Schärfemessung zur Bewertung von IS-Verfahren

Die Schärfe von Chilis misst man nach einem raffinierten Verfahren nach Herrn Scoville in sog. Scoville-Einheiten. Aber wie misst man eigentlich die Schärfe eines Bildes?

Die Schärfe von Chilis misst man nach einem raffinierten Verfahren nach Herrn Scoville in sog. Scoville-Einheiten. Aber wie misst man eigentlich die Schärfe eines Bildes? Es ist nicht ganz einfach, aber auch nicht wirklich schwierig ? die grundsätzliche Vorgehensweise kann man sich von Kontrast-Autofokus-Systemen abschauen und dann in Photoshop nachvollziehen. Wohlgemerkt: Die Vorgehensweise, die im Folgenden beschrieben wird, ist nur für eine vergleichende Messung geeignet, um bspw. in einer Bildserie mit dem stets gleichen Bildausschnitt, aufgenommen mit unveränderten Kameraeinstellungen, das schärfste und das weichste Bild herauszufinden. Es ist also keine absolute Aussage möglich wie ?Bild A besitzt eine Schärfe von 65,34 auf einer absoluten Skala von 0-100?, sondern nur eine relative Aussage wie ?Bild A ist schärfer als Bild B?. Der Grund hierfür ist, dass das Verfahren abhängig vom Bildinhalt und von den Kameraeinstellungen ist (bspw. beeinflusst die ISO-Einstellung das Rauschen und dieses wiederum das Spektrum des Bildes). Für viele Anwendungen reicht die Vorgehensweise aber aus. So bestimmt auch ein Autofokusmechanismus nur das schärfste Bild relativ zu den anderen Bildern einer Bildserie, eben jener Bildserie, die beim Durchfahren des Bereiches mit dem Fokusmotor aufgenommen wird. Eine weitere mögliche Anwendung und auch die Motivation für diesen Bericht ist die Beurteilung von Image-Stabilization-Systemen (Canon-IS, Tamron-VR). Siehe hierzu auch den anschließenden kurzen Vergleichstest.
Das Ausmaß der Schärfe ist gleichbedeutend mit dem Anteil hoher Frequenzen im Bild. Diesen kann man mit einem Ableitungsfilter wie unten beschrieben herausrechnen und im Anschluss durch eine einfache Addition über alle Grauwerte bewerten.
In Photoshop gestaltet sich der Ablauf wie folgt:
1. Bild laden
2. Umwandlung in Graustufen via: Bild / Modus / Graustufen.
3. Filtern des Bildes mit einem Ableitungsfilter: Filter / Sonstige Filter / eigener Filter. Hier wird nun exemplarisch die Filtermatrix eines 3×3-Laplace-xy-Filters verwendet ? andere Ableitungsfilter kämen genauso infrage (Sobel usw.). In das Eingabefeld ist für das 3×3-Laplace-Filter zentrisch einzutragen:
0  1  0
1 -4  1
0  1  0
4. Das sich ergebende Maß für die Schärfe als Mittelwert der Grauwerte nach der Filterung ist in Photoshop erhältlich unter Bild / Histogramm oder, bei neueren Versionen, unter Fenster / Histogramm / [x] erweiterte Ansicht. Der angegebene Mittelwert ist hierbei errechnet zu: S = (Summe aller Grauwerte)/(Bildbreite*Bildhöhe)).
Dies ist ein relatives Maß für die Bildschärfe im Bereich [0,255]. Es gilt: Je größer, desto schärfer! Optional kann der Wert nun noch auf einen Bereich [0,1] normiert werden mittels S? = S / 255. Dies ist hier aber nicht notwendig.
Nun ist natürlich die Spannung groß, ob das Verfahren funktioniert. Für einen ersten Test kann man ein beliebiges Foto laden und damit verfahren wie oben beschrieben. Danach kann man den Wert notieren, das Bild einmal behutsam schärfen, einmal etwas glätten und die erhaltenen Werte vergleichen. Unsere Ergebnisse bei einem solchen Testlauf:
1. Originalbild. Ergebnis, Mittelwert S = 3,4.
2. Bild dezent geschärft per unscharf maskieren (90; 1,7; 7).
    Ergebnis S = 3,7.
3. Bild leicht gaußgeglättet (Wert: 1,5). Ergebnis S = 0,65
Hierbei waren die Operationen so dezent eingestellt, dass die Wirkung auf das Bild nur in der Vergrößerung sichtbar war. Nun zur geplanten Anwendung: Die Evaluierung einer Image-Stabilization-Lösung!
Die Hersteller aktiver optischer IS-Systeme (Canon: IS für Image Stabilization, Tamron: VR für Vibration Reduction ?) geben eine mögliche Verbesserung von drei bis vier Blenden bzw. Belichtungsstufen an (Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Bildstabilisierung). Genauer heißt dies: Man kann nun noch mit einer Belichtungszeit arbeiten, die dem Acht- bis Sechzehnfachen (!) der ursprünglich möglichen entspricht.
Ist das überhaupt möglich? Und wie könnte man es nachmessen? Das ist nicht einfach, wenn die Messbedingungen auch nur einigermaßen realitätsnah sein sollen. Nach längerem Überlegen wurde folgender Ablauf festgelegt: Alle Aufnahmen werden freihand in der stets gleichen Position mit stets dem möglichst exakt gleichen Bildinhalt aufgenommen. Als Beleuchtung wird konstantes Kunstlicht verwendet. Die Kameraeinstellungen bleiben exakt gleich, bis auf die Einstellung der Blende (s. unten). Die Szene ist hierbei so (flächig) gewählt, dass eine Veränderung der Blendenzahl kaum Auswirkungen auf die Schärfentiefe bzw. die Bildschärfe hat.
Da nun bei diesen Freihandaufnahmen mit etwas Glück die Aufnahme scharf wird und mit etwas Pech unscharf, sollte aus der Testreihe zur Vermeidung von Ausreißern nicht der Mittelwert, sondern der Median ermittelt werden. Dieser liefert das Vergleichsmaß.
In mehreren Testreihen mit eingeschalteter IS wird die Blende so lange variiert, bis das ermittelte Schärfemaß jenem ohne IS entspricht (Vorsicht: die Blendenstufen werden bei modernen SLRs in Drittelstufen eingestellt).
Vorversuche zeigen rasch, dass es funktioniert, dass also unscharfe Bilder von scharfen zu unterscheiden sind. Der Unterschied im Maß S ist aber nicht so groß, wie bei dem ersten Versuch, da hier auch das Rauschen mit hineingespielt hat und durch den Gaußfilter reduziert wurde. Bei den Kameraaufnahmen der Testreihe ist aber das Rauschen auf allen Bildern gleich. Typisches Ergebnis: scharf: S = 2,7, unscharf: S = 2,3. Der Unterschied ist nicht sehr groß aber auch über Reihen von mehreren Bildern gut reproduzierbar.
Testreihe: Canon EOS 500D, Std.-Kit-Zoom 15-55 IS, f=18 mm, ISO 100, Kunstlicht. Szene: Werkzeugkoffer. Die Kamera ist aus der Hand gehalten, jeweils fünf Aufnahmen. Die S-Werte sind aufsteigend sortiert, um den Median leicht erkennbar zu machen (vgl. http://de.wikipedia.org/wiki/Median).
1. Ohne IS: Av = f/3.5:   2,25; 2,29; 2,30; 2,30; 2,38
2. Mit IS: Av = f/3.5:   2,29; 2,35; 2,50; 2,65; 2,70
3. Mit IS: Av = f/5.0:   2,16; 2,33; 2,33; 2,45; 2,45
4. Mit IS: Av = f/7.1:    2,13; 2,29; 2,41; 2,45; 2,50
5. Mit IS: Av = f/10:    2,19; 2,30; 2,32; 2,36; 2,47
6. Mit IS: Av = f/14:    2,12; 2,14; 2,16; 2,19; 2,29
    (tv bereits mehrere Sekunden)
Tatsächlich sind entsprechend dieser Testreihe mit IS drei Blendenstufen bzw. Zeitstufen zu erreichen (Schärfewert ohne IS: 2,30 versus mit IS: 2,32) – dies entspricht der achtfachen Belichtungszeit!
Eine Anmerkung zu Ausreißer Testreihe Nr.  3: Hier könnte (sollte?) der Median auch auf 2,45 liegen.
Im Anschluss sind noch einige Quellen angegeben. Die erste Quelle ist hierbei besonders interessant, da die Autoren detailliert auf die Theorie zu Autofokus-Systemen eingehen. Quelle zwei liefert die Grundlagen zu Ableitungsfiltern und Quelle drei einige weitere Infos zum Autofokus.
Quellen
1. S. Utcke und H. Burkhardt: Versuchsanleitung zum Autofokus-Praktikumsversuch, Universität Freiburg, Institut für Informatik Lehrstuhl für Mustererkennung und Bildverarbeitung, Prof. h. Burkhardt. Online-PDF-Quelle:http://tams-www.informatik.uni-hamburg.de/lehre/2003ss/projekt/echtzeitBV/doc/autofokus.pdf
2. Pedram Azad, Tilo Gockel, Rüdiger Dillmann: Computer Vision. Elektor-Verlag, Aachen, 2007. Vgl. auch http://www.praxisbuch.net
3. C. Keith, M. Müller, B. Eckert, H.-J. Jodl: Low Cost ? High Tech: Der Autofokus als Freihandversuch. Fachbereich Physik, Technische Universität Kaiserslautern, Online-PDF-Quelle mit Grundlagen zu Autofokus-Systemen:http://didaktik.physik.uni-kl.de/projekte/LC-HT/images/stories/dokumente/Autofokus.pdf
Quelle: Tilo Gockel,  www.fotopraxis.net