鹽霧測(cè)試對(duì)光學(xué)成像系統(tǒng)成像分辨率的影響

周驊，張培，王婷婷

（上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，上海 201114）

引言

物聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器視覺(jué)、人工智能、智慧城市等新興發(fā)展領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，極大改變?nèi)藗兊纳罘绞健９鈱W(xué)成像系統(tǒng)作為其重要的信息輸入設(shè)備，其成像質(zhì)量[1-6]直接決定了這些系統(tǒng)應(yīng)用的有效性和穩(wěn)定性。以監(jiān)控設(shè)備為例，此類(lèi)光學(xué)系統(tǒng)顯然存在長(zhǎng)期穩(wěn)定高質(zhì)量成像的需求。然而此類(lèi)系統(tǒng)因長(zhǎng)期高負(fù)荷上線(xiàn)使用，成像質(zhì)量必然會(huì)隨上線(xiàn)時(shí)間增長(zhǎng)而下降。且部分設(shè)備存在惡劣環(huán)境下長(zhǎng)期使用的情況，外界環(huán)境的長(zhǎng)期老化效應(yīng)會(huì)使其產(chǎn)生一定的圖像質(zhì)量偏差。

目前，針對(duì)攝像機(jī)成像質(zhì)量的測(cè)試一般有兩種方法。一種是基于電信號(hào)的分析[7-9]。標(biāo)準(zhǔn)GB/T 16697-2017《單傳感器應(yīng)用電視攝像機(jī)通用技術(shù)要求及測(cè)量方法》、SJ/T 11415-2010《非廣播用數(shù)字?jǐn)z錄一體機(jī)通用規(guī)范》、SJ/T 11416-2010《非廣播用數(shù)字?jǐn)z錄一體機(jī)測(cè)量方法》等均通過(guò)在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下，基于對(duì)信號(hào)電平、頻率等電信號(hào)的分析得到其圖像質(zhì)量。該方法不能完整考慮系統(tǒng)整體的影響，重點(diǎn)考察了系統(tǒng)內(nèi)部光電轉(zhuǎn)換元件（如CCD、CMOS）的質(zhì)量，而未全面考察如鏡頭等其他關(guān)鍵部件對(duì)成像質(zhì)量的影響。另一種為基于對(duì)獲得圖像質(zhì)量的光學(xué)分析[10,11]。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 36480-2018《信息技術(shù) 緊縮嵌入式攝像頭通用規(guī)范》、國(guó)際知名的圖像領(lǐng)域測(cè)試公司，如法國(guó)Dxomark，德國(guó)Image Engineering均分別推出圖像質(zhì)量分析的成套方案，包含定制的測(cè)試環(huán)境、定制的測(cè)試軟硬件設(shè)備及評(píng)價(jià)方案。其原理都是在特定環(huán)境特定模式下拍攝一段視頻, 該段視頻的內(nèi)容穩(wěn)定且標(biāo)準(zhǔn)，從該段視頻中截取單幀圖像，通過(guò)軟件對(duì)單幀靜態(tài)圖像的光學(xué)性能進(jìn)行分析。上面兩種方法均僅能反映在特定實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的產(chǎn)品性能表現(xiàn)。未考慮強(qiáng)光、弱光、帶光學(xué)補(bǔ)償?shù)葟?fù)雜光照環(huán)境。

本文分析了鹽霧環(huán)境試驗(yàn)前后典型光學(xué)成像系統(tǒng)的成像質(zhì)量，聚焦成像分辨率，全面分析在特定光學(xué)環(huán)境下（強(qiáng)光、弱光、帶光學(xué)補(bǔ)償）鹽霧環(huán)境測(cè)試對(duì)其成像分辨率的影響。

1 測(cè)試流程確定

本文主要考察鹽霧測(cè)試對(duì)攝像系統(tǒng)不同光照條件下成像分辨率的影響。試驗(yàn)流程圖如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)流程圖

1.1 分辨率測(cè)試

成像分辨率為通過(guò)空間頻率響應(yīng)（SFR）和調(diào)制傳遞哈數(shù)（MTF）表示的數(shù)字圖像拍攝系統(tǒng)空間圖像細(xì)節(jié)能力的度量，是標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試圖中黑白相間的線(xiàn)條剛剛能被人眼所分辨的空間頻率，是光學(xué)成像系統(tǒng)成像質(zhì)量的重要指標(biāo)。成像分辨率的測(cè)試需在暗室中進(jìn)行，暗室內(nèi)雜散光照度小于1lx。環(huán)境溫度：（15～25）℃；相對(duì)濕度：（25～75）%；大氣壓力：（86～106）kPa。

測(cè)試使用符合ISO 12233標(biāo)準(zhǔn)要求的反射式的ISO分辨率測(cè)試圖作為數(shù)字設(shè)備的拍攝像源，見(jiàn)圖2。

圖2 ISO 12233:2000分辨率測(cè)試圖

光源擺放位置應(yīng)擺放于分辨率測(cè)試卡前方水平方向45 °線(xiàn)外，標(biāo)準(zhǔn)光源擺放區(qū)域示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)光源擺放區(qū)域示意圖

為考察不同光照條件下攝像機(jī)的分辨率，需提供如下三種測(cè)試環(huán)境，分別模擬白天，傍晚和夜晚拍攝環(huán)境。夜晚環(huán)境測(cè)試時(shí)，攝像產(chǎn)品會(huì)進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)光。如攝像頭未自帶燈光/紅外照明，則無(wú)需進(jìn)行項(xiàng)目3測(cè)試。具體見(jiàn)表1。

被測(cè)攝像頭均選取具備防塵防水功能的戶(hù)外用攝像頭產(chǎn)品。恢復(fù)到出廠/初始設(shè)置，設(shè)定最高分辨率，感光度、白平衡設(shè)定為自動(dòng)。其他設(shè)置按出廠/初始設(shè)置進(jìn)行設(shè)定。將被測(cè)攝像頭固定在合適的位置上，使標(biāo)準(zhǔn)圖卡與鏡頭的光軸垂直，標(biāo)準(zhǔn)圖卡位于拍攝畫(huà)面的中心位置并保證標(biāo)準(zhǔn)圖卡畫(huà)面占整個(gè)畫(huà)面的80 %以上。測(cè)試圖任一部位的光照度與中心區(qū)域光照度相差不得大于±10 %，且拍攝范圍不應(yīng)小于標(biāo)準(zhǔn)圖卡有效范圍。在各種典型光源環(huán)境下分別拍攝10 s視頻并保存。視頻拍攝完成后，以隨機(jī)抽取方式抽取單幀圖像10幀，按ISO 12233:2014分辨率標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行目測(cè)或工具分析。

1.2 環(huán)境測(cè)試選擇

根據(jù)GB/T 2423系列，IEC 60068-2系列，GB 4208-2008等環(huán)境測(cè)試方法要求，模擬攝像頭產(chǎn)品在使用時(shí)可能經(jīng)歷如高低溫沖擊、鹽霧、氣體腐蝕、紫外暴露等在內(nèi)的多種嚴(yán)酷老化試驗(yàn)。基于對(duì)20個(gè)型號(hào)200個(gè)樣品的多種環(huán)境試驗(yàn)前后樣品光學(xué)性能參數(shù)分析，鹽霧測(cè)試對(duì)戶(hù)外攝像頭的光學(xué)性能退化有一定影響。本文主要聚焦于研究鹽霧測(cè)試對(duì)產(chǎn)品光學(xué)性能影響。

為更好的模擬實(shí)際情況，本次所用測(cè)試樣品為具備防塵防水功能的戶(hù)外用攝像頭。環(huán)境耐久性為不通電狀態(tài)下的環(huán)境模擬。使用Nacl鹽溶液連續(xù)噴霧 96 h作為一個(gè)測(cè)試周期。溶液濃度（5±1）%，溫度（35±2）℃，pH值6.5～7.2。每個(gè)樣品分別做1、5、10、20個(gè)測(cè)試周期，在每個(gè)從測(cè)試周期完成后需對(duì)樣品的功能進(jìn)行核查，如功能完好，則進(jìn)行成像分辨率測(cè)試。

2 測(cè)試結(jié)果分析

本章節(jié)將對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，以單樣品測(cè)試過(guò)程為例，按圖1試驗(yàn)流程圖開(kāi)展分辨率測(cè)試。按表1要求開(kāi)展三種環(huán)境模式下攝像機(jī)樣品拍攝視頻的獲取。隨機(jī)抓取視頻的單幀圖像，進(jìn)行目測(cè)或使用imagetest軟件進(jìn)行成像分辨率分析。圖4～6為鹽霧測(cè)試前分辨率測(cè)試視頻的單幀圖像，從圖中可以直觀看出不同光照環(huán)境對(duì)成像分辨率有一定影響。

圖4 分辨率實(shí)拍圖-模擬白天拍攝環(huán)境

表1 典型測(cè)試條件表

經(jīng)過(guò)對(duì)市場(chǎng)上主流的20個(gè)型號(hào)樣品的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)20個(gè)周期的鹽霧測(cè)試后，攝像機(jī)產(chǎn)品的成像質(zhì)量成兩級(jí)分化趨勢(shì)。以光源條件1下測(cè)試為例，3個(gè)型號(hào)的樣品分辨率下降在70～100 %，我們認(rèn)為其屬于成像失效狀態(tài)。17個(gè)樣品成像分辨率平均衰減率有一定下降，下降率在5～20 %。這說(shuō)明高強(qiáng)度的鹽霧暴露可對(duì)攝像產(chǎn)品的光學(xué)性能產(chǎn)生不可逆的破壞作用，主要影響機(jī)構(gòu)為光學(xué)玻璃和內(nèi)部電路系統(tǒng)。攝像產(chǎn)品元器件的質(zhì)量、接口的處理及外殼保護(hù)設(shè)計(jì)的好壞將極大影響其性能穩(wěn)定性。提醒消費(fèi)者在沿海等高鹽高濕環(huán)境下選購(gòu)、安裝和使用時(shí)務(wù)必注意合理選購(gòu)，且良好包裹接線(xiàn)口等薄弱部位，防止鹽溶液對(duì)器件的老化效應(yīng)。

圖5 分辨率實(shí)拍圖-模擬傍晚拍攝環(huán)境

下面選取兩種典型樣品為例，表2、表3為0、1、5、10、20個(gè)鹽霧老化試驗(yàn)后，良好耐受樣品和完全失效樣品的單幀圖像中心和邊緣區(qū)域的成像分辨率結(jié)果。圖7-圖8為兩種樣品成像分辨率的衰減情況。

圖6 分辨率實(shí)拍圖-模擬夜晚拍攝環(huán)境

表2 耐受良好樣品不同鹽霧老化條件、光照條件下的成像分辨率(單位：LW/PH)

從表2、表3和圖7、圖8可以看出，一般隨著老化試驗(yàn)的持續(xù)施加，尤其是5個(gè)循環(huán)后，完全失效樣品的中心視場(chǎng)和邊緣視場(chǎng)的成像分辨率開(kāi)始有顯著下降。不同光照條件對(duì)成像分辨率有較大影響，良好的光照條件可以有效提高攝像產(chǎn)品的分辨率。鹽霧老化試驗(yàn)對(duì)攝像產(chǎn)品的成像分辨率有一定影響。不同樣品耐受性差異較大。

圖7 耐受良好樣品成像分辨率變化圖

圖8 完全失效樣品成像分辨率變化圖

表3 完全失效樣品不同老化條件、光照條件下的成像分辨率

4 總結(jié)

本項(xiàng)目通過(guò)分析鹽霧環(huán)境試驗(yàn)前后典型光學(xué)成像系統(tǒng)的成像質(zhì)量。聚焦成像分辨率，討論在特定光學(xué)環(huán)境下環(huán)境測(cè)試對(duì)其成像分辨率的影響。研究發(fā)現(xiàn)，不同光照條件對(duì)成像分辨率有較大影響，良好的光照條件可以有效提高攝像產(chǎn)品的分辨率。長(zhǎng)時(shí)間的鹽溶液暴露對(duì)攝像機(jī)有不可逆的影響。攝像產(chǎn)品對(duì)鹽霧老化試驗(yàn)的耐受性呈兩極分布狀況，部分產(chǎn)品完全失效，部分產(chǎn)品耐受性良好失效不明顯。