Исследование характеристик цифровых фотокамер

• МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РФ

Филиал ГОУ ВПО

МОСКОВСКОГО  ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО  ИНСТИТУТА

(ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА)

в городе Смоленске

 

Кафедра ОЭС

 

 

 

 

 

 

Лабораторная  работа № 5

по курсу: «Системы цифровой обработки  изображений»

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ЦИФРОВЫХ ФОТОКАМЕР

 

 

 

 

 

 

 

 

Смоленск 2004

Цель работы: ознакомление с принципами исследования основных объективных и витальных характеристик  цифровых фотокамер (ЦФК), а так же с методиками их измерения.

В качестве лабораторной установки используется ЦФК Olympus Camedia C-120, которые подключаются к ПЭВМ IBM PC через интерфейс USB. Управление осуществляется через стандартные TWAIN-драйверы устройств. Для анализа и обработки изображений используется графический редактор Adobe Photoshop 7.0.

Для исследования характеристик камер используется набор тест объектов, а так же специальное программное обеспечение.

ВЫПОЛНЕНИЕ

1. Произвести измерение  разрешающей способности ЦФК  в различных режимах съёмки  с помощью прямоугольных мир.  Сравнить результаты с пространственным  разрешением ФПЗС (ФКМОП).

Разрешающую способность  камеры Olympus Camedia C-120 в режиме HQS  в пространстве предметов найдём с помощью таблицы приведённой в приложении 2 описания лабораторных работ. Так как последний разрешаемый элемент миры №15, то согласно этой таблице R=7,14 точек/мм. Разрешающую способность в плоскости изображений можно найти пользуясь выражением.

,                                                   (1)

где R и R' – разрешающая способность в пространстве предметов и изображений соответственно, z – расстояние от предмета съёмки до входного зрачка объектива камеры, f' – фокусное расстояние.

Отсюда

(точек/мм).

Для остальных режимов  съёмки результаты следующие

HQ- последний разрешаемый элемент миры №14

    (точек/мм),

SQ1 - последний разрешаемый элемент миры №12

 (точек/мм),

SQ2 -  последний разрешаемый элемент миры №10

 (точек/мм),

 

Пространственное разрешение ФПЗС найдём исходя из максимального  разрешения матрицы и её линейных размеров.

Найдем линейные размеры  матрицы. Диагональ матрицы – 1/1,8 дюйма, соотношение сторон 1600х1208 точек. Получили: ширина 11,01 мм, высота 8,35 мм.

Если пересчитать в  точки/мм то получим 145 элементов отображения  на мм. Сравнивая результаты расчётов, можно сделать вывод, что реальное разрешение меньше на 35%. Это могжет быть вызвано аберрациями объектива, шумами матрицы и неточной фокусировкой аппарата.

2. По изображению построить  частотно-контрастную характеристику (ЧКХ)

Невозможно выполнить  в связи с неработоспособностью программы на компьютере (отсутствием  необходимых компонентов).

3. Получить изображение  предложенного преподавателем тест-объекта.

Определить степень  сжатия оцифрованного фотоизображения  в различных режимах съемки:

– для ЦФК Olympus C-120 в различных разрешениях, соответствующих различным режимам съёмки (SQ2, SQ1, HQ, SHQ);

Степень сжатия определим  как отношение размера несжатого изображения с изображением, полученным с ЦФК. Для Olympus C-120 реально можно определить степень сжатия изображения по внутренней информации файла, которую мы можем получить с помощью программ просмотра изображений.

За размер несжатого  изображения возьмем размер изображения, получаемого с ЦФК в режиме съёмки SHQ (961,3КВ). Результаты примерных расчётов степени сжатия приведены в таблице 1.

 

Результаты определения  степени сжатия изображения

Табл.1

Режим съёмки	SHQ (1600x1208),*	HQ (1600x1200),**	SQ1 (1024x768),***	SQ2 (640x480)
Степень сжатия для Olympus C-120	1	2,53	4,77	7,23
Размер кб	868	343	194	120

 

4. Сфотографировать серый  клин. Провести гамма-коррекцию его  оцифрованного изображения. Зарисовать  гистограмму полученного изображения.  Произвести коррекцию яркости по полям клина. Построить градационную характеристику. В соответствии с полученной характеристикой провести тоновую коррекцию изображения. Сравнить гистограммы до и после тоновой коррекции.

Гистограмма полученного  изображения на рис.1.

 

Рис. 1. Гистограмма изображения серого клина после гамма-коррекции

 

Градационная характеристика клина на рис. 2.

 

 

Рис. 2. Градационная характеристика клина

 

 

После тоновой коррекции  гистограмма принимает вид показанный на рис. 3.

 

 

 

Рис. 3. Гистограмма после тоновой коррекции

 

 

Поле изучения и сравнительного анализа гистограмм до и после  тоновой коррекции можно сказать, что при проведении тоновой коррекции  мы приближаем изображение, полученное с ЦФК к реальном.На диаграмме  исчезла периодическая структура, но получили, более усреднённые значения уровней (levels).

 

 

5. Сфотографировать полноцветное  изображение. Зарисовать гистограмму  полученного изображения. Оценить  зашумленность изображения в  цветовых каналах.

 

 

Рис. 4. Гистограмма полноцветного  изображения

Рис. 5. Гистограмма R-канала изображения

Рис. 6. Гистограмма G-канала изображения

Рис. 7. Гистограмма B-канала изображения

 

На полученных гистограммах видны  пики в области темных тонов.

 

              6. Произвести тоновую коррекцию изображения п5. Описать отличия гистограммы от гистограммы изображения п.5.

 

 

Рис. 8. Гистограмма полноцветного  изображения после тоновой коррекции 

 

             Как видно из гистограмм после тоновой коррекции гистограмма получила линейчатый характер. Это произошло из-за недостатка информации о некоторых уровнях в полученном изображении.

 

 

 

7. Оценить шум матрицы  ФПЗС ЦФК. Определить наличие,  количество и характер неисправных  элементов матрицы. Сделать вывод  о пригодности матрицы.

 

 

Рис. 9. Снимок темного объекта без  внешних засветок.

 

Можно заметить неисправный  элемент матрицы (светлая точка  на рис.6). Причиной является повреждение  одного из чувствительных элементов  матрици. Матрица пригодна для фотоаппаратов  данного класса.

 

8. Для ЦФК Olympus C-120 провести съёмку тест-объекта заданного преподавателем при различных предустановках баланса белого и в условиях освещения с преобладанием дневного света и света люминесцентных ламп.

Зарисовать гистограммы  полученных изображений. Выбрать снимок наиболее соответствующий действительности. Записать впечатления.

Съёмка с различными предустановками баланса белого с преобладанием дневного освещения.

Гистограммы приведены  на Рис.10…13.

 

 

Рис. 10. Гистограмма кадра 25.

 

Рис. 11. Гистограмма кадра 24 (синий)

 

Рис. 12. Гистограмма кадра 23(тёплые приятные цвета)

 

Рис. 13. Гистограмма кадра 22(наиболее реалистичен)

 

Съёмка в помещении.

 

Гистограммы изображений  полученных с различными предустановками  баланса белого представлены на рис. 13…16.

 

 

Рис. 14. Гистограмма кадра 21. Автомат (зелёная)

 

Рис. 15. Гистограмма кадра 20(синии оттенок)

 

Рис. 16. Гистограмма кадра 19 (оптимальная)

 

Рис. 17. Гистограмма кадра 18 (голубой оттенок)

Данная настройка представляется не очень полезной, так как фотография с ЦФК в любом случае должна проходить цифровую обработку для оптимизации по цвету. С другой стороны оценка цветов с монитора немного не корректна в виду неточной цветопередачи монитора,

9. Измерить временные  характеристики ЦФК:

– время задержки срабатывания затвора;

– для Olympus C-120 время оцифровки кадров в режиме многократной съёмки при различных разрешениях;

– частоту кадров режима видеосъёмки;

Сравнить результаты с данными, предоставленными производителями. Если таковые имеются.

Были произведены многократные измерения времени задержки срабатывания затвора результаты представлены в  табл. 1

Таблица 1

Измерение времени задержки срабатывания затвора

№ измерения	1	2	3	4	5
Время задержки, мс	340	430	550	550	490

 

Рассчитаем среднее арифметическое значение по формуле 1

    (1)

Средне квадратичное отклонение посчитаем по формуле 2

      (2)

где

Доверительный интервал измеряемой величины рассчитаем по формуле 3

      (3)

Где =2,8 – Коэффициент Стьюдента, взят из справочных значений

Результаты представим в табл. 2, данные для расчетов взяты  из табл. 1.

 

Таблица 2

 

472	511	1,25

 

В результате получим  Х=472 1,25

Сравнивая с данными  предоставленными производителями X=438 видно что результат полученный во время расчетов не совсем совпадает с данными предъявленными производителями это можно объяснить тем что в рассчитанное время входит время реакции оператора при данном методе измерений.

Частота кадров режима рассчитаем по формуле (4)

        (4)

где =7,9 с- время полной семки

n=5 – количество кадров

То есть 5 кадров делаются с частотой 1,58 кадра в секунду  по данным производителя 1,5 кадра в  секунду полученный результат соответствует действительности.

 

Рассчитаем частоту  кадров в режиме видеосъёмки

t=13,67 – время сьемки

V=4,868 Мб

I=0,060 Мб 320х240

 

 

 

Литература

 

1. Быков Р.Е., Манцветов  А.А., и др Преобразователи изображения  на приборах с зарядовой связью. –Москва, 1992. -184с.