傳輸型CCD 相機(jī)成像分辨率自動測試研究

0 引言

目前傳輸型CCD相機(jī)已取代傳統(tǒng)膠片相機(jī)成為主流攝影設(shè)備，然而各生產(chǎn)廠家對相機(jī)成像分辨率這一核心指標(biāo)的測量還基本采用基于人工判讀的測試方法。

人工判讀測試分辨率，對膠片相機(jī)而言簡單、方便，但由于不同人眼的視覺靈敏度不同以及檢測條件的差異，因此難免引入不同程度的主觀誤差，時常難以達(dá)成統(tǒng)一的測量結(jié)果，從而影響了測試精度。

對于CCD 相機(jī)，可利用其對特定目標(biāo)生成的數(shù)字影像，通過實施高效的數(shù)據(jù)分析處理技術(shù)，自動實現(xiàn)對相機(jī)分辨率量化測試，從而客觀判定相機(jī)成像質(zhì)量。

1 理論分析

影響CCD相機(jī)成像分辨率的因素主要包括：光學(xué)系統(tǒng)、CCD器件及相應(yīng)電路處理系統(tǒng)等。其中光學(xué)系統(tǒng)可利用干涉檢測法或傳遞函數(shù)等對其像質(zhì)進(jìn)行測試，從而客觀地獲取相應(yīng)的分辨率量化結(jié)果;CCD器件本身的理論極限分辨率可以根據(jù)其像元尺寸直接計算求得;對于電路處理系統(tǒng)，在理想情況下其對圖像分辨率測試方面的影響可忽略不計，在此暫不予以考慮。綜合上述因素，CCD 相機(jī)整機(jī)理想情況下的分辨率N 可由下式計算求得：

式中：N光為光學(xué)系統(tǒng)分辨率;NCCD 為CCD器件的分辨率。

雖然上述計算可以估算出CCD相機(jī)整機(jī)的理論分辨率，但由于存在整機(jī)裝配誤差、系統(tǒng)控制誤差以及依靠人工判讀測試帶來的主觀不確定性，經(jīng)常難以準(zhǔn)確反映相機(jī)最終成像水平，因此需要在CCD 相機(jī)整機(jī)檢測時對分辨率指標(biāo)實施精確量化測試，從而客觀綜合反映CCD相機(jī)整機(jī)成像質(zhì)量。

為此，本文提出基于光柵目標(biāo)影像對比度分析的分辨率自動測試方法。該方法是將CCD相機(jī)整體作為光能量信息傳遞系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)傳遞函數(shù)測試原理，按照正弦級數(shù)展開的定義，將矩形分布函數(shù)展開成不同頻率正弦分布的疊加，則對比度傳遞函數(shù)可表示為：

由于光電探測器將光通量轉(zhuǎn)換為電信號，利用電子學(xué)方法可將所有高次諧波成分全部濾掉，這樣所得到的傳遞函數(shù)關(guān)系式變?yōu)椋?/p>

M 和M0 分別為輸出對比度(又稱調(diào)制度)和輸入對比度。設(shè)目標(biāo)影像最大光強(qiáng)為Imax,最小光強(qiáng)為Imin,則對比度定義為：

在CCD 相機(jī)實際成像過程中，除目標(biāo)影像外還會有背景亮度產(chǎn)生的光強(qiáng)Ib,此時對比度定義修正為：

在實驗室條件下，所采用的靶標(biāo)為高對比度，可定義相應(yīng)的M0 =1.這樣對CCD 相機(jī)整機(jī)分辨率的測量原理轉(zhuǎn)化為，對分辨率靶標(biāo)光柵圖案影像進(jìn)行對比度分析計算，通過與確認(rèn)的最小可分辨基準(zhǔn)閾值進(jìn)行比較，從而自動確定相機(jī)達(dá)到的分辨級別，經(jīng)系統(tǒng)換算快速得出分辨率量化結(jié)果。

2 測試系統(tǒng)組成及測試過程

CCD相機(jī)分辨率測試系統(tǒng)組成如圖1所示，主要包括標(biāo)準(zhǔn)光源、光柵靶標(biāo)、平行光管、圖像采集卡、圖像存儲器、工控機(jī)以及數(shù)據(jù)分析處理軟件。

系統(tǒng)測試前要確認(rèn)各設(shè)備的初始位置，靶標(biāo)要準(zhǔn)確標(biāo)定在平行光管的焦面處，平行光管的出口對應(yīng)到相機(jī)入口處，平行光管的光軸與相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)的光軸要共軸，同時要保證CCD 像元與靶標(biāo)條紋的中心線對準(zhǔn)。

測試時，開啟積分球，使其均勻照亮矩形光柵靶標(biāo)，啟動相機(jī)拍照，靶標(biāo)經(jīng)平行光管與相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)成像在焦面CCD上，使光信號轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)圖像采集卡實時采集生成的圖像數(shù)據(jù)流，在工控機(jī)的控制下按相應(yīng)格式存入圖像存儲器。圖像數(shù)據(jù)綜合分析處理軟件，可以直接顯示數(shù)據(jù)格式圖像，還可以對整個影像或選取局部區(qū)域進(jìn)行放大、縮小顯示，更主要的是可實現(xiàn)對隨意選取的圖像目標(biāo)影像區(qū)域進(jìn)行分辨率判別計算。[!--empirenews.page--]

對分辨率的自動測試，首先要確定可分辨的對比度基準(zhǔn)。目前常用的分辨率判據(jù)主要包括瑞利判據(jù)和道斯判據(jù)，根據(jù)瑞利判據(jù)兩衍射斑之間光強(qiáng)的對比度小于15%時，人眼對這兩點便不可分辨;而按照道斯判據(jù)，兩衍射斑之間光強(qiáng)的對比度在1.55%時，為人眼的分辨極限。本文為合理確定測試判據(jù)，搜集了大量不同型號相機(jī)在不同條件下進(jìn)行的照相試驗圖像，其中包括數(shù)十張經(jīng)判讀專家審查達(dá)到某一分辨率水平的圖像數(shù)據(jù)。通過對所獲取的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行對比度計算分析，表明按照瑞利判據(jù)判定相機(jī)極限分辨率的條件過于寬松，而依據(jù)道斯判據(jù)又過于嚴(yán)格，經(jīng)過平均考慮對比度測試結(jié)果，最后以5%作為實際可行的極限分辨的基準(zhǔn)對比度。

分辨率測試的主要環(huán)節(jié)是求得靶標(biāo)影像對比度。

為獲得良好的靶標(biāo)成像效果以及便于理論分析計算，對本系統(tǒng)測試用靶標(biāo)突破了傳統(tǒng)靶標(biāo)的制作模式，根據(jù)需要確定其明暗條紋按單一方向逐級漸變的形式制作，每一級整體寬度及內(nèi)部條紋寬度固定，而隨著級數(shù)增加條紋寬度逐級變窄。測試時，CCD相機(jī)對靶標(biāo)成像后，以每一級明暗條紋影像中一定范圍的像素點作為一個圖像樣本，每個樣本計算時選取的像素點數(shù)定為200×100,則通過樣本對比度分析判斷，進(jìn)而轉(zhuǎn)換計算得出CCD相機(jī)分辨率的過程如下：

(1)通過數(shù)值判斷，求得樣本區(qū)域內(nèi)最大灰度值Imax和最小灰度值Imin ,進(jìn)而求得二者的均值I均作為明暗條紋的分界值;

(2)以I均為界值，逐行判斷為亮條紋或暗條紋，進(jìn)而分別求出明暗條紋區(qū)域內(nèi)灰度均值 Imax 和 Imin ;(3)利用靶標(biāo)影像區(qū)域外的像素點平均灰度值計算取得背景強(qiáng)度Ib ;

(4)將 Imax 、Imin 及Ib 代入公式(6)，計算求得此樣本的整體對比度;

(5)通過將樣本對比度與基準(zhǔn)對比度比較，判斷此樣本是否可分辨;

(6)經(jīng)過逐級判斷，直至確認(rèn)圖像樣本達(dá)到的極限分辨水平，最后經(jīng)系統(tǒng)折算求出相機(jī)所達(dá)到的整機(jī)分辨率。

在人工判讀成像分辨率時要求靶面上每個單元中不同方向的條紋均能分辨，才能確認(rèn)分辨這個單元，因此在自動測試時需要按現(xiàn)行通用標(biāo)準(zhǔn)將靶標(biāo)調(diào)整兩個方向分別成像，取其中計算所得的最低分辨率值作為最終的測試結(jié)果。

3 測試結(jié)果分析

針對某型CCD 相機(jī)，按人工判讀測試和自動測試兩種方法，分別利用標(biāo)準(zhǔn)靶標(biāo)和漸變光柵靶標(biāo)取得了相應(yīng)的分辨率測試數(shù)據(jù)，兩種測試方法取得的分辨率結(jié)果見表1,表2.

通過對表1,表2比較分析可知，兩種測試方法的結(jié)果相差不大，誤差不超過一組分辨單元，屬于可接受的誤差范圍。

4 結(jié)論

本文提出的CCD 相機(jī)分辨率自動測試方法，實現(xiàn)了對相機(jī)整機(jī)核心技術(shù)指標(biāo)的客觀評價，避免了人為因素的影響。而且，該方法可適應(yīng)于各種CCD相機(jī)，對應(yīng)不同類型的相機(jī)只要將圖像數(shù)據(jù)采集接口和通信協(xié)議進(jìn)行相應(yīng)改造，即可方便快捷完成測試，給出分辨率結(jié)果，這對于做好批量生產(chǎn)CCD 相機(jī)的質(zhì)量測試具有很高的實用性。