软件使用说明2.2.4.doc
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1、CCD相机的成像综合性能的参数测量系统软件使用说明书北京理工大学2010/12/07 目录产品介绍1软件的安装及卸载21.软件的运行环境22.软件的安装23.软件卸载3测量方法及关键参数的解释4参数测量顺序的相关解释4各参数的测量方法41、噪声及信噪比(Noise & SNR)4噪声简介4噪声的计算4噪声计算的软件操作说明62、光电转换函数(OECF)18光电转换函数简介18光电转换函数的测量方法19光电转换函数的操作说明193、动态范围(Dynamic Range)23动态范围简介23动态范围的计算23动态范围的软件操作说明244、调制传递函数(MTF)26传函简介26传函的计算27传函的软
2、件操作说明305、均匀性(Uniformity)34均匀性简介34均匀性的计算34均匀性的软件操作说明356、畸变(Distortion)37畸变简介37畸变的计算38畸变的软件操作说明387、视觉分辨力(Resolution)41分辨力简介41分辨力的计算42分辨力的软件操作说明428、灰阶(Gray Scale)46灰阶简介46灰阶的软件操作说明469、动态传递函数(Dynamic MTF)49动态传递函数简介49动态传递函数的软件操作说明4953产品介绍EvaCCD是Evaluate CCD的缩写,它是一款基于PC终端的测试软件,用来综合评测CCD相机(包含镜头)的多项性能参数。EvaC
3、CD可以测量CCD相机的光电转换函数(OECF),均匀性(Uniformity),畸变(distortion),噪声(noise),动态范围(DR),调制传递函数(MTF),动态调制传递函数(dynamic MTF),分辨力(Resolution),灰阶(Gray Scale)等参数北京理工大学光学测量研究中心对本软件拥有知识产权。软件的安装及卸载1. 软件的运行环境系统最低要求: CPU :PIII 1G 内存:256MB 硬盘:512MB以上剩余空间 操作系统:Win XP/vista/72. 软件的安装1)如果是第一次使用本软件,应先安装光盘上的MCRInstaller.exe(matl
4、ab Compiler Runtime 7.13),如下图:若以前安装过此文件则跳过此步;2)将光盘中EvaCCD.exe 文件放入本地磁盘即可直接运行:3. 软件卸载1、进入windows系统控制面板中的卸载程序,选择MATLAB(R) Compiler Runtime 7.13 卸载。2、删除文件EvaCCD.exe。测量方法及关键参数的解释参数测量顺序的相关解释由于一些测量参数之间有相互依赖的关系,所以推荐按以下顺序进行评测:噪声及信噪比(Noise & SNR) 光电转换函数(OECF) 动态范围(Dynamic Range)调制传递函数(MTF)动态传函(Dynamic MTF)其它
5、。详细的依赖关系如下表:表格 1 测量参数之间的依赖关系光电转换函数(OECF)依赖于噪声(Noise)动态范围(Dynamic Range)依赖于噪声(Noise)调制传递函数(MTF)依赖于光电转换函数(OECF)均匀性(Uniformity)、畸变(Distortion)、分辨力(Resolution)、灰阶(Gray Scale)等参数为独立参数,其测量顺序可以任意安排。各参数的测量方法1、噪声及信噪比(Noise & SNR)噪声简介噪声是描述图像中像素的亮度随机变化大小的程度,是成像质量的一个关键参数之一,其重要程度与锐度(sharpness)不相上下。由于噪声是由一些物质基本的特
6、性引起的(由光和电的基本性质所引起的噪声、感光材料本身引起的噪声),所示它总是存在于图像中的。在CCD像元尺寸较小、相机感光度较大或者曝光时间过长时图像的噪声都会有明显的表现。噪声的计算 ISO 15739:2003(E)噪声的计算方法并不统一,以下介绍噪声的一般计算方法,其它方法与此类似。以下公式中各符号所表示的含义:total noise 总噪声的标准差:fixed pattern noise 固有噪声的标准差: temporal noise 随机噪声的标准差:几幅图像的平均的编码值的标准差:两幅图像之差的编码值的标准差由数码相机拍摄的一幅图片中含有固有噪声和随机噪声。这两种噪声之前并不相
7、关联,而他们和总噪声之间的关系为随机噪声(temporal noise):即会随着时间变化的那部分噪声。固有噪声(fixed pattern noise):是由于CCD传感器上像元之间的不一致导致的噪声。由于不同图像的随机噪声之间没有关联,那么图像的平均的编码值的变化为如果随机噪声的变化的均值表示为,则有不同图像的编码值的变化量的均值随机噪声的标准差为使用此结果,则固有噪声的标准差为:具体的,使用8幅图像(光圈和积分时间相同)计算噪声的方法如下:1、为了开发捕捉到的8幅图像的所有信息,首先应该计算平均图像,并且平均图像的标准差表示为2、计算每一幅图像和平均图像的差图像3、计算所得差图像的编码值
8、的标准差,其中j=1到84、计算所有差图像的标准差平方的平均值随机噪声的标准差为:固有噪声的标准差为:噪声计算的软件操作说明本软件共提供4中噪声和信噪比的计算方法。(1)方法1使用8张灰阶图在噪声计算之前应该准备好计算噪声所需要的实验数据:使用合适(使最亮的灰阶块尽量明亮同时并不过曝)并且相同的光圈和积分时间连续拍摄8幅灰阶测试卡,记为图片noise1noise8。图noise_ 1灰阶测试卡的拍摄图片在噪声及信噪比主界面中点击“Noise & SNR”,进入如下界面:图noise_ 2噪声及信噪比选择界面单击“Multiple Step Charts”,弹出文件选择对话框:图noise_ 3
9、 文件选择对话框选择8张图片,单击“打开”,弹出ROI选择界面:图noise_ 4 选择ROI进入如上图所示的界面,如果矩形框没有包含所有的辉阶,可用单击对话框边缘的八个方向按钮调整矩形框的位置或单击“region manual”按钮重新选择矩形框区域,使所有灰阶刚好全部被包含,单击“confirm”按钮进入噪声计算界面:图noise_ 5 噪声计算界面根据使用的靶板选择靶板对比度“Luminance Ratio”,如果需要将数据保存到文件,将“Save data to xls”选中,完成后,单击“Compute Noise”,计算噪声。计算结果如下图所示。图noise_ 6 计算结果(2)方
10、法2使用单张灰阶图在噪声及信噪比主界面中点击“Single Step Chart”,弹出文件选择对话框:选择文件,单击“打开”,弹出区域选择对话框:单击“Confirm”,弹出计算界面:可以通过“Patch Adjusting”、“ROI Adjusting”、“Patch Size”、“Patch Distribution”对12个灰阶进行调整。单击“Calculate”,弹出噪声和信噪比的计算结果:完成后,单击“confirm”回到主界面。(3)方法3:使用单张像面响应均匀性图在噪声及信噪比主界面中单击“Single Uniformity Image”,弹出文件选择界面:选择文件,单击“打
11、开”,进入ROI选择界面:单击选择区域,程序自动进入噪声计算界面:程序默认计算区域大小为128*128的矩形区域,通过“Patch size”可以设置计算区域大小,完成后单击“Calculate”计算噪声,选择计算区域位置,计算结果如下:(4)方法4:使用两张像面响应均匀性在主界面中单击“Double Uniformity Image”,以下操作和第三种方法相同,计算结果如下:2、光电转换函数(OECF)光电转换函数简介 BT/T19894-2005/ISO 14524:1999光电转换函数OECF是描述数码相机物理信号输入与其相应的输出信号之间的关系,是研究数码相机成像性能的基础。采用数码相
12、机拍摄测试图ISO14524上的内容,对测试图上各级灰阶块的亮度进行分析计算,由于测试图的亮度分布已知,则可以得到图像输入亮度值与拍摄的图像输出数字信号之间的函数关系,即得到光电转换函数OECF。CCD相机的OECF看起来可能和用于摄影和电视的特性曲线相似,但并非完全相同。特性曲线表明一个物理量的输入(如对数曝光量或反射量)与物理输出(如密度或电压)之间的关系。而OECF表明了类似物理信号输入与输入引起的表示物理响应的数字代码之间的关系。因为这种赋值是任意的,数值本身没有物理意义和单位。例如,数值变化一倍,则对应的物理响应可能增加一倍,或一个数量级的变化,或其他的变化,这取决于编码值是如何赋值
13、的。在数码摄影应用中,通常没有必要知道CCD相机的物理响应,只要知道一个变化的输入产生多少数码值就已经足够了。所以并不需要规定如何测量CCD相机的真实特性曲线。更确切的讲,我们只需要测量CCD相机的输入和产生的数码值之间的关系。这些数值仅仅由于它们代表信息而有了绝对 的意义。光电转换函数的测量方法OECF被定义为焦平面对数曝光或景物的对数亮度和一个光电数字影像拍摄系统的数字输出信号值之间的关系2,即曝光指数(单位为EV)和相机输出的数字编码(digital code value)之间的关系。:灰度块视觉漫透射密度;:放置测试标板处测得的漫射光源亮度,单位为坎德拉每平方米();:密度为的灰阶块亮
14、度,单位为坎德拉每平方米()。OECF输出曲线的轴表示的是对数亮度,轴表示的是相机输出图像的数字编码值的对数(以2为底)。光电转换函数的操作说明在光电转换函数计算之前应该准备好计算光电转换函数所需要的实验数据:1、使用合理的光圈和积分时间(使最亮的灰阶块尽量明亮同时并不过曝)拍摄灰阶测试卡,得到图片记为oecf。2、先计算此相机的噪声。图 OECF_ 1 灰阶测试卡的拍摄图片点击主界面的“OECF”按钮,弹出文件选择对话框:图 OECF_2 选择OECF图片从文件选择对话框中选择准备好的OECF图片,弹出Get ROI界面:图 OECF_ 3 ROI选择界面选择辉阶块的操作和测噪声时相同,单击
15、“Confirm”,程序将打开OECF计算界面。图 OECF_ 4 ROI的微调界面使用OECF计算界面的左侧部分可以实现对12个红色矩形方框的细微调整,如果12个红色方框没有全部处在不同灰度块中,可使用“Patch adjusting”、 “Patch Size”、“Patch Distribution”调节12个红色方框位置和大小,同时也可以使用“ROI Adjusting”调节选中区域的位置和大小。调整完毕后,选择“Luminance Ratio”为当前的靶板对比度(本例中选择为20:1)。单击OECF界面的“OECF”按钮,程序将计算并显示参数Gamma,同时在界面上显示OECF曲线,
16、如图所示:图 OECF_ 5 OECF曲线结果测量完毕,点击“Exit”关闭窗口。程序将自动保存该次测量的gamma值,并作为下次进行MTF测量的默认输入gamma值。3、动态范围(Dynamic Range)动态范围简介动态范围的定义是“在一次拍摄中所能表现的场景的最大动态范围”,进一步说,所谓“能表现”是指至少能够体现出场景中细微的亮部差别。CCD相机动态范围的大小主要是被噪声所限制,若一款相机在低的曝光度下拥有较低的噪声,则此相机一定拥有着比较好的动态范围。所以噪声是限制相机动态范围的直接因素。动态范围的计算实际上我们测试采用了一个间接的方式,因为要设置一个动态范围超过CCD相机宽容度的
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