影响图像质量的因素有哪些方面

1. 与图像传感器相关的因素

1.1 混叠现象（摩尔效应）

对图片进行离散采样并且采样频率低于目标空间频率时，就会产生混叠现象。此时可以观察到条状或者带状的图形（称为摩尔效应），这个图形类似于当两个纺织物前后交叠时的现象。

混叠现象在图像传感器的光电转换中有最重要的影响，这是因为：

（a）拍摄图片后的处理产生的莫尔条纹混叠现象，可以通过恰当的处理来避免。但是，在图像传感器采样中出现的没有办法消除。

（b）对通常使用的带有色彩滤波器的单色图像传感器，混叠现象经常以颜色的形式出现，因为色彩采样的频率是低于照度采样频率的，这是导致图像质量变差的重要因素。

色彩摩尔效应常常当作检查图像质量的标准，当目标中有高频分量时这种效应经常会出现。色彩摩尔效应有时体现为彩色的边界，即一个黑白图案的边缘处出现了错误的彩色。

当对一个高频黑白目标拍摄时，通过检查误差色彩的产生来评估色彩摩尔效应。最常使用的图表是CZP（圆形波带板）图表，这是一个二维频率扫描图表，它是设计和估量光学低通滤波器的一个重要的工具。

1.2 拖尾、图像残留

图像在传感器输出端保持不变的现象，当持续时间较短时，这种现象称为拖尾；当持续时间较长或永久存在时，这种现象称为图像残留。

固态图像传感器通常不会出现图像残留。然而，当传输效率不够高或者像素的复位电荷不足时，拖尾有时会出现。

1.3 暗电流

图像传感器是一种半导体器件，当它没有受到光照时，也会因为热效应造成泄露电荷，称为暗电流。通过减去黑像素（不受光照产生的像素）的输出值可以对空间均匀的暗电流进行消除。但是，不同像素中的暗电流是不同的，并且会给图像引入噪声，而且电荷转移隧道中的电荷累积部分也会产生暗电流。当在像素电荷转移隧道中的电荷转移的必要时间不恒定时，如电荷转移被暂停或者电荷被强制停滞时，暗电流就可能称为一个噪声源。

噪声级别是和下面两个因素成比例：①像素中产生噪声的累积时间；②转移隧道中产生噪声的等待时间。

在实际应用中，暗电流强烈依赖于温度，这方面的相关性也需要考虑。

1.4 像素缺陷

在图像传感器的制造过程中一些杂质的引入等原因，一些像素具有过大的暗电流、读出信号的问题或者过低的像素敏感度等缺陷，这些像素输出固定的白色或黑色信号称为像素缺陷。

像素缺陷经常被相邻的像素数据所取代来避免它出现在相机的输出中。但是，也有可能因为过多的像素缺陷而影响图像的质量。

1.5 高光溢出/漏光

由于强光入射到图像传感器的表面，常会产生一些不正常的信号，当一个像素的电荷处于饱和状态或者泄露到相邻像素中，称为高光溢出（blooming）。在CCD图像传感器中，当长波光照射到硅基上并穿透时，称为漏光（smear）。

1.6 白电平限幅/缺色/单调黑色

白电平限幅、缺色和单调黑色区域经常被观察到，一个原因是由于图像传感器没有足够的动态范围，另一个原因是图像传感器的操作点并不能被很好地控制住。

当一个图像传感器记录一个拥有比传感器饱和值更高光照度的明亮区域时，白电平限幅就会出现。由于具有饱和值的信号，饱和区域将会被记下，这会导致出现一个完全单调的白色区域。

当图像传感器饱和区域的输出色彩信号只有一种或者两种色彩通道时，缺色现象就会出现，这将导致目标区域对应的色彩平衡度严重变差，从而影响图像质量。

单调黑色会丢失由于图像传感器动态范围限制的细节，在重现图像时会导致灰度太低而在视觉上无法辨别，那么这个区域就会被视为单调黑色区域。导致单调黑色的首要原因是图像传感器和图片播放系统灰度信息的缺失。

1.7 空间随机噪声/固定模式噪声

随机噪声，毫无规律地分布在整个图像中，其对图像质量的影响并不大，在一定程度上是可以接受的。

固定模式噪声，如白色条纹噪声和飞入噪声，更容易被检测到，也更影响图像质量。

1.8 热噪声/闪烁噪声

在图像传感器的放大器处理信号中和用于接收传感器输出的预处理电路中加入了噪声，这种噪声称为热噪声。热噪声可以通过降温来减少，但不能完全消除。

随着像素尺寸的不断变小，量子效应也变得不可忽略，浙江导致图像传感器的信号大小会以不确定的量子效应进行波动。这意味着即使目标图像均匀不变时，输出信号也会在时间和空间上进行随机的波动。闪烁噪声的大小与光子数量的均方根成比例，因此，信号和闪烁噪声的比值与信号值的均方根成比例。

2. 与镜头相关的因素

2.1 炫光/重影

炫光和重影是由于照射到图像传感器表面的杂散光引起的图像干扰，这主要是由于镜头表面和镜筒内部反射引起的。

2.2 畸变

实际的镜头都或多或少有畸变，这将会改变物像的相似性。在固定焦距的镜头，畸变是固定的；对于变焦镜头，畸变在不同焦距下呈现不同的情况。对于一般情况，畸变越小越好。

2.3 色差

镜头针对不同的波长的光有不同的折射率，这导致出现色彩。在一个镜头中，可以通过多个镜片的设计来校正像差。

2.4 景深

拍照的功能是将实际的三维物体转换为图片上的二维物体。在这个转换过程中，处于镜头焦距位置的点会以最佳分辨率被记录下来，而不在焦距上的点会模糊记录，并且离焦点距离越大越模糊。景深是保证模糊度处于可以接受范围内的距离。

景深大小可以用镜头的光学参数进行精确计算。

3. 与信号处理相关的因素

3.1 量化噪声

数码相机通过将光照度的值转换成数字值来记录物体的光照度，在这个模数转换的过程中，模拟的光照度将会被转换成离散的若干比特的数字值，这个模数转换的过程不可避免地存在一些比特误差或者量化误差。当系统的精度很高时，量化误差会影响图像质量；当系统精度比较低时，它可以被忽略。

3.2 压缩噪声

可交换图像文件是一种标准的文件格式，它采用的是JPEG压缩，这是一种不可逆（有损）的压缩，即忽略目标物体中的一部分信息来达到一个很高的压缩比。在JPEG压缩中提高压缩比而增加的噪声称为压缩噪声。

3.3 电源线噪声、时钟噪声

电源线噪声和时钟噪声就是所谓的飞入噪声。能量供应和时钟脉冲信号的开关调节电路可以在AD转换之前通过影响相机的模拟部分对图像传感器进行启动。这些类型的启动电路会在图像中引入亮点或亮线形式的噪声。估量这种类型的方法是在最高的图像敏感度设置下拍摄一个黑色的物体，然后观察图片上的噪声并测量它的峰值。这种噪声是由电路产生的，所以这种噪声的具体性质会随着环境温度和相机自身发热而变化。

4. 与系统控制相关的因素

4.1 对焦误差

即使镜头有理想的性能，如果对焦不准确，也不能获得理想的图像质量。如果目标物体在焦距之外，图像会变模糊，并且模糊的程度会随着与焦点偏移程度的扩大而增大，即在高频的情况下镜头的响应将会变差，这将导致分辨率和锐化度的严重恶化。另一方面，随着分辨率的降低，混叠也会降低。

4.2 曝光误差

如果曝光误差很大，那么由于信号超过了动态范围，丢失的信息变得不可弥补，从而无法获得理想的图像质量。而且，曝光误差将会增加各种噪声，包括量化误差。

4.3 白平衡误差

如果有白平衡误差，色彩就不能被精确地拍摄下来，图像质量也会受到影响。

4.4 照明闪烁的影响

交流电导致照明光常常会有闪烁，这会对控制系统和得到的图像造成影响，尤其是荧光灯这种类型的光源。

5. 其他因素

5.1 适应性

当处理一个物体或者一个图像时，需要考虑人类视觉上的光适应和色彩适应。

5.2 相机抖动

如果在曝光过程中物体是运动的，那么得到的图像就会出现运动模糊的现象。

当相机运动时，相机抖动就会出现，和运动模糊不同，相机抖动会使整个图像都变模糊。

5.3 急动干扰

带有录像功能或者电子取景器的数码相机可以处理移动信号。当一个相机对移动信号进行处理时，如果图片一帧的曝光时间和帧频相比过短，那么移动图片看上去就会显得不自然，移动感觉像是间断的，这种效应称为急动干扰。当一个运动的物体是被一个高速的电子快门记录时，这种效应格外明显。

5.4 瞬态噪声

当拍摄一幅静态图片时，随时间波动的瞬态噪声会被冻结为空间噪声。

编辑：黄飞