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对比度
爱特蒙特光学有限公司。

对比度

成像资源指南2.3章节

对比度描述在给定的物体分辨率下,黑色与白色的区分程度。要使图像看起来轮廓分明,黑色细节需要显示为黑色,白色细节必需显示为白色(参见图1)。黑色和白色信息越趋向于中间灰色,该频率下的对比度越低。明暗线条之间的强度差异越大,对比度越高。虽然这可能显而易见,但却至关重要。

Understanding Contrast
图 1: 了解对比度。从黑色过渡为白色是高对比度,中间灰色则表明对比度较低。

可以按照方程式2.8计算给定频率下的对比度,其中,Imax是最大强度(如果使用了相机,通常会采用像素灰度值),Imin是最小强度:

(1)$$ \text{对比度} \left( \% \right) = \left[ \frac{I_{\text{max}} - I_{\text{min}}}{I_{\text{max}} + I_{\text{min}}} \right] $$

镜头、传感器和照明在确定最终图像对比度方面都发挥着重要的作用。如果其中任何一项未正确应用或与其他因素相互配合,都会降低系统在给定分辨率下的总体对比度。

镜头和对比度限制

在理想照明条件下,镜头对比度通常以再现的物体对比度百分比来定义。实际上,没有指定特定对比度的分辨率有点没有意义。分辨率中的示例假定完美再现物体,包括在像素上显示物体边缘处的突变。但实际上绝非如此。鉴于光的性质,即使经过完美设计和制造的镜头也无法完全再现物体的分辨率和对比度。即使在衍射极限下使用镜头(如衍射限制所述),图2中的圆点的边缘在图像中仍会显得模糊不清。在这种情况下,通过仅仅计算像素来计算系统的分辨率会降低准确性,甚至完全无效。

假设两个圆点相互靠近并且通过镜头成像(参见图3)。当两个光斑离得较远(换言之,在低频率下)时,圆点会非常分明,尽管其边缘都有一些模糊。随着它们互相靠近,模糊处会重叠,直至圆点无法再识别为单独的实体。系统的实际解析能力取决于成像系统检测圆点间距的能力。即使光斑之间有大量像素,但如果它们由于对比度不足而混在一起,也无法简单解析为两个单独的细节。因此,系统的分辨率取决于许多因素,包括衍射及其他光学误差所导致的模糊程度、圆点间距以及系统检测对比度的能力。

Two spots Being Imaged by the Same Lens
图 2: 相同镜头成像的两个光斑。上方的镜头在低频率下对物体成像,下方的镜头在高频率下对物体成像。

对比度示例

解析细节的能力与镜头再现对比度的能力以及利用的像素数直接相关。下面的图像针对相同的测试目标,但是由两个不同镜头(传感器上的像素数相同)拍摄的。两个图像都是从传感器中央裁剪的。每个镜头再现对比度的能力会决定系统的性能。

镜头1产生的对比度级别为22.6%,镜头2产生的对比度级别为12.7%。这会导致两个镜头出现78%的性能差异,即使在人眼的观察下系统看似相同。

还必需了解一点:在相同频率下,镜头并不一定能在整个视场中产生相同的对比度。另外,对比度级别会随着镜头f/#调整而更改。f/# (镜头光圈/孔径设)分辨率与对比度限制:艾里斑提供了有关这一内容的更多详情。

Lens 1 Yields a Contrast Level of 22.6%

镜头 1

Lens 2 Yields a Contrast Level of 12.7%

镜头 2

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