV畸變。
  
  要注意區分,Analyzer測試的全局畸變的正負值所代表的畸變形式和TV畸變的正負值所代表的畸變形式是相反的。比如,TV畸變負值代表的是桶形畸變,而Analyzer畸變負值代表的是枕形畸變。
  
  使用Analyzer分析成像后的圖片即可得到測試結果
  
  該選項包含了全局方法得到的畸變的平均值和最大值,以及TV畸變的值。
  
  平均值代表了所有點相對于一個覆蓋了95%區域的虛擬參考網格的所有位置誤差值的平均值。最大值表示所有這些點上計算出的最大位置誤差。
  
  圖像可能包含桶形和枕形失真的混合。在這種情況下,Analyzer將顯示具有較高值的畸變。
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