傳輸型CCD相機(jī)成像分辨率自動(dòng)測(cè)試研究

摘 要： 對(duì)CCD相機(jī)成像分辨率自動(dòng)測(cè)試方法進(jìn)行了研究，測(cè)試方案中改進(jìn)設(shè)計(jì)了照相分辨率靶標(biāo)，開(kāi)展了數(shù)據(jù)分析處理，通過(guò)軟硬件結(jié)合實(shí)現(xiàn)了對(duì)CCD相機(jī)整機(jī)分辨率的自動(dòng)測(cè)試，結(jié)果數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)專業(yè)測(cè)試比對(duì)確認(rèn)有效。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，方法客觀、準(zhǔn)確，能夠避免以往人工測(cè)試分辨率帶來(lái)的主觀因素影響，具有很高的實(shí)用性。

關(guān)鍵字： CCD相機(jī)； 分辨率； 靶標(biāo)； 圖像采集卡

中圖分類(lèi)號(hào)： TN911.7?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2013）19?0154?03

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(duì)相機(jī)成像分辨率這一核心指標(biāo)的測(cè)量還基本采用基于人工判讀的測(cè)試方法。人工判讀測(cè)試分辨率，對(duì)膠片相機(jī)而言簡(jiǎn)單、方便，但由于不同人眼的視覺(jué)靈敏度不同以及檢測(cè)條件的差異，因此難免引入不同程度的主觀誤差，時(shí)常難以達(dá)成統(tǒng)一的測(cè)量結(jié)果，從而影響了測(cè)試精度。

對(duì)于CCD相機(jī)，可利用其對(duì)特定目標(biāo)生成的數(shù)字影像，通過(guò)實(shí)施高效的數(shù)據(jù)分析處理技術(shù)，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)相機(jī)分辨率量化測(cè)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[1]。其中光學(xué)系統(tǒng)可利用干涉檢測(cè)法或傳遞函數(shù)等對(duì)其像質(zhì)進(jìn)行測(cè)試[2]，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(jì)算求得；對(duì)于電路處理系統(tǒng)，在理想情況下其對(duì)圖像分辨率測(cè)試方面的影響可忽略不計(jì)，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(jì)算求得[3]：

[1N≈1N光+1NCCD] （1）

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(jì)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(cè)試帶來(lái)的主觀不確定性[4]，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(cè)時(shí)對(duì)分辨率指標(biāo)實(shí)施精確量化測(cè)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(duì)比度分析的分辨率自動(dòng)測(cè)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(cè)試原理，按照正弦級(jí)數(shù)展開(kāi)的定義，將矩形分布函數(shù)展開(kāi)成不同頻率正弦分布的疊加，則對(duì)比度傳遞函數(shù)可表示為[5?6]：

[CTFf=4πMTFf-13MTF3f+15MTF5f-17MTF7f+…] （2）

由于光電探測(cè)器將光通量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，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>

[CTFf=4πMTFf] （3）

[CTF=MM0] （4）

[M]和[M0]分別為輸出對(duì)比度（又稱調(diào)制度）和輸入對(duì)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(duì)比度定義為[5]：

[M=Imax-IminImax+Imin] （5）

在CCD相機(jī)實(shí)際成像過(guò)程中，除目標(biāo)影像外還會(huì)有背景亮度產(chǎn)生的光強(qiáng)[Ib][7]，此時(shí)對(duì)比度定義修正為：

[M=Imax-IminImax+Imin-Ib] （6）

在實(shí)驗(yàn)室條件下，所采用的靶標(biāo)為高對(duì)比度，可定義相應(yīng)的[M0]=1。這樣對(duì)CCD相機(jī)整機(jī)分辨率的測(cè)量原理轉(zhuǎn)化為，對(duì)分辨率靶標(biāo)光柵圖案影像進(jìn)行對(duì)比度分析計(jì)算，通過(guò)與確認(rèn)的最小可分辨基準(zhǔn)閾值進(jìn)行比較，從而自動(dòng)確定相機(jī)達(dá)到的分辨級(jí)別，經(jīng)系統(tǒng)換算快速得出分辨率量化結(jié)果。

2 測(cè)試系統(tǒng)組成及測(cè)試過(guò)程

CCD相機(jī)分辨率測(cè)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(chǔ)器、工控機(jī)以及數(shù)據(jù)分析處理軟件。

系統(tǒng)測(cè)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(duì)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(shí)要保證CCD像元與靶標(biāo)條紋的中心線對(duì)準(zhǔn)。測(cè)試時(shí)，開(kāi)啟積分球，使其均勻照亮矩形光柵靶標(biāo)，啟動(dòng)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(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)圖像采集卡實(shí)時(shí)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(chǔ)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(duì)整個(gè)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(shí)現(xiàn)對(duì)隨意選取的圖像目標(biāo)影像區(qū)域進(jìn)行分辨率判別計(jì)算。

對(duì)分辨率的自動(dòng)測(cè)試，首先要確定可分辨的對(duì)比度基準(zhǔn)[8]。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)[9]，根據(jù)瑞利判據(jù)兩衍射斑之間光強(qiáng)的對(duì)比度小于15%時(shí)，人眼對(duì)這兩點(diǎn)便不可分辨；而按照道斯判據(jù)，兩衍射斑之間光強(qiáng)的對(duì)比度在1.55%時(shí)，為人眼的分辨極限。本文為合理確定測(cè)試判據(jù)，搜集了大量不同型號(hào)相機(jī)在不同條件下進(jìn)行的照相試驗(yàn)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(guò)對(duì)所獲取的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比度計(jì)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(guò)于寬松，而依據(jù)道斯判據(jù)又過(guò)于嚴(yán)格，經(jīng)過(guò)平均考慮對(duì)比度測(cè)試結(jié)果，最后以5%作為實(shí)際可行的極限分辨的基準(zhǔn)對(duì)比度。

分辨率測(cè)試的主要環(huán)節(jié)是求得靶標(biāo)影像對(duì)比度。為獲得良好的靶標(biāo)成像效果以及便于理論分析計(jì)算，對(duì)本系統(tǒng)測(cè)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(jí)漸變的形式制作，每一級(jí)整體寬度及內(nèi)部條紋寬度固定，而隨著級(jí)數(shù)增加條紋寬度逐級(jí)變窄。測(cè)試時(shí)，CCD相機(jī)對(duì)靶標(biāo)成像后，以每一級(jí)明暗條紋影像中一定范圍的像素點(diǎn)作為一個(gè)圖像樣本，每個(gè)樣本計(jì)算時(shí)選取的像素點(diǎn)數(shù)定為200×100，則通過(guò)樣本對(duì)比度分析判斷，進(jìn)而轉(zhuǎn)換計(jì)算得出CCD相機(jī)分辨率的過(guò)程如下：

（1）通過(guò)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(diǎn)平均灰度值計(jì)算取得背景強(qiáng)度[Ib]；

（4）將[Imax]、[Imin]及[Ib]代入公式（6），計(jì)算求得此樣本的整體對(duì)比度；

（5）通過(guò)將樣本對(duì)比度與基準(zhǔn)對(duì)比度比較，判斷此樣本是否可分辨；

（6）經(jīng)過(guò)逐級(jí)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(shí)要求靶面上每個(gè)單元中不同方向的條紋均能分辨[10]，才能確認(rèn)分辨這個(gè)單元，因此在自動(dòng)測(cè)試時(shí)需要按現(xiàn)行通用標(biāo)準(zhǔn)將靶標(biāo)調(diào)整兩個(gè)方向分別成像，取其中計(jì)算所得的最低分辨率值作為最終的測(cè)試結(jié)果。

3 測(cè)試結(jié)果分析

針對(duì)某型CCD相機(jī)，按人工判讀測(cè)試和自動(dòng)測(cè)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(cè)試數(shù)據(jù)，兩種測(cè)試方法取得的分辨率結(jié)果見(jiàn)表1，表2。

通過(guò)對(duì)表1，表2比較分析可知，兩種測(cè)試方法的結(jié)果相差不大，誤差不超過(guò)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(dòng)測(cè)試方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)相機(jī)整機(jī)核心技術(shù)指標(biāo)的客觀評(píng)價(jià)，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(duì)應(yīng)不同類(lèi)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(cè)試，給出分辨率結(jié)果，這對(duì)于做好批量生產(chǎn)CCD相機(jī)的質(zhì)量測(cè)試具有很高的實(shí)用性。

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