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测量扫描仪动态范围

发布时间:2018-08-15 10:29:00 点击:

使用扫描仪提供数字图像文件的速度正在迅速增长。目前还没有标准化的方法来确定扫描仪的动态范围。因此目前动态范围测试卡,技术规范中报告的数据可以使用不同的方法确定。目前正在开发一种ISO 21550标准,用于测量扫描仪重现色调的能力,特别是在原始的黑暗区域内(在早期工作草案阶段)。目前,大多数制造商使用以下公式报告根据实施的A/D转换的位深度计算的动态范围:

D = log(2B)(1)

D =密度中给出的报告动态范围

B = A/D转换的位深度

这种动态范围通常高于扫描仪的实际能力,因为现在大多数情况下A / D转换器不再是扫描仪信号处理链中的瓶颈。

其他制造商查看扫描的灰度,并报告最暗的补丁的密度,该密度与下一个具有较低密度的补丁不同。如果灰度级不包括足够大的密度范围以确定扫描仪的能力,则可以添加具有均匀密度的膜以达到更高的密度值。

动态范围可能的瓶颈

最近,A/D转换与扫描速度相结合是瓶颈。 由于这些组件变得更便宜,更快,更好,这已经发生了变化。今天,光源以及灵敏度,模拟元件的质量和闪光是瓶颈特别是胶片扫描仪的瓶颈。用于反射介质的扫描仪的动态范围通常高于扫描介质的密度范围。 多用途设备中只有少数低成本扫描仪或扫描仪不能再现2.x密度的反射材料。

可用的灰度和材料问题

当我们在1998年开始时,似乎很容易测量动态范围,但从那时起出现了许多问题。 例如一个困难 是在与特定扫描仪上扫描的通常胶片类似的材料上生成覆盖所需密度范围的均匀贴片的测试图。第二个问题是,许多胶片扫描仪根据扫描的材料显示出动态范围的显着差异。

商用灰度

以下灰度级是市售的,检查了测量动态范围的可用性。

1.Agfa反射银灰色刻度(类型:G6T5E)23 x 215 mm由20个贴片组成,密度高达2.0。

2.Agfa透射银灰色刻度26 x 162 mm由30个贴片组成,密度高达4.3。

3.X-Rite银灰度(P / N 381-25)用于校准密度计21 x 125 mm,由21个贴片组成,密度高达3.9。

4.IT8 7.1和7.2基于RA 4和E6的不同制造商材料的测试图表,用于扫描仪校准。

Q因子

当我们测试尼康胶片扫描仪时,我们发现使用我们的Agfa灰度,这些扫描仪无法区分密度高于2.3的贴片。结果我们无法相信。从尼康我们得到的信息是,照明的几何形状可能是这种行为的原因。因此,我们试图找到一种具有Q因子的材料 - 平行照度测量的密度与漫射光源的密度之间的关系 - 约为1.不关心透射的光谱均匀性我们尝试了典型的颜色反转材料 与过滤器组合,均匀密度为1.5。我们发现E6材料的动态范围明显高于银基黑白胶片的动态范围。这意味着这种扫描仪会在扫描典型的黑白胶片时出现问题,但在C41或E6工艺中使用的材料会产生良好的效果。

胶片上灰度的密度范围

在某些情况下,X-Rite灰度的最大密度不够高。Agfa薄膜刻度由最大密度组成,对于大多数扫描仪来说足够高。IT8目标不包括适合测量动态范围的最大密度。使用此图表的制造商将其与均匀密度的薄膜相结合。所需的范围是从约0.1的膜基密度到高于4.0的密度。

噪声测量要求

为了测量扫描仪的噪声,测试图中粒状结构的频率必须高于扫描仪的几何采样率,通常以每英寸或每毫米点的分辨率给出。根据数码相机噪音测量(ISO 157391),它应至少高10倍。这将导致实际测试图表材料出现问题。特别是如果被测扫描仪是新一代的胶片扫描仪。可能的工作可能是图表和扫描仪之间的光学方式的(基于分子的)漫射滤光器。

测试图材料特性总结

测量动态范围的测试图必须满足以下要求:

1.最大密度高于4.0。

2.补丁之间的密度不大于0.2。

3.已知的Q因子,应与结果一起报告。

4.从380到780nm的光谱均匀透射。

图1.使用具有良好动态范围的扫描仪扫描的可能测试图表(为了更好的可视化,使用2.0的值增强了扫描的伽玛)

对于每次扫描的每个补丁,应使用不小于64 x 64像素来确定补丁的平均数字值和标准偏差。如下所述,测量噪声需要标准偏差。

动态范围

动态范围由测试图中贴片密度值给出的函数和10次扫描得到的平均数字值确定。

扫描仪OECF

5.精细的晶粒结构,用于测量噪音。

6.可能的低成本生产和图表布局,允许自动或至少半自动分析。

如何测量动态范围和相关值

为了确定动态范围和相关值,必须扫描测试图。如果要测量Q因子或/和绝对Dmax值,则必须进行附加图表的扫描。通常每个图表扫描的数字将最小化由时间噪声或机械公差引起的误差。如果扫描仪软件允许存储线性原始数据,则应存储该数据并用于确定不同的值。因此,分析软件必须能够分析每通道16位的颜色深度。为避免扫描仪软件插值引起的错误,扫描分辨率应为:

R = Rmax / i(2)

R =扫描分辨率

Rmax =扫描仪的最大扫描分辨率

i =整数值

图1.使用具有良好动态范围的扫描仪扫描的可能测试图表(为了更好的可视化,使用2.0的值增强了扫描的伽玛)

对于每次扫描的每个补丁,应使用不小于64 x 64像素来确定补丁的平均数字值和标准偏差。如下所述,测量噪声需要标准偏差。

动态范围

动态范围由测试图中的贴片的密度值给出的函数和来自十次扫描的得到的平均数字值确定。

如果扫描仪在图表最轻的色块中显示剪切值,则应选择低于最大数字值的第一个色块作为最小密度Dmin。 有三种不同的方法可以确定专家需要讨论的最大密度Dmax:

1. 最暗的补丁,与下一个较轻的补丁相比,平均数字值至少为1的差异。

2. 最暗的补丁,通过使用伽马校正,与下一个较轻的补丁相比显示出视觉差异。

3. 最暗的贴片,其信噪比大于给定的最小值,例如:1计算如信噪比部分所示

最客观的方式似乎是第三个提到的方式。只应讨论最小值。

然后,扫描仪的动态范围DR如下:

DR = Dmax  - Dmin(3)

必须为每个通道R,G和B单独计算动态范围。如果仅报告一个值,则应使用以下公式对不同的值进行加权:

DR = 0.2125 x DR(R)  + 0.7154 x DR(G)  + 0.0721 x DR(B)(4)

Q因子


如果还要确定照明的影响,则必须在具有高Q因子的材料上使用测试图重复该过程。 默认图表应由Q因子接近的材料制成。


图3.如果扫描具有高Q因子(如银基黑白胶片)的材料,尼康扫描仪的动态范围限制为2.3密度(为了更好地显示,最终扫描的伽玛值使用2.0增强)。

非线性8位数据

如果扫描仪不提供线性原始数据,则可以将自动调整与伽玛修改结合使用以减轻黑暗区域。在软件中使用Gamma值2.0会产生良好的结果。

绝对Dmax

在某些情况下,动态范围的最大密度不同于扫描仪可以再现的绝对最大密度。如果扫描仪软件确定曝光不足的幻灯片或过度曝光的负片,则可能能够调整曝光时间或放大水平,这不会导致在一个图像中再现较高的对比度。

图4.使用扫描软件对原始数据进行无(上)和(下)伽马增强扫描。

因此,将具有低最大密度的测试图与均匀密度薄膜组合的方式可能导致动态范围的错误结果,但是导致我们称为绝对Dmax的相关值。

信噪比

如果信噪比用于定义动态范围的Dmax,则必须使用标准偏差和每个补丁的平均值计算每个补丁。用于计算的公式将在标准中定义,并且与ISO 12232中使用的公式类似。

D =输入补丁的密度。

g(D)=增量增益到下一个较低密度和下一个较高密度的平均值(输出水平的变化率除以输入密度的变化率)。

s =单色输出电平值或加权色彩输出电平值(对于彩色相机)的标准偏差,取自64乘64像素区域。

如果公式导致扫描图表的不同方式导致相同的结果,则必须进行评估。因此,我们在有和没有伽马校正的8位输出数据上进行了尝试,发现在测量公差范围内,S / Nx的值是相同的。

查看每个扫描仪必须低于所有扫描仪的Dmax的相同密度/补丁 - 此补丁的信噪比是比较扫描仪信号质量的有用值。

结论

为避免由动态范围的不同公布值引起的混淆,需要基于ISO标准的测量动态范围和相关值的过程。 开发这个程序比我们在工作开始时想象的要复杂得多。 特别是找到具有低Q因子的光谱均匀材料是一个似乎可以解决但尚未解决的问题。 必须考虑本文中提到的许多不同方面。

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