恒定濕熱測試對光學成像系統色彩還原特性的影響

周驊

（上海市質量監督檢驗技術研究院,上海 201114）

引言

光學成像系統被廣泛應用于各類領域，如人工智能、物聯網、智慧城市、機器視覺等，為人們的生活帶來了極大便利。作為一種信息采集裝置，其猶如整個系統的眼睛，其可靠穩定性對系統的安全運行尤為重要。照相機、攝像機均為此類光學成像系統的典型代表。目前，針對成像質量[1-6]的測試一般有兩種方法。一種是基于電信號的分析[7-9]。典型的為攝像機類產品測試。在標準測試條件下，對測得的信號電平、頻率等電信號的分析得到其圖像質量。該方法本質上其實是考慮系統內部光電轉換元件（如CCD、CMOS）的質量，而并非對成像系統整體的評價，缺少對鏡頭、外殼等部件的綜合評估。另一種為基于對獲得圖像質量的光學分析[10,11]。該方法廣泛應用于攝像機、照相機產品。其根據測得的圖像，或由視頻獲取的單幀圖像，開展全面的光學參數分析。包括分辨率，色彩還原，灰階，白平衡等。

另一方面，標準或文獻中環境測試對光學系統的影響往往研究其是否影響光學系統的正常啟動功能，鮮有關于其對成像質量的量化研究，然而，因設備的長期運行，乃至惡劣使用環境的長期暴露，這類設備可能存在設備性能退化的情形，如成像質量下降。成像質量的下降在某些情況下其實比停機狀態更為嚴重。如果無法及時檢測出成像質量下降是否已經達到或超出臨界值，可能導致此類光學系統下線停機檢修從而造成一個監控空窗期。因此，對光學成像系統成像質量的及時量化評估和預判顯得尤其重要。

本文分析了恒定濕熱環境[12]對典型光學成像系統的成像質量的影響。考評了無畸變和有畸變的成像系統在測試前后色彩還原特性的變化。

1 測試流程確定

本文主要考察高溫高濕環境測試對光學成像系統系統色彩還原特性的影響。

1.1 色彩還原測試

色彩還原特性是光學成像系統一種重要的特性，體現成像設備真實重現被攝物體顏色的能力。一般我們需要進行色空間坐標上的數值度量,采用數值方法表示兩種顏色給人色彩感覺上的差別.本文中我們選取了兩種典型光學成像系統，無畸變和有畸變的光學成像模型開展研究。

色彩還原測試需在暗室中進行，暗室內雜散光照度小于1 lx。環境溫度：15～25 ℃；相對濕度：25～75 %；大氣壓力：86～106 kPa。將被檢光學系統處于最有利于彩色還原的設置并關閉閃光燈。在D65光源條件下，使用標準24色色彩測試圖卡拍攝。測試圖卡占據整個取景器視場面積的70 %。拍攝后圖像輸入計算機進行數值分析。選取24色塊，每個色塊截取面積不小于30 %的色塊。分別測出測試圖卡和所截取圖像色塊的R、G、B值并換算到CIE L*a*b*色彩空間，再求出各自對應的，，值，分別見式（1~3），代入式（4）計算24色塊中每色塊的色彩還原誤差W。

式中：

1.2 環境測試選擇

本文選取的環境測試為恒定濕熱試驗，考察設備在使用環境中耐受長期高溫高濕環境的能力。將樣品放置于高溫高濕度的環境，試驗時避免試樣表面形成凝露。試驗程序按照GB/T 2423.3的規定進行。本次測試不通電狀態下的環境模擬。測試參數為溫度85 ℃，濕度85 %RH。連續測試96 h作為一個測試周期。每個樣品分別做1、5、10、20個測試周期。在每個從測試周期完成后需對樣品的功能進行核查。如功能完好，則進行色彩還原測試。根據科芬-曼森模型（Coffon-Manson Model），20個測試周期的老化測試，約為自然老化周期40年。

2 測試結果分析

本章節對測試結果進行分析。本次測試的樣品按獲得圖像類型，可分為無畸變和有畸變圖像。按產品類別分，分為照相機和攝像機。按使用場景分，一類為室外使用攝像頭和相機（包括極端環境條件的室內,如車庫等），一類為室內使用攝像頭和相機（如居住或辦公環境等）。經測試可知，攝像機產品在拍攝時會發生目測可見的畸變，照相機產品基本未發生畸變。具體見圖1。

圖1 成像畸變情況

下面按圖像類型分類，分別對無畸變和有畸變樣品的圖像質量開展分析。表1和表2 為無畸變和有畸變樣品色彩還原誤差情況。從表中可知，經過10個循環周期后，色彩還原誤差明顯增加。經過20個循環周期后，色彩還原誤差發生成倍增加，樣品成像質量明顯下降。根據相關標準，各色在CIELAB色空間的色差不得超過35。從表中可知，在20個老化周期后，測得的圖像質量已不符合標準要求。

表1 無畸變圖像色彩還原誤差情況

表2 有畸變圖像色彩還原誤差情況

將環境測試前的拍攝圖像和20個循環周期后的拍攝圖像使用imatest軟件進行分析?？芍收`差經過環境測試后發生明顯改變，成像質量有較大下降。圖2是無畸變樣品的色彩還原誤差分析圖。圖3是有畸變樣品的色彩還原誤差分析圖。從圖2和圖3可知，環境測試后，理想值和攝像頭實際測得值差異較大，成像質量發生較大衰減。首先，色彩飽和度下降。無畸變樣品從116.1 %下降至78.39 %。有畸變樣品從121.2 %下降至87.37 %。另一方面，兩種樣品的色彩誤差的平均值和最大值均變大。無畸變樣品的色彩還原誤差平均值從8.81增加至21.3， 最大值從22.6增加至46.3。有畸變樣品的色彩還原誤差平均值從9.911增加至20.5， 最大值從26.3增加至44.6。

圖4和圖5為環境測試前后無畸變和有畸變樣品的噪點情況。從圖中可知，各噪點數值均小于1，符合標準要求。一般來說，數值越小表示噪點越小，圖像質量越好。從圖中可知，環境測試后，無畸變和有畸變的圖像噪點值均顯著增加，表明環境測試后成像質量明顯下降。無畸變樣品的RGBY %值從0.48，0.41，0.47，0.34增加到0.65，0.48，0.65 ，0.44。有畸變樣品的RGBY%值從0.37，0.29，0.32，0.23增加到0.48，0.46，0.72，0.43。

圖4 無畸變樣品環境測試前后的噪點情況

圖5 有畸變樣品環境測試前后的噪點情況

3 總結

本文分析了恒定濕熱環境試驗前后典型光學成像系統的成像質量。研究發現，經過約2 000 h的恒定濕熱試驗后，無畸變和有畸變的光學系統的成像質量顯著下降。表征其成像質量的色彩還原誤差和噪點參數均顯著增加。且這種成像質量的下降不可逆。本文將為合理評估成像系統的使用壽命提供參考。后續，我們將研究其他環境測試對成像系統成像質量的影響。