相機(jī)鏡頭對焦測試

一個(gè)相機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行對焦就意味著焦距和物距想匹配。物距就是相機(jī)和物體之間的距離。焦距就是相機(jī)成像時(shí)從鏡片中心到成像平面的距離。在手動(dòng)對焦時(shí)用戶通常修正鏡頭去檢測焦距。一旦被拍攝物體在焦點(diǎn)上，物體就會(huì)在圖像上呈現(xiàn)最大空間頻率。

相機(jī)的自動(dòng)對焦系統(tǒng)是檢測物體距離并且自動(dòng)調(diào)整鏡頭適應(yīng)這個(gè)距離。自動(dòng)對焦系統(tǒng)是探測器和制動(dòng)器的一個(gè)組合，管理著設(shè)置鏡頭到物體之間的正確距離。

我們假設(shè)物體是在相機(jī)自動(dòng)對焦系統(tǒng)前面。物距就是物理上的定義，相機(jī)和物體之間的距離。物距的測量是基于被動(dòng)或主動(dòng)測量。在主動(dòng)自動(dòng)對焦系統(tǒng)中，距離的測量是直接使用激光測距儀或超聲波方法。這個(gè)就收集到物距然后被使用去控制鏡頭的制動(dòng)器。

被動(dòng)系統(tǒng)并不直接測量物距，使用的是成像系統(tǒng)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(tǒng)，在今天的相機(jī)中也使用。

自動(dòng)對焦的方法

純粹的對比度自動(dòng)對焦方法是“試驗(yàn)和誤差”的方法。當(dāng)在圖像中的一個(gè)位置或多個(gè)位置的對比度被測量時(shí)，要進(jìn)行掃描無窮遠(yuǎn)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(dòng)器。如果物面和焦平面相等，在焦平面上的所有點(diǎn)的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)是最小的，就會(huì)有最大的空間頻率響應(yīng)和對比度。因此在掃描后，制動(dòng)器會(huì)設(shè)置鏡頭在有最大對比度的位置。對比度自動(dòng)對焦是通過使用實(shí)際的成像系統(tǒng)作為重點(diǎn)探測器。自動(dòng)對焦系統(tǒng)通過成像系統(tǒng)得出最佳的對焦位置并且根據(jù)此控制制動(dòng)器。這個(gè)系統(tǒng)是潛在的非常精確的，因?yàn)閷刮恢檬怯贸上裣到y(tǒng)優(yōu)化的，因此不需要自動(dòng)對焦系統(tǒng)的校正。

單反相機(jī)的起源是用相位自動(dòng)對焦，是基于專用的自動(dòng)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(tǒng)，是用于探測物面和焦平面之間的相位偏移。意思就是自動(dòng)對焦系統(tǒng)可以測量當(dāng)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(yuǎn)。因此所有關(guān)于鏡頭正確位置的信息都計(jì)算出來并應(yīng)用在鏡頭的制動(dòng)器上。不同于對比度自動(dòng)對焦系統(tǒng)，距離是實(shí)測的然后去控制制動(dòng)器。這個(gè)系統(tǒng)是非?？斓?，因?yàn)椴恍枰獧z測所有可能的距離。

雖然原始的相位自動(dòng)對焦要求專用的傳感器，但是在如今的相機(jī)中也使用相同的元素，把專業(yè)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(dòng)對焦系統(tǒng)可以得出關(guān)于當(dāng)前竟然的位置可需要修正的位置。在大多數(shù)的情況中，相位自動(dòng)對焦像素的一些額外信息被用于加速對比度自動(dòng)對焦系統(tǒng)，因?yàn)樗木嚯x需要檢測。因此這兩種方法是可以合成在一起使用。

可重復(fù)性和精確度

對焦直接影響分辨率。自動(dòng)對焦系統(tǒng)的任何震動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致分辨率測量結(jié)果的不同。因此我們可以在測試自動(dòng)對焦系統(tǒng)性能的時(shí)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(dòng)對焦的重復(fù)性和精確度。

重復(fù)性

理想情況下，AF系統(tǒng)的動(dòng)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(tǒng)在拍攝多張圖片時(shí)工作方式應(yīng)該是一樣的。我們定義AF系統(tǒng)的重復(fù)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(dòng)器的變化不同造成重復(fù)星不一樣。在沒有訪問內(nèi)部位置數(shù)據(jù)的情況下，是不可能區(qū)分這些變化的。因?yàn)槲覀儧]有辦法獲得這些信息，我們檢測AF重復(fù)性是直接通過測量SFR。AF系統(tǒng)的任何變化都會(huì)導(dǎo)致SFR的不同。

精確度

我們假設(shè)在給定的物體距離的情況下，相機(jī)的正確對焦位置會(huì)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(jī)的最高空間頻率會(huì)有著10%的SFR。

測試流程

待測的相機(jī)系統(tǒng)要用鏡頭分辨率測試卡去測試分辨率。對圖卡拍攝時(shí)用的是D50光源，亮度是1000lux。設(shè)備要固定在三腳架上，距離的選擇是根據(jù)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(shí)，用的是這個(gè)時(shí)候的圖卡和相機(jī)之間的距離。為了避免因?yàn)槭褂谜咴斐傻恼饎?dòng)對拍攝結(jié)果有影響，操作相機(jī)時(shí)使用定時(shí)拍攝。

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每個(gè)測試設(shè)備都要進(jìn)行兩個(gè)測試流程：

AF 這是測試AF性能的。操作者會(huì)使用自動(dòng)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(jī)要先對焦在一個(gè)距離近的物體上（把手放在鏡頭前），跟隨焦點(diǎn)并拍攝。

MF 這是參考測量去定義理想的對焦位置。AF系統(tǒng)沒有被激活，操作者在拍攝圖片時(shí)要手動(dòng)對焦。如果可以，相機(jī)系統(tǒng)的對焦幫助也可以使用（實(shí)時(shí)觀察，放大看細(xì)節(jié)）。從這些圖片中（最少十張，當(dāng)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(guān)于圖像質(zhì)量的參數(shù)默認(rèn)的是出廠設(shè)置，圖像存儲(chǔ)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(gè)方法是基于圖2中的正弦西門子星。相機(jī)還原測試圖案并創(chuàng)建一個(gè)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(biāo)準(zhǔn)化，中心的標(biāo)記點(diǎn)是作為分析檢測的一個(gè)起始點(diǎn)。從星的外部到中心，圖像的數(shù)值伴隨著半徑的變化被讀出來?？臻g頻率可以通過已知的西門子星線對（這里是144）和半徑計(jì)算出來。從數(shù)值擬合出的調(diào)和函數(shù)可以計(jì)算出調(diào)制度。通過這個(gè)方法，如果RAW數(shù)據(jù)不能獲得，那么獲得的SFR會(huì)有銳化的增強(qiáng)和其他圖像算法增強(qiáng)，這對于測量極限分辨率是非常有用的。

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結(jié)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(jié)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(jià)了320個(gè)不同的相機(jī)/鏡頭組合。168個(gè)定焦鏡頭和152和變焦鏡頭。一個(gè)相機(jī)/鏡頭的組合可以是單反相機(jī)或一個(gè)可變鏡頭的相機(jī)或一個(gè)固定鏡頭的緊湊相機(jī)。測試的變焦鏡頭有著三個(gè)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）。

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對于所有的鏡頭/相機(jī)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(jià)是有意義的。

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