扩展DXOMARK 手机摄像头测试基准:“夜间摄影”得分

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夜间拍摄城市景观或用闪光灯拍摄人像时,可以拍出精彩的照片,但摄影师也面临着一些独特的挑战。传统上,在低光下拍摄需要使用具有大传感器的相机,还需要延长快门时间,并使用三脚架或高ISO设置;理想情况下还需要手动微调相机设置方能获得最佳效果。

许久以来,智能手机摄像头远非“夜间摄影”的理想工具,因为手机摄像头的小型图像传感器的聚光能力有限,导致夜间拍摄的照片通常会出现许多噪点和/或相当模糊。然而,在最近几代手机中,智能手机摄像头的低光摄影能力已经显著提升。由于传感器设计的进展,速度更快的镜头和计算成像方法相结合,当前高端手机在低光下可以拍出不错的效果。

为了在我们的测试方法中反映这些技术进展,我们决定添加一项“夜间摄影”得分,从而扩展DXOMARK智能手机测试基准的触角。我们原本已经在低光条件和闪光灯下测试摄像头,但是,之前我们大多数的低光测试都是在实验室里完成的。现在,我们将在各种现实生活中的低光场景中进行测试,添加诸如夜间城市景观、低光人像、低光街道摄影、闪光灯和极低光拍摄等各种用例。如果手机有夜景模式的话,我们还会测试其夜景模式的性能。请继续阅读本文以了解更多信息。

“夜间摄影”的测试条件

新的“夜间摄影”得分我们将会通过测试闪光灯激活,闪光灯未激活和夜景模式(如果有)来得到

在测试智能手机摄像头的低光摄影能力时,我们总共使用十多个测试场景。在所有场景内,我们均会采用闪光灯开启、关闭和自动设置等模式进行拍摄。如果手机有夜景模式的话,我们也会使用专用的夜景模式测试风景场景。此外,一如往常,我们也会在当前的实验室设置中测试闪光灯的性能。您可以在下面看到我们用“夜间摄影”测试基准测试的典型用例。请注意,这些图像都是用例说明,而非我们的实际测试场景。

夜间城市景观
低光户外人像
背景照明户外闪光灯拍摄
极低光拍摄
极低光城市景观
无背景照明户外闪光灯拍摄

夜间图像质量评鉴

在低光图像方面,我们会分析所有与我们的一般评鉴相同的图像质量属性:曝光、色彩、纹理、噪点、伪像和自动对焦性能。但是,在低光环境下,有些属性需要略微不同的评鉴方式。

低光摄影中有关图像质量的挑战

曝光

在极低光下,我们期待应用不同的曝光策略,以传达昏暗房间或户外场景的氛围。测标曝光应该更暗,以创造更接近真实观看体验的图像。例如,夜间天空应该渲染得非常暗,摄像头的自动曝光系统不应将其渲染得太明亮。

在许多夜景中(例如夜间都市景观),动态范围甚至比白天场景更重要,因为场景里被照亮的部分与阴暗区域之间的对比度非常高,很容易产生高光和/或阴影剪切纹理。具有非常宽广的动态范围的摄像头能够在含有被照亮的元素的夜景里拍出更自然的效果。

下面这个例子中的谷歌Pixel 3非常好地处理了这个典型的城市夜景:天空的渲染近乎黑色,建筑物上的曝光度非常不错,被照亮的区域只出现很少的溢光剪切纹理。

摄像头的曝光策略应针对夜间图像调整
黑夜里,在有亮光的地方有一些高光的剪切

在非常黑暗的条件下,智能手机摄像头往往会选择非常慢的快门速度。部分归于高效的防抖系统,这种策略适用于拍摄静态场景,例如城市或风景照片。但是,在场景中移动的被摄体几乎不可避免地会导致运动模糊的出现。在我们的评鉴中,我们还会观察摄像头如何处理场景中的运动,观察它是否可以检测到运动的存在并随之增加快门速度,以避免产生运动模糊的问题。

在极低光情况下,智能手机摄像头拍出的图像通常会曝光不足,这种情况有时甚至相当严重,因为它必须在曝光度与噪点和其他伪像之间保持平衡。黑暗的图像可以加亮,但需要付出代价:提高曝光度将会揭露图像中的亮度噪点和色度噪点,同时使其他伪像变得更加明显,如下面两个样张所示:左侧为摄像头直接输出的图像,图像非常暗,明显曝光不足;在右侧,已在后期处理中改变了相同图像的色调曲线以提高其曝光度。

原始曝光,严重曝光不足
裁剪图
曝光度在后期处理后变亮了,但却出现了许多图像噪点
裁剪图

不同的制造商对于理想平衡点的确切位置有不同的看法,而在我们的测试中,我们认为即使在曝光不足的图像中,至少应该看得到面孔——因此噪点多,但可识别脸部的图像的得分会比太暗而无法看到任何东西的图像高,但噪点和伪像仍应保持在可接受的范围内,以免被扣分。

噪点与细节

一旦考虑了曝光,就必须在噪点和细节之间找到一个良好的平衡点。图像中的噪点多寡,取决于许多因素,包括图像传感器和图像信号处理器(ISP)的像素大小,而图像流水线的调整也非常重要。

摄像头需要为每个场景找到理想的ISO和曝光时间组合,在图像噪点和运动模糊之间找到一个可接受的折衷方案。拍照后,可以应用降噪手法以降低图像噪点,但这也会对纹理和细节产生不利影响。正如您在这四个样张中看到的那样,在不同的制造商之间,噪点和纹理表现以及调整策略差异很大。

样张1 - 噪点多,细节少
样张 1,裁剪图
样张2 - 可接受的噪点水平,但细节不多
样张 2,裁剪图
样张3 - 细节还算到位,但噪点很多
样张 3,裁剪图
样张4 - 细节到位,噪点也不多
样张 4,裁剪图

总的来说,就当前的智能手机摄像头技术而言,低光图像中的细节仍然比高光下拍摄的照片少了许多,特别是低对比度的细节和精细的纹理更是如此,例如远处的植被通常会被降噪完全模糊掉,但也情有可原。

色彩

在日光场景中,完全中性的色彩被认为是一种不错的表现;但是在夜景中,完全中性的色彩平衡通常看起来不太自然。在频谱的另一端,许多手机会产生太黄的夜间图像,这也是不可接受的问题。在大多数光线条件下,略微偏暖的色调很适合于低光场景。此外,在低光下保持良好的色彩饱和度也很重要。

在以下例子中,使用三个不同的智能手机摄像头拍摄下面同一场景时,我们可以看到色彩响应非常不同。在这个复杂的场景中,钠灯照亮了前景中的模特;在背景中我们可以看到白色氙灯和一些红色和蓝色荧光灯发出的光芒。

谷歌Pixel 3使用专用的夜间模式拍出了最令人满意的结果。在妥协演色性的情况下,肤色略带黄色,街道呈现蓝色/粉红色;其他手机赋予街道更中性的色彩,使得肤色变得非常黄,但在这种情况下,优先考虑肤色而非街道可以说更有意义。

谷歌Pixel 3,户外低光演色性
华为P30 Pro,户外低光演色性
苹果iPhone XS Max,户外低光演色性

闪光灯

一如往常,我们大部分的测试都是在手机摄像头的默认设置下进行的,但只有闪光灯测试例外,因为在此测试中,闪光灯是手动强制“打开”的。之前的“闪光灯”测试现已被纳入“夜间摄影”的评分中;此外我们还会在“自动闪光灯”设置下测试摄像头性能。

在自动模式下测试闪光灯时,我们不会评鉴闪光灯的实际激活情况,重要的是最终结果。当闪光灯发光时,前景被摄体应该会获得很好的曝光并显示出良好的细节,但背景可能会严重曝光不足;如果闪光灯未发光,则拍摄对象可能会略微曝光不足或显示较少的细节,但背景应该会呈现更多的细节;这都端看制造商如何找到其中的最佳平衡,并找出哪种选项最适合哪种类型的场景。最佳效果应该在前景和背景上都显示出良好的曝光度、色彩和细节。

在下面的场景中,您可以看到谷歌Pixel 3能够在闪光灯开启和关闭时生成良好的图像。我们在夜景模式下使用闪光灯关闭设置所拍摄的图像中,拍摄对象的呈现比闪光开启时所拍摄的图像稍暗,并且更加强调背景,然而,这两个图像都有各自的优点。

谷歌Pixel 3,闪光灯未激活
谷歌Pixel 3,闪光灯激活

评分

创建我们的“夜间摄影”评分时,我们的图像质量专家会在所有测试图像上评鉴各种图像属性(色彩、纹理、噪点等……),然后每种拍摄模式(闪光灯开启/关闭/自动和夜景模式)下的结果都会合并为不同测试项目的分数。

“夜间摄影”得分是 DXOMARK Photo 的一个子分数,就像“曝光”“纹理”和“散景”一样

由于有些手机尚未提供夜景模式的功能,因此我们决定将其视为一种加分选项:如果夜景模式的实际拍摄结果比在标准模式下拍摄的图像更好,则可以提高整体“夜间摄影”的分数,但如果夜景模式的表现不好,并不会拉低“夜间摄影”的分数(当然我们肯定会在评测文章里提及夜景模式的表现)。

最后,我们使用一种加权系统计算手机的整体“夜间摄影”分数,使其成为 DXOMARK Camera评分中的一个测试项目的子分数,就像“变焦”或“散景”分数一样。