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相機自動對焦如何測試(—)

52RD.com 2017年10月18日 我愛研發網            參與:11人 查看 我來說兩句
  自動對焦這項技術發展至少有40多年了。我們要看看如今相機的自動對焦性能。所有的測試都是用最后的成品并且沒有經過處理。通過這些信息工程師可以有著更好的理解現如今的相機并且知道如何設計一個關于測試自動對焦系統的流程。因為目前的國際標準還沒有出來,德國IE也在支持者ISO關于這方面的工作。我們檢測了至少300個相機系統的自動對焦重復精確性和時間,并且它們之間做了對比。

  介紹

  德國IE有著一個種類繁多的成像系統的測試實驗室。對于一個工業測試實驗室測試時間是非常緊張的,我們對一個相機的測試的流程做出評估并選用最好的一個。在本文中,我們評估了超過320個相機/鏡頭組合的結果。從這些結果中,我們得出關于怎么優化測試流程的方法。

  一個相機系統進行對焦就意味著焦距和物距想匹配。物距就是相機和物體之間的距離。焦距就是相機成像時從鏡片中心到成像平面的距離。在手動對焦時用戶通常修正鏡頭去檢測焦距。一旦被拍攝物體在焦點上,物體就會在圖像上呈現最大空間頻率。

  相機的自動對焦系統是檢測物體距離并且自動調整鏡頭適應這個距離。自動對焦系統是探測器和制動器的一個組合,管理著設置鏡頭到物體之間的正確距離。

  我們假設物體是在相機自動對焦系統前面。物距就是物理上的定義,相機和物體之間的距離。物距的測量是基于被動或主動測量。在主動自動對焦系統中,距離的測量是直接使用激光測距儀或超聲波方法。這個就收集到物距然后被使用去控制鏡頭的制動器。

  被動系統并不直接測量物距,使用的是成像系統去定義物距。兩種主要的方法是相位探測和對比度探測。這些方法合并在一起稱為混合系統,在今天的相機中也使用。

  自動對焦的方法

  純粹的對比度自動對焦方法是“試驗和誤差”的方法。當在圖像中的一個位置或多個位置的對比度被測量時,要進行掃描無窮遠和最近的焦距之間的所有可能的范圍,通過這種方式控制鏡頭的制動器。如果物面和焦平面相等,在焦平面上的所有點的點擴展函數是最小的,就會有最大的空間頻率響應和對比度。因此在掃描后,制動器會設置鏡頭在有最大對比度的位置。對比度自動對焦是通過使用實際的成像系統作為重點探測器。自動對焦系統通過成像系統得出最佳的對焦位置并且根據此控制制動器。這個系統是潛在的非常精確的,因為對焦位置是用成像系統優化的,因此不需要自動對焦系統的校正。

  單反相機的起源是用相位自動對焦,是基于專用的自動對焦傳感器。在半透明的主鏡后面有額外的鏡頭和反射鏡系統,是用于探測物面和焦平面之間的相位偏移。意思就是自動對焦系統可以測量當前的鏡頭的位置是否造成前焦距或后焦距及鏡頭偏移焦距有多遠。因此所有關于鏡頭正確位置的信息都計算出來并應用在鏡頭的制動器上。不同于對比度自動對焦系統,距離是實測的然后去控制制動器。這個系統是非常快的,因為不需要檢測所有可能的距離。

  雖然原始的相位自動對焦要求專用的傳感器,但是在如今的相機中也使用相同的元素,把專業的像素集成在成像傳感器上。這些像素在某種程度上是模糊的,自動對焦系統可以得出關于當前竟然的位置可需要修正的位置。在大多數的情況中,相位自動對焦像素的一些額外信息被用于加速對比度自動對焦系統,因為它的距離需要檢測。因此這兩種方法是可以合成在一起使用。

  可重復性和精確度

  對焦直接影響分辨率。自動對焦系統的任何震動都會導致分辨率測量結果的不同。因此我們可以在測試自動對焦系統性能的時候帶著分辨率測試的流程。額外的分辨率測試要求最好的對焦。我們是基于分辨率測試去檢查自動對焦的重復性和精確度。

  重復性

  理想情況下,AF系統的動作只是取決于物體的距離。因此對于固定的物體距離,AF系統在拍攝多張圖片時工作方式應該是一樣的。我們定義AF系統的重復性是在鏡頭上的對焦距離的變化性。這有可能是探測物體的距離不同或控制鏡頭的制動器的變化不同造成重復星不一樣。在沒有訪問內部位置數據的情況下,是不可能區分這些變化的。因為我們沒有辦法獲得這些信息,我們檢測AF重復性是直接通過測量SFR。AF系統的任何變化都會導致SFR的不同。

  精確度

  我們假設在給定的物體距離的情況下,相機的正確對焦位置會有最高的空間分辨率。因此AF精確度越好,極限分辨率也就越高。極限分辨率也就是MTF10,因此相機的最高空間頻率會有著10%的SFR。

  測試流程

  待測的相機系統要用圖1 中的測試圖卡去測試分辨率。對圖卡拍攝時用的是D50光源,亮度是1000lux。設備要固定在三腳架上,距離的選擇是根據圖卡和成像之間決定的,圖卡的高度要和成像的高度一致時,用的是這個時候的圖卡和相機之間的距離。為了避免因為使用者造成的震動對拍攝結果有影響,操作相機時使用定時拍攝。

  每個測試設備都要進行兩個測試流程:

  AF 這是測試AF性能的。操作者會使用自動對焦在每種測試條件下拍攝10張照片。在拍攝圖片之前相機要先對焦在一個距離近的物體上(把手放在鏡頭前),跟隨焦點并拍攝。

  MF 這是參考測量去定義理想的對焦位置。AF系統沒有被激活,操作者在拍攝圖片時要手動對焦。如果可以,相機系統的對焦幫助也可以使用(實時觀察,放大看細節)。從這些圖片中(最少十張,當然也可以拍攝更多)選出最好的一張。最好也就是在圖像中心有著最高的極限分辨率。

  所有關于圖像質量的參數默認的是出廠設置,圖像存儲為8位JPEG,光圈完全打開。

  對于所有圖像,圖像中心的極限分辨率都是基于ISO12233:2014中的算法。這個方法是基于圖2中的正弦西門子星。相機還原測試圖案并創建一個圖像。用軟件去讀取圖像并對圖案中的不同部分去分析。西門子星周圍的灰階是用于線性化和標準化,中心的標記點是作為分析檢測的一個起始點。從星的外部到中心,圖像的數值伴隨著半徑的變化被讀出來。空間頻率可以通過已知的西門子星線對(這里是144)和半徑計算出來。從數值擬合出的調和函數可以計算出調制度。通過這個方法,如果RAW數據不能獲得,那么獲得的SFR會有銳化的增強和其他圖像算法增強,這對于測量極限分辨率是非常有用的。

  結果

  我們主要的目的是找出是否MF和AF都需要測試以及如果只用AF我們需要拍攝多少張照片并且仍然能得出極限分辨率的平均值。所有的結果都是從S-SFR測量得出的,使用的MTF10作為極限分辨率。我們評價了320個不同的相機/鏡頭組合。168個定焦鏡頭和152和變焦鏡頭。一個相機/鏡頭的組合可以是單反相機或一個可變鏡頭的相機或一個固定鏡頭的緊湊相機。測試的變焦鏡頭有著三個不同的焦距。最短焦距(W),最長焦距(T)和在兩者之間的焦距(S)。

  從自動對焦拍攝的10張照片中,我們進行了檢查并且把自動對焦的和手動對焦的最好的圖像進行比對。“最好”的定義是圖像中心有著最高的極限分辨率。

  在圖像3中我們展示了所有獲得數據的一小部分。圖像展示了在佳能5DsR單反相機和14個定焦鏡頭組合的測試數據。每一簇數據代表一個鏡頭,并且可以看到十個AF測試結果精度。AF精度的定義是測量的極限分辨率和AF及MF中最好的極限分辨率的比值。在大多數情況中,MF一般提供最好的結果,只有一些設備會達到100%。重復性可以通過十個測量結果之間的變化觀察得出。

  對于變焦鏡頭和定焦鏡頭我們做了評價看有多少鏡頭時符合一定的標準。對于變焦鏡頭,我們對三個不同的焦距(W,S,T)也進行檢查。標準是根據十分之幾的圖像達到最好分辨率的X%。結果在圖形像4中有展示。

  對于定焦鏡頭168個只有2個顯示有高精度和重復性,有著10個圖像表明極限分辨率達到99%或比用做對比的圖像更好。只有31%的變焦鏡頭對焦很好,它們的極限分辨率達到90%會比選定用于做對比的圖像更好。即使對于極限分辨率我們允許一個高達10%的誤差,我們看到我們不能依靠單一的圖像去測試極限分辨率。

  問題是如果只拍攝4張圖片去代替10張圖片,是不是可以?因此在這種情況中,我們必須找出十分之三的圖像是接近最好圖像的。在焦距T位置,對于所有的變焦鏡頭只有48%的對焦很好,也就是至少十分之三的圖像可以達到最好的極限分辨率的97%。即使把接受的誤差提高到10%仍意味著25%的變焦鏡頭不能達到這個標準。

  正如我們所看到的捕獲單一的圖像或選擇最好的四分之幾的圖像是不充分的,我們想核對一下我們得到最好的極限分辨率有十分之幾的圖像。即使我們的介紹誤差范圍是10%,只有84%的變焦鏡頭在自動對焦是可以有接受的結果。因為我們認為一個誤差10%是太高了,所以在我們實驗室把這個誤差范圍降低到3%。這就意味著在自動對焦系統中,三分之一的變焦鏡頭和多于20%的定焦鏡頭沒有達到最好的極限分辨率。

  從這些結果中得出,對于所有的鏡頭/相機組合測試MF和AF,必須要保持工作流程一致,這樣對于SFR的評價是有意義的。

  我們把待測設備分成三類。“D-SLR”是使用反射鏡的相機。“system”是沒有反射鏡但是可換鏡頭的相機,“compact”相機是有固定的鏡頭。圖5中顯示出在精度和重復性的差異。對于所有的變焦鏡頭我們進行了比較,我們只使用最短的焦距。對于AF測試的精度的平局值使用μ表示。我們看到“system”和“compact”相機有著很高的精確度。“compact”相機有著接近95%的精度,而D-SLRs僅有著低于89%的精度。

  重復性用σ表示,是指相對的極限分辨率標準差的平局值。它是用百分比表示。對于所有的AF測試,可以看到D-SLR相機有著顯著的高的標準差。

  觀察到的高精度和高重復性的“system”和“compact”相機是和這些相機的一般經驗是匹配的。即使用于評估的數據量非常大,也不能進行分類去和所有相機的焦距和鏡頭的最大光圈的分布規律進行匹配。因此總的趨勢是有效的,但是精確的差異可能是有偏見的。

  下次我們將繼續介紹自動對焦測試的其他指標。52RD.com  微博關注:http://weibo.com/52rd  微信關注:admin_52RD
已有2位網友發表了看法 查看 我來說兩句
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評 論
2樓 52RD網友 61.149.*.* 發表于 2018-10-25 10:55 回復
作者的語文是體育老師教的吧
1樓 ecoren 發表于 2017-11-15 08:38 回復
看不懂哇
共有評論2篇 查看所有評論
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