文檔拍攝儀測試系統搭建及方法研究

鄭春君

（福建省產品質量檢驗研究院，福建福州，350001）

隨著文檔電子化以及無紙辦公等理念的深入人心，越來越多的企業開始將檔案、資料、圖文、票據、等文檔經過數字化處理后保存至計算機或存儲設備，此舉不僅解決了大量文檔的歸類、保存和使用問題，也更加便于信息共享與流通，大大提高了商務領域的辦公和服務效率。然而傳統的低端文檔影像采集設備存在著速度慢、能耗高、體積龐大、易出現機械故障等原因，無法真正提高工作效率，嚴重影響了文檔數字化的進程。文檔拍攝儀以其專業的文檔管理、自動調焦拍攝、自適應工作環境光線等特性迎合了追求高效便捷的現代辦公應用需求，還相較于傳統的掃描儀展示出了領先的技術和創新能力。

現如今，文檔拍攝儀企業如雨后春筍般涌出，國家已加強了對文檔拍攝儀的規范管理，于2019年實施了GB/T 36473-2018《 信息技術 文檔拍攝儀通用規范》。但目前實驗室現有手工儀器操作自動化程度仍然不高，工作效率低下。目前實驗室在進行文檔拍攝儀性能測試時僅能通過人工控制標準反射光源、標準透射式燈箱、各種符合標準的圖像測試卡等配件來進行相關試驗參數的設定，從而影響了測試的復現性和效率。而計算機控制軟件可同時采集色溫、照度等實時數據，存儲空間大，參數設置靈活，內置的測試流程將大大優化現有的人工手動測試過程，可大幅減少測試時間，同時增加測試精度。因此，通過系統集成改造現有設備，并引進先進的自動化控制技術，既提高了工作效率，又節省了設備升級的成本，本項目的開發對同行具有重要的參考價值。

本項目采用了美國Imatest公司提供的解決方案。Imatest是一家在圖像質量測試行業處于全球領導者地位的公司，其提供的軟件和測試卡為本項目提供了多種測試模塊，可以通過使用Visual Studio的MFC工具便捷迅速進行界面的編寫和模塊的敏捷調用，從而實現文檔拍攝儀視覺性能指標的自動化測試。

以往在舊標準中測試攝像機基本是采用燈箱加透射式測試圖的形式。但是這種方法有很多的弊端，例如燈源面積很小，對于一些攝像機當圖像充滿全屏時所拍攝的燈箱不在攝像機井深的范圍內。另外透射式燈源色彩無法模擬真實的場景。因此本項目中針對文檔拍攝儀的測試采用與國際攝像機測試標準接軌的方式，采用反射式的燈源和圖卡，其測試布置如圖1所示。

圖1 采用反射式燈源的測試系統

Imatest公司的軟件Imatest IT（工業測試）是一組應用程序編程接口（API），允許開發人員在自己的定制應用程序中訪問Imatest圖像質量分析工具。Imatest IT包含了16個可以單獨調用的模塊：

圖2 Imatest IT包含了16個可以單獨調用的模塊

文檔拍攝儀的應用場景最常見的就是文件檔案等資料翻拍/掃描，比如說銀行行業（可將臨柜的合同、憑證、身份證件寄合同等翻拍進行存儲驗證）、政務行業（可將各類機關公文行文以及歷史資料進行歸檔存案）、醫療行業（可將重要病歷、處方、醫囑等進行翻拍留存）、比如說文化行業（看輕松將裝訂好的期刊雜志、古籍文獻等翻拍保存）。文檔拍攝儀利用了機器視覺客服傳統掃描設備掃描速度慢、不易處理裝訂文件等的缺點，還可以利用OCR(Optical Character Recognition,光學字符識別)技術直接將紙質文件中的字符從圖像自動識別到字符型式得以保存，代替了人工的手動輸入，其識別速度快而且精度很高。但由于拍攝設備成像環境有一定的不確定性，因此拍攝出的文檔圖像的以下幾個性能項目會給機器視覺的識別帶來一定的挑戰，也將是本項目重點解決的對象。

（1）分辨力測試

分辨力測試使用燈箱及分辨力測試卡。控制待測文檔拍攝儀拍攝分辨力圖像卡，并且使分辨力圖四周的定位點充滿整個顯示屏屏幕，在顯示器上用目視法讀出線數。

（2）噪點（信噪比）測試

圖像亮度的噪聲是由電子線路的干擾所產生的隨機現象，表現為隨機變化的圖像明暗度。每幅圖像都是由有限點的像素組成，每個像素點都帶有亮度信息。圖像的噪聲定義為像素亮度值的標準差，圖像亮度信號信噪比則定義為圖像平均亮度值與噪聲值之比，以dB表示。

12階不同明暗程度的亮塊、暗塊組成，亮度信噪比的計算公式為：

其中SWHITE和SBLACK是白色色塊和黑色色塊亮度信號值，通過如下公式計算：

其中m、n為每個塊的長度像素數、寬度像素數，g(x,y)為塊亮度值。

其中iN為中性灰度塊的噪聲。Imatest軟件中的stepchart模塊集成了該算法。

（3）幾何失真

幾何失真主要是由于成像系統的非線性、鏡頭不同區域對光折射不同等因素產生的，可以分為桶形失真和枕形失真。格子圖案或者棋盤格信號都能用來測試幾何失真。

圖4 信噪比測試卡

圖5 幾何失真的分類

幾何失真的定義為：

Imatest軟件中的Distortion模塊提供了幾何失真的算法。

（4）色彩還原誤差

色彩還原誤差考察的是文檔拍攝儀對真實色彩的還原能力，測試一般采用圖3所示的色彩還原測試圖。測試原理是將拍攝圖像的各個塊轉換到CIE L＊a＊b＊的色彩空間，并且和圖像真實的L＊、a＊、b＊值進行比較。其中L＊是代表色塊的明度值，a＊代表紅綠范圍的色度（a＊正值代表紅色，負值代表綠色），b＊代表黃、藍范圍的色度。用來衡量色彩還原誤差的指標為平均色彩還原誤差ΔE，定義為L＊、a＊、b＊三者差值平方和的均方根值：

圖3 分辨力測試卡

圖6 幾何失真的定義

圖7 色彩還原性測試卡

其中L＊、a＊、b＊的下角標1和2分別代表實際測試的明度、色度與標準色卡中的標準值。將所有色塊的 ΔEab*進行平均，就得到平均色彩還原誤差ΔE。Imatest軟件中的Colourcheck模塊就集成了此種色彩還原誤差的算法。

（5）灰階

灰階測試使用反射光源及灰階測試卡。控制待測文檔拍攝儀拍攝灰階圖像卡，并且使灰階圖四周的定位點充滿整個顯示屏屏幕，在顯示器上用目視法讀可分辨的最大灰階數。

圖8 灰階測試卡

針對以上指標，本項目利用Imatest IT進行二次開發后實現自動測試大致分為四個步驟：

圖9 測試流程圖

第一步：準備好燈箱、光源和需要拍攝的圖卡，燈箱的照度必須設置到標準規定值，使用照度計來確定照度值。將測試圖卡充滿文檔拍攝儀的取景器（連接到對應的電腦）后進行拍攝。

第二步：生成配置的INI文件。INI文件是由Imatest Master生成的配置文件，包含了Imatest模塊用于描述輸入圖像的設置（例如ROI（需要測試的區域）、照度值、測試距離、測試所使用的標準、坐標軸使用的坐標單位、如何計算分析、結果保存路徑等等）。在設置好后，可以使用Imatest 軟件設置窗口中的“Save ini file for”按鈕來保存僅包含所需部分的INI文件。

第三步：集成和調用所需要分析的函數模塊。

第四步：測試結果和測試數據處理。

由于本項目的程序需要使用Imatest IT庫文件，所以必須將庫文件解壓縮到臨時目錄。在每次使用庫文件時，都需要重復解壓縮，這樣大大減緩了計算速度，因此需要設置兩個環境變量MCR_CACHE_ROOT和MCR_CACHE_SIZE。MCR_CACHE_ROOT變量提供了Imatest IT庫文件的路徑，將其設置為對所有用戶具有寫訪問權限可使操作系統在清除臨時文件時不會刪除此緩存。MCR_CACHE_SIZE變量的大小文檔建議至少設置為900000000，因此我們將此變量值設置為900000000。

表1

其次還更改Windows環境變量需要管理員訪問權限，詳見圖10。

圖10 環境變量的設置

圖11 測試系統界面截圖

為了使編寫的程序能夠調用Imatest IT提供的動態庫文件，使用Visual Studio添加Post-Build事件可以自動執行此過程。在Solution Explorer中，右鍵單擊項目并選擇Properties。

在“Configuration Properties”和“Build Events”下，選擇“Post-Build Event”。然后imatest_library.dll文件將自動復制到項目的目標目錄中，應用程序便可以加載這些庫文件。

使用Imatest Master生成需要的INI文件。INI文件可以用Imatest Master軟件設置好后直接生成，里面包含了測試的配置信息。調用IT模塊，把Imatest IT和Matlab MCR庫的目錄加入Visual Studio的項目文件里。

上面用到的Imatest IT C++庫參數意義如表2所示。

表2

Imatest IT C++庫接收和返回數據通過mwArray事件。C++庫的mwArray類是面向對象的，并且還負責自動分配和解除分配。無需人為注銷mwArray事件。

表3

本文分析文檔拍攝儀的最讓人關注的視覺性能指標的算法：分辨力、信噪比、幾何失真、色彩還原誤差及灰階，并介紹了如何使用Imatest相關軟件實現起自動化測試，在實現GB/T 36473-2018標準中的相關指標測試具有實用性，為文檔拍攝儀生產企業提供了更加強大的技術支持，為供應商進行產品出廠診斷、改進產品設計、提高產品質量提供了有力的技術保障。