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相机自动对焦如何测试(—)

52RD.com 2017年10月18日 我爱研发网            参与:6人 查看 我来说两句
  自动对焦这项技术发展至少有40多年了。我们要看看如今相机的自动对焦性能。所有的测试都是用最后的成品并且没有经过处理。通过这些信息工程师可以有着更好的理解现如今的相机并且知道如何设计一个关于测试自动对焦系统的流程。因为目前的国际标准还没有出来,德国IE也在支持者ISO关于这方面的工作。我们检测了至少300个相机系统的自动对焦重复精确性和时间,并且它们之间做了对比。

  介绍

  德国IE有着一个种类繁多的成像系统的测试实验室。对于一个工业测试实验室测试时间是非常紧张的,我们对一个相机的测试的流程做出评估并选用最好的一个。在本文中,我们评估了超过320个相机/镜头组合的结果。从这些结果中,我们得出关于怎么优化测试流程的方法。

  一个相机系统进行对焦就意味着焦距和物距想匹配。物距就是相机和物体之间的距离。焦距就是相机成像时从镜片中心到成像平面的距离。在手动对焦时用户通常修正镜头去检测焦距。一旦被拍摄物体在焦点上,物体就会在图像上呈现最大空间频率。

  相机的自动对焦系统是检测物体距离并且自动调整镜头适应这个距离。自动对焦系统是探测器和制动器的一个组合,管理着设置镜头到物体之间的正确距离。

  我们假设物体是在相机自动对焦系统前面。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

  纯粹的对比度自动对焦方法是“试验和误差”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精确的,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。

  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。

  可重复性和精确度

  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精确度。

  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。

  精确度

  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精确度越好,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。

  测试流程

  待测的相机系统要用图1 中的测试图卡去测试分辨率。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。

  每个测试设备都要进行两个测试流程:

  AF 这是测试AF性能的。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。

  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要手动对焦。如果可以,相机系统的对焦帮助也可以使用(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。

  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。

  结果

  我们主要的目的是找出是否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和变焦镜头。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)。

  从自动对焦拍摄的10张照片中,我们进行了检查并且把自动对焦的和手动对焦的最好的图像进行比对。“最好”的定义是图像中心有着最高的极限分辨率。

  在图像3中我们展示了所有获得数据的一小部分。图像展示了在佳能5DsR单反相机和14个定焦镜头组合的测试数据。每一簇数据代表一个镜头,并且可以看到十个AF测试结果精度。AF精度的定义是测量的极限分辨率和AF及MF中最好的极限分辨率的比值。在大多数情况中,MF一般提供最好的结果,只有一些设备会达到100%。重复性可以通过十个测量结果之间的变化观察得出。

  对于变焦镜头和定焦镜头我们做了评价看有多少镜头时符合一定的标准。对于变焦镜头,我们对三个不同的焦距(W,S,T)也进行检查。标准是根据十分之几的图像达到最好分辨率的X%。结果在图形像4中有展示。

  对于定焦镜头168个只有2个显示有高精度和重复性,有着10个图像表明极限分辨率达到99%或比用做对比的图像更好。只有31%的变焦镜头对焦很好,它们的极限分辨率达到90%会比选定用于做对比的图像更好。即使对于极限分辨率我们允许一个高达10%的误差,我们看到我们不能依靠单一的图像去测试极限分辨率。

  问题是如果只拍摄4张图片去代替10张图片,是不是可以?因此在这种情况中,我们必须找出十分之三的图像是接近最好图像的。在焦距T位置,对于所有的变焦镜头只有48%的对焦很好,也就是至少十分之三的图像可以达到最好的极限分辨率的97%。即使把接受的误差提高到10%仍意味着25%的变焦镜头不能达到这个标准。

  正如我们所看到的捕获单一的图像或选择最好的四分之几的图像是不充分的,我们想核对一下我们得到最好的极限分辨率有十分之几的图像。即使我们的介绍误差范围是10%,只有84%的变焦镜头在自动对焦是可以有接受的结果。因为我们认为一个误差10%是太高了,所以在我们实验室把这个误差范围降低到3%。这就意味着在自动对焦系统中,三分之一的变焦镜头和多于20%的定焦镜头没有达到最好的极限分辨率。

  从这些结果中得出,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,这样对于SFR的评价是有意义的。

  我们把待测设备分成三类。“D-SLR”是使用反射镜的相机。“system”是没有反射镜但是可换镜头的相机,“compact”相机是有固定的镜头。图5中显示出在精度和重复性的差异。对于所有的变焦镜头我们进行了比较,我们只使用最短的焦距。对于AF测试的精度的平局值使用μ表示。我们看到“system”和“compact”相机有着很高的精确度。“compact”相机有着接近95%的精度,而D-SLRs仅有着低于89%的精度。

  重复性用σ表示,是指相对的极限分辨率标准差的平局值。它是用百分比表示。对于所有的AF测试,可以看到D-SLR相机有着显著的高的标准差。

  观察到的高精度和高重复性的“system”和“compact”相机是和这些相机的一般经验是匹配的。即使用于评估的数据量非常大,也不能进行分类去和所有相机的焦距和镜头的最大光圈的分布规律进行匹配。因此总的趋势是有效的,但是精确的差异可能是有偏见的。

  下次我们将继续介绍自动对焦测试的其他指标。52RD.com  微博关注:http://weibo.com/52rd  微信关注:admin_52RD
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评 论
1楼 ecoren 发表于 2017-11-15 08:38 回复
看不懂哇
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