傳輸型CCD相機成像分辨率自動測試研究

摘 要： 對CCD相機成像分辨率自動測試方法進行了研究，測試方案中改進設計了照相分辨率靶標，開展了數據分析處理，通過軟硬件結合實現了對CCD相機整機分辨率的自動測試，結果數據經過專業測試比對確認有效。實驗結果表明，方法客觀、準確，能夠避免以往人工測試分辨率帶來的主觀因素影響，具有很高的實用性。

關鍵字： CCD相機； 分辨率； 靶標； 圖像采集卡

中圖分類號： TN911.7?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）19?0154?03

0 引 言

目前傳輸型CCD相機已取代傳統膠片相機成為主流攝影設備，然而各生產廠家對相機成像分辨率這一核心指標的測量還基本采用基于人工判讀的測試方法。人工判讀測試分辨率，對膠片相機而言簡單、方便，但由于不同人眼的視覺靈敏度不同以及檢測條件的差異，因此難免引入不同程度的主觀誤差，時常難以達成統一的測量結果，從而影響了測試精度。

對于CCD相機，可利用其對特定目標生成的數字影像，通過實施高效的數據分析處理技術，自動實現對相機分辨率量化測試，從而客觀判定相機成像質量。

1 理論分析

影響CCD相機成像分辨率的因素主要包括：光學系統、CCD器件及相應電路處理系統等[1]。其中光學系統可利用干涉檢測法或傳遞函數等對其像質進行測試[2]，從而客觀地獲取相應的分辨率量化結果；CCD器件本身的理論極限分辨率可以根據其像元尺寸直接計算求得；對于電路處理系統，在理想情況下其對圖像分辨率測試方面的影響可忽略不計，在此暫不予以考慮。綜合上述因素，CCD相機整機理想情況下的分辨率[N]可由下式計算求得[3]：

[1N≈1N光+1NCCD] （1）

式中：[N光]為光學系統分辨率；[NCCD]為CCD器件的分辨率。

雖然上述計算可以估算出CCD相機整機的理論分辨率，但由于存在整機裝配誤差、系統控制誤差以及依靠人工判讀測試帶來的主觀不確定性[4]，經常難以準確反映相機最終成像水平，因此需要在CCD相機整機檢測時對分辨率指標實施精確量化測試，從而客觀綜合反映CCD相機整機成像質量。

為此，本文提出基于光柵目標影像對比度分析的分辨率自動測試方法。該方法是將CCD相機整體作為光能量信息傳遞系統，根據系統傳遞函數測試原理，按照正弦級數展開的定義，將矩形分布函數展開成不同頻率正弦分布的疊加，則對比度傳遞函數可表示為[5?6]：

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

由于光電探測器將光通量轉換為電信號，利用電子學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關系式變為：

[CTFf=4πMTFf] （3）

[CTF=MM0] （4）

[M]和[M0]分別為輸出對比度（又稱調制度）和輸入對比度。設目標影像最大光強為[Imax，]最小光強為[Imin，]則對比度定義為[5]：

[M=Imax-IminImax+Imin] （5）

在CCD相機實際成像過程中，除目標影像外還會有背景亮度產生的光強[Ib][7]，此時對比度定義修正為：

[M=Imax-IminImax+Imin-Ib] （6）

在實驗室條件下，所采用的靶標為高對比度，可定義相應的[M0]=1。這樣對CCD相機整機分辨率的測量原理轉化為，對分辨率靶標光柵圖案影像進行對比度分析計算，通過與確認的最小可分辨基準閾值進行比較，從而自動確定相機達到的分辨級別，經系統換算快速得出分辨率量化結果。

2 測試系統組成及測試過程

CCD相機分辨率測試系統組成如圖1所示，主要包括標準光源、光柵靶標、平行光管、圖像采集卡、圖像存儲器、工控機以及數據分析處理軟件。

系統測試前要確認各設備的初始位置，靶標要準確標定在平行光管的焦面處，平行光管的出口對應到相機入口處，平行光管的光軸與相機光學系統的光軸要共軸，同時要保證CCD像元與靶標條紋的中心線對準。測試時，開啟積分球，使其均勻照亮矩形光柵靶標，啟動相機拍照，靶標經平行光管與相機光學系統成像在焦面CCD上，使光信號轉換為電信號，再經圖像采集卡實時采集生成的圖像數據流，在工控機的控制下按相應格式存入圖像存儲器。圖像數據綜合分析處理軟件，可以直接顯示數據格式圖像，還可以對整個影像或選取局部區域進行放大、縮小顯示，更主要的是可實現對隨意選取的圖像目標影像區域進行分辨率判別計算。

對分辨率的自動測試，首先要確定可分辨的對比度基準[8]。目前常用的分辨率判據主要包括瑞利判據和道斯判據[9]，根據瑞利判據兩衍射斑之間光強的對比度小于15%時，人眼對這兩點便不可分辨；而按照道斯判據，兩衍射斑之間光強的對比度在1.55%時，為人眼的分辨極限。本文為合理確定測試判據，搜集了大量不同型號相機在不同條件下進行的照相試驗圖像，其中包括數十張經判讀專家審查達到某一分辨率水平的圖像數據。通過對所獲取的圖像數據進行對比度計算分析，表明按照瑞利判據判定相機極限分辨率的條件過于寬松，而依據道斯判據又過于嚴格，經過平均考慮對比度測試結果，最后以5%作為實際可行的極限分辨的基準對比度。

分辨率測試的主要環節是求得靶標影像對比度。為獲得良好的靶標成像效果以及便于理論分析計算，對本系統測試用靶標突破了傳統靶標的制作模式，根據需要確定其明暗條紋按單一方向逐級漸變的形式制作，每一級整體寬度及內部條紋寬度固定，而隨著級數增加條紋寬度逐級變窄。測試時，CCD相機對靶標成像后，以每一級明暗條紋影像中一定范圍的像素點作為一個圖像樣本，每個樣本計算時選取的像素點數定為200×100，則通過樣本對比度分析判斷，進而轉換計算得出CCD相機分辨率的過程如下：

（1）通過數值判斷，求得樣本區域內最大灰度值[Imax]和最小灰度值[Imin]，進而求得二者的均值[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，進而分別求出明暗條紋區域內灰度均值[Imax]和[Imin]；

（3）利用靶標影像區域外的像素點平均灰度值計算取得背景強度[Ib]；

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

（5）通過將樣本對比度與基準對比度比較，判斷此樣本是否可分辨；

（6）經過逐級判斷，直至確認圖像樣本達到的極限分辨水平，最后經系統折算求出相機所達到的整機分辨率。

在人工判讀成像分辨率時要求靶面上每個單元中不同方向的條紋均能分辨[10]，才能確認分辨這個單元，因此在自動測試時需要按現行通用標準將靶標調整兩個方向分別成像，取其中計算所得的最低分辨率值作為最終的測試結果。

3 測試結果分析

針對某型CCD相機，按人工判讀測試和自動測試兩種方法，分別利用標準靶標和漸變光柵靶標取得了相應的分辨率測試數據，兩種測試方法取得的分辨率結果見表1，表2。

通過對表1，表2比較分析可知，兩種測試方法的結果相差不大，誤差不超過一組分辨單元，屬于可接受的誤差范圍。

4 結 論

本文提出的CCD相機分辨率自動測試方法，實現了對相機整機核心技術指標的客觀評價，避免了人為因素的影響。而且，該方法可適應于各種CCD相機，對應不同類型的相機只要將圖像數據采集接口和通信協議進行相應改造，即可方便快捷完成測試，給出分辨率結果，這對于做好批量生產CCD相機的質量測試具有很高的實用性。

參考文獻

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