传输型CCD 相机成像分辨率自动测试研究 分辨率, 相机

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0 引言
目前传输型CCD相机已取代传统胶片相机成为主流摄影设备，然而各生产厂家对相机成像分辨率这一核心指标的测量还基本采用基于人工判读的测试方法。
人工判读测试分辨率，对胶片相机而言简单、方便，但由于不同人眼的视觉灵敏度不同以及检测条件的差异，因此难免引入不同程度的主观误差，时常难以达成统一的测量结果，从而影响了测试精度。
对于CCD 相机，可利用其对特定目标生成的数字影像，通过实施高效的数据分析处理技术，自动实现对相机分辨率量化测试，从而客观判定相机成像质量。
1 理论分析
影响CCD相机成像分辨率的因素主要包括：光学系统、CCD器件及相应电路处理系统等。其中光学系统可利用干涉检测法或传递函数等对其像质进行测试，从而客观地获取相应的分辨率量化结果;CCD器件本身的理论极限分辨率可以根据其像元尺寸直接计算求得;对于电路处理系统，在理想情况下其对图像分辨率测试方面的影响可忽略不计，在此暂不予以考虑。综合上述因素，CCD 相机整机理想情况下的分辨率N 可由下式计算求得：


式中：N光为光学系统分辨率;NCCD 为CCD器件的分辨率。
虽然上述计算可以估算出CCD相机整机的理论分辨率，但由于存在整机装配误差、系统控制误差以及依靠人工判读测试带来的主观不确定性，经常难以准确反映相机最终成像水平，因此需要在CCD 相机整机检测时对分辨率指标实施精确量化测试，从而客观综合反映CCD相机整机成像质量。
为此，本文提出基于光栅目标影像对比度分析的分辨率自动测试方法。该方法是将CCD相机整体作为光能量信息传递系统，根据系统传递函数测试原理，按照正弦级数展开的定义，将矩形分布函数展开成不同频率正弦分布的叠加，则对比度传递函数可表示为：


由于光电探测器将光通量转换为电信号，利用电子学方法可将所有高次谐波成分全部滤掉，这样所得到的传递函数关系式变为：


M 和M0 分别为输出对比度(又称调制度)和输入对比度。设目标影像最大光强为Imax,最小光强为Imin,则对比度定义为：


在CCD 相机实际成像过程中，除目标影像外还会有背景亮度产生的光强Ib,此时对比度定义修正为：


在实验室条件下，所采用的靶标为高对比度，可定义相应的M0 =1.这样对CCD 相机整机分辨率的测量原理转化为，对分辨率靶标光栅图案影像进行对比度分析计算，通过与确认的最小可分辨基准阈值进行比较，从而自动确定相机达到的分辨级别，经系统换算快速得出分辨率量化结果。
2 测试系统组成及测试过程
CCD相机分辨率测试系统组成如图1所示，主要包括标准光源、光栅靶标、平行光管、图像采集卡、图像存储器、工控机以及数据分析处理软件。


系统测试前要确认各设备的初始位置，靶标要准确标定在平行光管的焦面处，平行光管的出口对应到相机入口处，平行光管的光轴与相机光学系统的光轴要共轴，同时要保证CCD 像元与靶标条纹的中心线对准。
测试时，开启积分球，使其均匀照亮矩形光栅靶标，启动相机拍照，靶标经平行光管与相机光学系统成像在焦面CCD上，使光信号转换为电信号，再经图像采集卡实时采集生成的图像数据流，在工控机的控制下按相应格式存入图像存储器。图像数据综合分析处理软件，可以直接显示数据格式图像，还可以对整个影像或选取局部区域进行放大、缩小显示，更主要的是可实现对随意选取的图像目标影像区域进行分辨率判别计算。
对分辨率的自动测试，首先要确定可分辨的对比度基准。目前常用的分辨率判据主要包括瑞利判据和道斯判据，根据瑞利判据两衍射斑之间光强的对比度小于15%时，人眼对这两点便不可分辨;而按照道斯判据，两衍射斑之间光强的对比度在1.55%时，为人眼的分辨极限。本文为合理确定测试判据，搜集了大量不同型号相机在不同条件下进行的照相试验图像，其中包括数十张经判读专家审查达到某一分辨率水平的图像数据。通过对所获取的图像数据进行对比度计算分析，表明按照瑞利判据判定相机极限分辨率的条件过于宽松，而依据道斯判据又过于严格，经过平均考虑对比度测试结果，最后以5%作为实际可行的极限分辨的基准对比度。
分辨率测试的主要环节是求得靶标影像对比度。
为获得良好的靶标成像效果以及便于理论分析计算，对本系统测试用靶标突破了传统靶标的制作模式，根据需要确定其明暗条纹按单一方向逐级渐变的形式制作，每一级整体宽度及内部条纹宽度固定，而随着级数增加条纹宽度逐级变窄。测试时，CCD相机对靶标成像后，以每一级明暗条纹影像中一定范围的像素点作为一个图像样本，每个样本计算时选取的像素点数定为200×100,则通过样本对比度分析判断，进而转换计算得出CCD相机分辨率的过程如下：
(1)通过数值判断，求得样本区域内最大灰度值Imax和最小灰度值Imin ,进而求得二者的均值I均作为明暗条纹的分界值;
(2)以I均为界值，逐行判断为亮条纹或暗条纹，进而分别求出明暗条纹区域内灰度均值 Imax 和 Imin ;(3)利用靶标影像区域外的像素点平均灰度值计算取得背景强度Ib ;
(4)将 Imax 、Imin 及Ib 代入公式(6)，计算求得此样本的整体对比度;
(5)通过将样本对比度与基准对比度比较，判断此样本是否可分辨;
(6)经过逐级判断，直至确认图像样本达到的极限分辨水平，最后经系统折算求出相机所达到的整机分辨率。
在人工判读成像分辨率时要求靶面上每个单元中不同方向的条纹均能分辨，才能确认分辨这个单元，因此在自动测试时需要按现行通用标准将靶标调整两个方向分别成像，取其中计算所得的最低分辨率值作为最终的测试结果。
3 测试结果分析
针对某型CCD 相机，按人工判读测试和自动测试两种方法，分别利用标准靶标和渐变光栅靶标取得了相应的分辨率测试数据，两种测试方法取得的分辨率结果见表1,表2.


通过对表1,表2比较分析可知，两种测试方法的结果相差不大，误差不超过一组分辨单元，属于可接受的误差范围。
4 结论
本文提出的CCD 相机分辨率自动测试方法，实现了对相机整机核心技术指标的客观评价，避免了人为因素的影响。而且，该方法可适应于各种CCD相机，对应不同类型的相机只要将图像数据采集接口和通信协议进行相应改造，即可方便快捷完成测试，给出分辨率结果，这对于做好批量生产CCD 相机的质量测试具有很高的实用性。