數(shù)字圖像采集的發(fā)展得益于技術(shù)的發(fā)展，以及越來越廣闊的數(shù)字圖像市場的價格優(yōu)勢。然而，隨著網(wǎng)絡(luò)交互時代的到來，標(biāo)準(zhǔn)文件格式和元數(shù)據(jù)在可變性和兼容性方面做出了大量與技術(shù)相關(guān)的選擇和考慮。對于大多數(shù)圖像采集方案而言，為增加數(shù)字圖像內(nèi)容的效用、減少可變性，我們提出了十個基本原則。

在圖像轉(zhuǎn)換方案中，以下的建議旨在為確定和維持成像性能提供指導(dǎo)。專門從事成像的技術(shù)人員能夠很好地理解每一個建議的秘訣(有時也會進(jìn)行討論)，但對于像在博物館、圖書館和其他類似機(jī)構(gòu)工作的更廣泛的客戶來說，這些秘訣并不總是很清楚。項目經(jīng)理有時會詢問技術(shù)部員工和影像服務(wù)提供商一些問題，這些小建議可以作為解答這類問題的基礎(chǔ)。

1.掃描圖像時要核實其成像性能

在數(shù)字化工作流程中，或許最重要的功能是提供一種核實交付圖像成像性能的方法。不管是比較不同的掃描儀還是選擇服務(wù)供應(yīng)商，這都是適用的。要求的采樣率(即每英寸的像素數(shù))實際達(dá)到了嗎?光學(xué)分辨率和采樣率一致嗎?色彩編碼在什么程度上和期望的要求不同?這些問題需要確定成像單元的可測量目標(biāo)——不管是以內(nèi)部還是外包的形式。更重要的是，它們是實時生產(chǎn)控制和接受審計，即良好的質(zhì)量控制的基礎(chǔ)。請記住，正因為其內(nèi)容以數(shù)字形式存在，所以不允許有錯誤產(chǎn)生。

成像性能測量系統(tǒng)也可以用來實施成像改善計劃。然而，一旦開始實施此系統(tǒng)，就會在結(jié)果解釋及糾正等方面出現(xiàn)問題。下面的建議和意見旨在在這一領(lǐng)域為大家提供幫助。

2.成像性能和圖像質(zhì)量不同

在文化遺產(chǎn)項目中，圖像采集的共同目標(biāo)是得到高質(zhì)量的圖像。作為一個目標(biāo)，有這項聲明可能就足夠了，但在評價一個已經(jīng)完成的成像性能以及改善成像性能的測量系統(tǒng)時，這項聲明一般是不會有幫助的。此外，整體的圖像質(zhì)量一般理解為視覺印象，它由清晰度、飽和度和個人喜好等組成。在本報告中，我們提到了用物理成像參數(shù)描述成像性能。雖然它的特別接受性水平通常由系統(tǒng)的圖像質(zhì)量要求決定，但物理成像參數(shù)把技術(shù)選擇和結(jié)果解釋聯(lián)系到一起。比如，圖像清晰度是一種視覺印象;鏡頭MTF是和圖像清晰度、光學(xué)設(shè)計、調(diào)整相關(guān)的物理成像參數(shù)。

3.圖像采樣和圖像分辨率不同

圖像采樣表示數(shù)碼相機(jī)或掃描儀在一個特定水平的像素之間的采樣間隔。通常用像素/毫米或像素/英寸來表示。分辨率意味著成像部件或系統(tǒng)精確區(qū)分空間細(xì)節(jié)的能力。對于(采樣的)數(shù)字圖像來說，采樣率(或者一部數(shù)碼相機(jī)的百萬像素分辨率)為捕捉圖像細(xì)節(jié)設(shè)置了分辨率的上限。圖像傳感器的尺寸和構(gòu)造通常決定圖像采樣，其他部分也會影響交互圖像的清晰度和分辨率。

為理解這一點(diǎn)，考慮一下對焦良好的帶鏡頭的數(shù)碼相機(jī)。取景后，若鏡頭的焦點(diǎn)位置發(fā)生變化，那么就不能很好地對焦。如果我們比較這兩種圖像文件，它們會有相同的圖像采集情況(和像素數(shù))，但在電腦顯示器或印刷品上觀察時，第二幅數(shù)字圖像會顯得不夠清晰，分辨率比較低。

評價數(shù)碼相機(jī)或掃描儀分辨率的一個完善的方法是由ISO12233標(biāo)準(zhǔn)制定的。最初制定這個評價方法是針對數(shù)碼相機(jī)的，現(xiàn)在它也應(yīng)用于膠片、掃描儀和CRT顯示器等。圖1顯示了上述方法應(yīng)用在數(shù)碼相機(jī)對焦實驗的結(jié)果。由此產(chǎn)生的空間頻率響應(yīng)(SFR)是空間頻率的函數(shù)。較低的虛線表示圖像細(xì)節(jié)信息(如由于光學(xué)對焦不準(zhǔn)產(chǎn)生的有限分辨率)的有效損失。

4.色彩和階調(diào)的單刺激視覺估計是不可靠的

在成像領(lǐng)域工作一段時間后，人們必定會發(fā)現(xiàn)這方面的例子：在具有相同物理刺激的自然取景條件下，我們在感知顯著的色彩和明度差異時很容易受騙。大多數(shù)這樣的錯覺都是由視覺系統(tǒng)復(fù)雜的時空適應(yīng)性響應(yīng)引起的。圖2顯示了一個采集樣品的實例。

盡管就感知的明度而言，這些影響是真實的。但當(dāng)解釋為輻射差異時，它們很容易被誤解。觀察環(huán)境、觀察者的變化和個人喜好都是主要的影響因素。至于系統(tǒng)評價，我們建議在同樣的觀察條件下使用雙重刺激視覺評價。

我們也應(yīng)謹(jǐn)慎評價圖像的微觀結(jié)構(gòu)。比如，可用特征對比來評價視覺分辨率：對比度越高，分辨率越高。另一個在傳統(tǒng)攝影中眾所周知的問題是尺寸、形狀和目標(biāo)特征可以評價圖像分辨率產(chǎn)生偏差的程度。當(dāng)經(jīng)典的條形色靶評價極限分辨率時，觀察者對于要檢測的線條數(shù)量會有基本的了解。這會使評價產(chǎn)生偏差，線條的長度不同，結(jié)果也會改變。較長的線條會使估計的分辨率較高。

盡管此處談?wù)摰氖菢O限分辨率，但我們也要考慮整體圖像的清晰度。圖3給出了火車站的兩幅圖片。左圖用數(shù)字銳化過濾器處理，右圖用未經(jīng)銳化的對焦很好的數(shù)碼相機(jī)拍攝。根據(jù)擴(kuò)大的鐘面，我們可知右圖的極限分辨率較高，這和我們期望的一致。然而，左圖給人的印象卻更為清晰。

通過SFR繪圖、用每幅數(shù)字圖像中的邊緣特征進(jìn)行計算可以很容易地理解這些。有人提議，將SFR值減少到10%作為極限分辨率的測量方法。箭頭表示和相應(yīng)的鐘面一致的相關(guān)值。然而，另一個測量手段——銳度，也用來預(yù)測圖像的清晰度。這個整合的頻率加權(quán)測試方法是視覺距離的函數(shù)。但當(dāng)觀察這兩幅圖像時，較低頻率處的較高響應(yīng)表明，左圖具有較高的清晰度。

5.空間圖像的視覺評價是可靠的

檢測掃描圖像不良性能的一個很好的方法是視覺認(rèn)識能力。它是由Brill，Kim和Branch提出的，用于評價數(shù)字圖像性能。

視覺認(rèn)識能力：用于解釋和構(gòu)成視覺信息的后天形成的能力。視覺上有認(rèn)識能力的人能夠解釋看到的物體，從而檢測非自然或不期望得到的效果，并找出導(dǎo)致性能變化的潛在根源。

正如在上一節(jié)中說明的，用單刺激視覺評價解釋色彩和階調(diào)是不可靠的。然而，對帶有信號和噪聲的空間圖像這么做是可靠的、有價值的。這是因為，和數(shù)字成像聯(lián)系在一起的空間和噪聲圖像通常發(fā)生在局部的區(qū)域。顯示時，很多嫌疑區(qū)域在同一個視覺區(qū)域之內(nèi)，很多變量(如方向性差異)可以很容易地被檢測出來。實際上，我們可以迅速評價出現(xiàn)在眼前的很多刺激，同時觀察提高了檢測空間可變性的機(jī)會。但僅此一點(diǎn)可能還不夠，正如定義所闡釋的，某些圖像等級鑒別和預(yù)期效果方面的知識是必須的。

JPEG方塊效應(yīng)是這方面的一個經(jīng)典例子。一個比較好的初始化取景器可以檢測這樣的方塊效應(yīng)。此處最重要的觀察是：圖像中不會自動產(chǎn)生8像素×8像素的方塊。對最近的JPEG2000方法的改進(jìn)是，用更多看起來自然的紋理代替固定的8像素×8像素或16像素×16像素的方塊。

視覺檢測的另一個例子是，數(shù)碼相機(jī)采用一個彩色濾波陣列(CFA)，檢測色彩重構(gòu)錯誤產(chǎn)生的令人討厭的方塊效應(yīng)。圖4舉的例子是這些重構(gòu)錯誤導(dǎo)致出現(xiàn)了一個不期望的彩色棋盤狀圖案。數(shù)字圖像通過在傳感器上對連續(xù)的光學(xué)圖像進(jìn)行采樣、在顯示器或打印機(jī)上進(jìn)行重構(gòu)(重構(gòu)只是其中的一種方式)傳遞圖像信息。左邊的圖像是鏡頭的光學(xué)質(zhì)量和傳感器的抽樣相匹配的結(jié)果。右邊的圖像表明重構(gòu)不理想(包括色彩差值在內(nèi))，這是對光學(xué)圖像抽樣不足(即分辨率低)，即走樣導(dǎo)致的。

大塊的均勻區(qū)適合協(xié)助人眼檢測可疑的成像行為。在均勻區(qū)，我們期望噪聲和紋理是均勻分布的。圖5展示的例子是噪聲紋理以一種周期性的、可預(yù)測的方式變化。人們應(yīng)該能夠看到由其他均勻區(qū)域的高低噪聲紋理定義的網(wǎng)格狀圖案。除常規(guī)工具之外，完成這些特性的自動檢測還需要分析軟件工具。

6.源文件，注意你需要什么

近來，人們很關(guān)注將獲得的數(shù)字圖像保存為源文件。專業(yè)攝影師可以使用源文件避免相機(jī)制造商在相機(jī)內(nèi)部所做的圖像處理，比如說信號量化等。其他人使用源文件是為了得到一個開放的源圖像文件格式，可以延長存檔的數(shù)字內(nèi)容的使用期限。然而，在接受這種數(shù)據(jù)采集方法之前，我們應(yīng)該考慮包含在這種文件中的數(shù)據(jù)的意義。通過追蹤彩色圖像數(shù)據(jù)從物體到數(shù)字圖像文件的情況，即圖6的輪廓，我們能夠做到這些。

第一步是用光學(xué)器件采集物體反射或透射的光，并用傳感器檢測。針對傳感器自身的缺陷和曝光不一致的現(xiàn)象，我們需要對測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。如果成像器件使用一個彩色濾波陣列，結(jié)果就是產(chǎn)生一個對應(yīng)于重復(fù)的空間模式(如R、G、B信號)的單值矩陣。這些元數(shù)據(jù)形成了“原始的”記錄圖像的第一種形式：校正后的原始CFA數(shù)據(jù)。

傳統(tǒng)處理路徑的下一步是產(chǎn)生一個完全填充的三色圖像陣列，此處就可以應(yīng)用旨在減少方塊效應(yīng)的算法了。去馬賽克操作是單記錄陣列向“原始的”經(jīng)過插值的R、G、B數(shù)據(jù)設(shè)置的一種插值操作。

再下一步通常是白平衡和矩陣的色彩校正操作，其結(jié)果是和色彩編碼有關(guān)的圖像數(shù)據(jù)集。這種源圖像數(shù)據(jù)用于存檔是最有用的。但是請注意，這還不是目前大多數(shù)圖像交付的形式。

圖像處理鏈條中的最后一步通常是用于顯示的渲染操作。其結(jié)果是涉及色彩編碼輸出的最終圖像數(shù)據(jù)陣列。這一步是一個簡單的色彩空間轉(zhuǎn)換，但它同樣可以包含色域映射和顏色偏好的選擇。

雖然上述步驟在彩色圖像采集系統(tǒng)中很常見，但具體的實施細(xì)節(jié)會有所不同。理解源圖像的信號(色彩)編碼和就某一個特定的文件格式達(dá)成一致是同樣重要的。

7.保持中性灰平衡

很多關(guān)于成像性能、彩色圖像質(zhì)量和圖像處理的技術(shù)出版物都提到了硬件和軟件元素的設(shè)計，而沒有注意系統(tǒng)控制和維護(hù)。因為此處重點(diǎn)推薦的是評價和維護(hù)成像性能的方法，所以我們建議使用一個簡單的測試方法來檢測成像性能發(fā)生變化的原因。

一旦安裝好圖像采集系統(tǒng)并確定了其目標(biāo)或可接受性能，那么對中性階調(diào)響應(yīng)曲線，即光電轉(zhuǎn)換函數(shù)(OECF)的常規(guī)測量便可以用來評價其性能偏差。它是通過在測試目標(biāo)中放置一系列灰梯尺來完成的，如圖7所示。

圖8顯示了對數(shù)碼相機(jī)的測量結(jié)果。其目標(biāo)響應(yīng)結(jié)果是，等量的R、G、B分量產(chǎn)生不同的中性灰。請注意，獲得的圖像文件中有一個R分量，中間階調(diào)較高的R色信號水平就表明了這一點(diǎn)。雖然這一實驗不能區(qū)分影響階調(diào)和顏色復(fù)制的所有因素，但它的確為成像性能檢測提供了一個簡單的指示器。

8.數(shù)碼相機(jī)不能制造顏色

對于數(shù)字圖像轉(zhuǎn)換方案來說，要求有一種方法來測量色彩或顏色復(fù)制的精確性。這看起來比較簡單——我們都知道用CIE ΔEab值衡量色差。然而，數(shù)字圖像及其像素值不是物理度量單位，也不是顏色三刺激值。就取景或圖像輸入的物理特性而言，只有在解釋這些值及其可變性時，我們才可以把顏色的精確性測量歸因于圖像采集過程。

若在顯示器上顯示一幅圖像，或評價圖像采集系統(tǒng)的精確性，那么第一步是解讀數(shù)字信號編碼。目前在色彩管理系統(tǒng)中，它可以使用ICC色彩特性文件(規(guī)定了數(shù)字圖像的意圖編碼)來完成。開放和封閉的色彩成像系統(tǒng)為色彩交流提供了有利條件。然而，目前那些放在網(wǎng)站上參與交流的數(shù)字圖像，大多數(shù)都沒有經(jīng)過色彩管理。用戶軟件認(rèn)為顏色編碼是圖像顯示的一部分，因此sRGB可能是傳遞的圖像內(nèi)容中最常見的解釋。

如果解讀顏色編碼是確定圖像采集的精確性的第一步，那么如何測量成像性能呢?取景過程中有的參考物體非常有用，不管它們屬于圖像層次還是設(shè)備層次。圖7是一幅帶有圖像層次測試目標(biāo)的實例圖像，其中包含評價成像性能的若干要素。

測試目標(biāo)的要素可用來評價成像性能變量。其中，彩色圖像捕捉是以圖9所示的色度解釋為基礎(chǔ)的。第一步是確定數(shù)字圖像的感興趣區(qū)域(ROIs)，它對應(yīng)具體的目標(biāo)要素。第二步，根據(jù)這些區(qū)域的像素值可估計對應(yīng)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。這樣就能計算出每個色塊的R、G、B平均值。然后，用指定或假設(shè)的圖像顏色編碼將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成第三步CIELAB坐標(biāo)的等價值。

之后，測試值可以和下一步中的CIELAB目標(biāo)坐標(biāo)值進(jìn)行比較。常用的色差公式有ΔEab或ΔE00(即CIE ΔE2000)等。

9.同時考慮圖像的內(nèi)部和外部變化

考察成像性能隨時間變化而變化的情況，以及連續(xù)圖像文件之間的成像性能是很必要的。這不僅與日常的生產(chǎn)質(zhì)量管理實踐一致，而且在通過采集到的信號繪制圖片時，這些區(qū)別很明顯。根據(jù)定期的圖像評價得到的結(jié)果，可以作為重要測量方法的控制圖。

此外，我們經(jīng)常透過數(shù)字圖像觀察不可忽視的圖像變量。可以翻拍的相機(jī)通常會出現(xiàn)變量，從圖像中央到邊緣的信號均勻度、清晰度和空間(桶形或針墊)失真。使用數(shù)碼相機(jī)時可以通過圖像處理補(bǔ)償光學(xué)失真。但這種校正會使得數(shù)字圖像校正方案取景的(重新)采樣不均勻?；蛘?，我們可以把相機(jī)鏡頭想像成傳感器上有一個可變光學(xué)放大器件(從物體到圖像)。其解決方案是，以一種補(bǔ)償不均勻的采樣方式來重新采集圖像陣列。但重新采樣需要插值計算，因此會造成部分空間圖像細(xì)節(jié)的損失。

為模擬這一效果，將掃描過的圖像邊緣放在位于圖像中央和角落的較大的數(shù)字圖像陣列中，如圖10所示。軟件中引入了桶形失真，其中在角落處有5%的有效光學(xué)失真。然后，使用同一軟件校正失真圖像，將第一次操作反轉(zhuǎn)。因為原始邊緣和校正邊緣都是連續(xù)的，所以二者最根本的不同是由雙線性插值的圖像重新采樣引起的。圖像細(xì)節(jié)的損失在圖像角落處較大，如圖11的一個較低的SFR值所示。因此，SFR結(jié)果預(yù)測，校正后的圖像在角落處比中央處的清晰度低。

因為相機(jī)的硬件組成會引起變化，所以評價整個圖像的成像性能是很重要的。圖像處理可以解決一些問題，但要留意如模糊、圖像噪聲或外形修整等連鎖效應(yīng)。

10.標(biāo)準(zhǔn)是評價成像性能要依靠的資本

直到1995年前后，在音像行業(yè)約定俗成的標(biāo)準(zhǔn)中，成像標(biāo)準(zhǔn)在很大程度上取決于少數(shù)控制圖像捕捉和印刷的公司。不同制造商的影片都有互通性，成像過程、印刷過程、成像性能一般比較穩(wěn)定，并且容易理解。各方的成像和交流語言是一致的。通過應(yīng)用這些標(biāo)準(zhǔn)，人們可以保持物體和圖像之間的聯(lián)系。例如，基于為捕捉圖像而采用的曝光、分辨率和影片處理的標(biāo)準(zhǔn)性能方法，人們可以放心評價文件的光學(xué)起源。這個標(biāo)準(zhǔn)和可行的技術(shù)數(shù)據(jù)為維持圖像的成像性能提供了一個共同語言。

20世紀(jì)90年代中期，隨著數(shù)字成像技術(shù)的發(fā)展和完善，出現(xiàn)了一些針對圖像性能的數(shù)字成像標(biāo)準(zhǔn)。這使得人們開始用各種各樣的標(biāo)準(zhǔn)評價成像分辨率、顏色和圖像噪聲，而不是根據(jù)已經(jīng)核實的標(biāo)準(zhǔn)。例如，按照每英寸的像素數(shù)進(jìn)行采樣并不能區(qū)分真正的光學(xué)分辨率。階調(diào)和顏色復(fù)制方法完全基于編碼值，而不是這些值和源文件本身的物理特性的關(guān)系。實際上，若伽瑪值用于此目的，那么其行為往往不遵循公認(rèn)的準(zhǔn)則。其動態(tài)范圍是典型的按照信號編碼，而不是基于適當(dāng)?shù)男盘柡驮肼暤亩攘糠ㄟM(jìn)行定義。

在過去的10年里，專門從事成像的技術(shù)人員為電子成像性能和質(zhì)量開發(fā)了很多國際標(biāo)準(zhǔn)。正如McDowell在他的概述文章里所提到的，在使不同成像團(tuán)體利益一致的合作協(xié)議的發(fā)展過程中，這些標(biāo)準(zhǔn)更大的優(yōu)勢是作為有價值的資源。這對于文化的傳承尤其重要，沒有一個單獨(dú)的機(jī)構(gòu)在促進(jìn)或號令形成更大的社團(tuán)方面比其更有影響力了。

這些標(biāo)準(zhǔn)的好處體現(xiàn)在改進(jìn)過程控制、正確選擇技術(shù)和降低成本等方面。常規(guī)性能評價使用國際標(biāo)準(zhǔn)允許的工具，為日常工作流監(jiān)測提供了方法。若需求超過目前制定的標(biāo)準(zhǔn)，那么它們可以作為圖書館和博物館修改方法的起點(diǎn)，如目前的一些其他應(yīng)用。

如果計算的目的只是作為了解，那么它可為評價數(shù)字成像性能所采用的技術(shù)服務(wù)。為此，上述建議和意見旨在為那些尋求維持或改進(jìn)數(shù)字圖像采集的人提供技術(shù)指導(dǎo)。