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DXOMARK测量相机的畸变

52RD.com 2020年5月6日 我爱研发网            参与:1人 我来说两句
  一、畸变的介绍
  
  就像我们所熟知的,人的眼睛感觉远近的一种方法就是凭借所看到的物体的大小——远的物体看起来小,近的物体看起来大。在摄影中,也是用相同的方法来表现透视的关系,比如说,平行的铁轨会随着我们向远处瞭望而显得越来越靠近,直至汇聚成一点。这一现象可以理解为两条铁轨间的距离会随着瞭望距离的增加而减小,随着看的距离越远,两条铁轨间的距离越小,直至缩为一点。
  
  另外,透射现象还有一种表现,即物体离的越近,透视效果就越强烈。比如说,同样拍摄一个长长的队伍,如果站在队伍的前面1m处拍摄整个队伍,那么就会发现前面人的成像比后面人的要大的多;而如果站在队伍前面10m甚至100m处拍摄,那么就会发现前面人的成像和后面人的大小差异不会显得那么的大。
  
  所以我们可以知道透镜在拍摄时,物体离的越远,成像就会显得越小;透镜离拍摄物体越远,成像上的大小变化越不明显。
  
  通常将由于光学透镜固有的透视原因而造成的失真称为镜头畸变。这种失真对于照片的成像质量是非常不利的,但因为这是透镜的固有特性(凸透镜汇聚光线、凹透镜发散光线),所以无法消除,只能改善。高档镜头光学设计以及用料考究,利用镜片组的优化设计、选用高质量的光学玻璃(如萤石玻璃)来制造镜片,可以使透视变形降到很低的程度。但是完全消除畸变是不可能的,目前最高质量的镜头在极其严格的条件下测试,在镜头的边缘也会产生不同程度的变形和失真。
  
  另一方面,由于焦平面上不同区域对影像的放大率不同、轴外点通过镜头成像的主光线偏离理想光路等原因,也会造成实际成像的变形。通常这种变形的程度从画面中心至画面边缘依次递增,主要在画面边缘反映得较明显。
  
  畸变会引起成像时的画面变形,大多数时候轻微的畸变并不会对画面质量有太大影响,但某些应用可能对畸变比较敏感,比如翻拍资料、拍摄建筑物等规则物体,都希望畸变不要太严重,否则会明显歪曲拍摄实物的几何特征。
  
  畸变作为光学系统中经常提到的一个参数,是限制光学测量准确性的重要因素之一。它是光学系统对物体所成的像相对于物体本身而言的失真程度,只引起像的变形,对像的清晰度并无影响。
  
  二、畸变的分类
  
  在实际的拍摄中,镜头角度越大,光线越倾斜,保持准确成像位置就越困难。在实际成像中很难有完美的成像,通常会有两种成像现象,一种是成像线条向外扩散——桶形畸变;一种是成像向内收缩——枕形畸变。
  
  枕形畸变(Pincushion Distortion),又称枕形失真,它是由镜头引起的画面向中间“收缩”的现象。我们在使用长焦镜头或使用变焦镜头的长焦端时,最容易察觉枕形失真现象。特别是在使用焦距转换器后,枕形失真便很容易发生。当画面中有直线(尤其是靠近相框边缘的直线)的时候,枕形失真最容易被察觉。普通消费级数码相机的枕形失真率通常为0.4%,比桶形失真率低。
  
  桶形畸变(Barrel Distortion),又称桶形失真,是由镜头中透镜物理性能以及镜片组结构引起的成像画面呈桶形膨胀状的失真现象。我们在使用广角镜头或使用变焦镜头的广角端时,最容易察觉桶形失真现象。当画面中有直线(尤其是靠近相框边缘的直线)的时候,桶形失真最容易被察觉。普通消费级数码相机的桶形失真率通常为1%。
  
  某些超广角镜头往往存在两种畸变叠加的情况。通常对称性镜头畸变较轻微,非对称镜头畸变较明显。变焦镜头往往在广角端拍摄时,往往会使画面边缘向外凸起,产生桶形畸变;用长焦端拍摄时,画面边缘经常会向内凹进,产生枕形畸变。这通常是由于通过镜头的主光线在变焦过程中折射情况发生变化引起的。在镜头设计时调整镜头结构和光圈位置可以控制畸变的发生,而采用非球面镜片调整光路可以取得较好的矫正效果。
  
  三、DXOMARK测试畸变
  
  通常来说,几何畸变分为网格呈现桶形的桶形畸变(边缘附近的线向外弯曲)和网格呈现枕形的枕形畸变(边缘附近的线向内弯曲)。更加复杂的镜头实际上是这两种现象的混合而成的,而且畸变的程度在成像区域可能也是不同的。
  
  因此常用的测试图卡就是纵向横向整齐排布的点图。一般测试都是在一定的拍摄距离拍摄该点图图卡,然后通过软件计算成像上的点和测试图卡上的一系列点位置的偏差来表征畸变。
  
  在DXO测试几何畸变的方法中,有三种测量方式:全局测量、局部测量和TV畸变。
  
  全局测量:在点图的成像中(有畸变),计算属于同一直线上(或行或列)两端点间的最大距离I;记实际点图中(没有畸变),同一直线上两端点间的距离为L,那么(I/L)-1的值的百分数即为全局测量的畸变。结算结果为正,则代表成像为桶形畸变,结果为负即代表为枕形畸变,趋于0则代表畸变越小。
  
  局部测量:在实际的点图和点图的成像中,点中心的位置是已知的。那么某点相对于成像中的中心点的位置和相对于实际点图中中心点的位置之间的比值就是测量的局部畸变。这个测量值是两个距离的比值,当它接近1时,表示没有畸变。该值的平均值是取中心点为圆心,测量点到中心点为直径的圆上所有点所产生的畸变。
  
  TV畸变:Analyzer测量的TV畸变来自于SMIA标准中对感知畸变的测量。
 
  一个角的TV畸变可以计算为DTV=100*(A-B)/B,对四个角计算TV畸变并取平均值即可得到TV畸变。
  
  要注意区分,Analyzer测试的全局畸变的正负值所代表的畸变形式和TV畸变的正负值所代表的畸变形式是相反的。比如,TV畸变负值代表的是桶形畸变,而Analyzer畸变负值代表的是枕形畸变。
  
  使用Analyzer分析成像后的图片即可得到测试结果
  
  该选项包含了全局方法得到的畸变的平均值和最大值,以及TV畸变的值。
  
  平均值代表了所有点相对于一个覆盖了95%区域的虚拟参考网格的所有位置误差值的平均值。最大值表示所有这些点上计算出的最大位置误差。
  
  图像可能包含桶形和枕形失真的混合。在这种情况下,Analyzer将显示具有较高值的畸变。
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