一種免拆卸測定數碼相機曝光時間的方法

王瀟瀟*,譚 山

（廣州計量檢測技術研究院，廣東廣州，510663）

一種免拆卸測定數碼相機曝光時間的方法

王瀟瀟*,譚 山

（廣州計量檢測技術研究院，廣東廣州，510663）

本文討論了一種依托動態光源系統，采用圖像處理技術對數碼相機曝光時間進行測定的方法。實驗驗證了光斑軌跡的位置及光源轉速調整對測定結果的影響。

數碼相機；曝光時間；檢測方法

曝光時間（也稱快門速度）是評價照相機性能的主要技術指標之一，其與像面照度的乘積即為曝光量。一般可通過控制快門速度對曝光時間進行控制，從而達到預期的曝光量，實現理想的拍攝效果。由于傳統相機可拆卸感光膠片，因而曝光時間通常采用光源與光電探測器分置快門兩側的方式進行測定[1]。隨著光電技術的發展，光電轉換器件代替了傳統的感光材料，目前，以CCD和CMOS為代表的新型陣列型感光器件，已實現了相機的數字化和集成化，在大部分數碼相機中經濟、簡捷的電子快門取代了傳統的機械快門或電磁快門。傳統的曝光時間測定方法已無法適應數碼相機的檢測需求，開發新的免拆卸曝光時間檢測方法成為當前檢測領域亟待解決的新問題。

中國計量科學研究院光學與激光計量科學所的王煜等人根據曝光量 （H） 、相面照度 （E） 與曝光時間 （t） 的關系，利用積分球均勻光源配合輔助快門的裝置，提出了一種間接推算法來標定數碼相機的曝光時間[2]。本文提出的數碼相機曝光時間測定方法，是通過對拍攝特定動態光源后的圖像進行量化分析，進而得到曝光時間的一種新方法。

1 測定原理及裝置簡介

眾所周知，無論是機械式快門還是電子快門，在快門開啟的瞬間，CCD傳感器會接收到入射光線，而快門關閉則光線入射停止。對于運動的物體，快門開啟瞬間，物體反射光線在傳感器上產生位移，因此會產生拖尾效應。當數碼相機拍攝旋轉點光源時，若設置點光源旋轉一周的時間大于曝光時間，則曝光時間與所得圖像中點光源軌跡存在如下關系。設點光源旋轉速度為V （°/s）,攝得圖像中影像軌跡角度為W （°） （W＜360），則曝光時間T（s） 為：

本文對數碼相機曝光時間的測定需依托自行研制的動態光源箱進行。其由光源、濾光片組、反射光路、旋轉馬達、速度監測器、數顯裝置、速度調節裝置及屏幕組成。光源出射的激光光束經過濾光片組，由反射光路送于屏幕之上；由旋轉馬達對反射光路的某一部分進行驅動，可使屏幕上的光斑做圓周運動。圖1是動態光源箱的結構示意圖。其中旋轉馬達最高轉速為6500轉/分鐘，速度監測器靈敏度為0.1轉/分鐘。

圖1 動態光源箱結構示意圖

2 實驗步驟及量化分析過程

相機設置為待測曝光時間，感光度優先采用基礎感光度，必要時可通過更換不同透過率的濾光片組控制光源亮度，實現正確曝光。過曝和欠曝的圖像不能用于本文所述的曝光時間測定。圖2所示為可接受和不可接受的拍攝圖實例。為避免鏡頭畸變對測定結果的影響，拍攝時鏡頭應避免設置于廣角端，且使光源運動軌跡的直徑小于圖像對角線的70 %。拍攝之前根據標稱曝光時間，計算光源轉速，以確保光源運動軌跡小于360°。

圖2 拍攝圖像實例（所示實例為原始圖像的截取部分且有寬高比的調整）

對所得圖像的量化分析是在圖像處理技術的基礎上，采用Visual Basic編程軟件，實現光源運動軌跡角度的測量。處理工作分四個步驟：1、圖像預處理。對圖像進行灰化，提取每個像素點的亮度信息。2、特征提取。運用canny算子進行邊緣檢測[3]，提取光源運動軌跡輪廓，如圖3所示。3、識別分析。激光點光源近似為圓形，所得運動軌跡兩端點以近似圓弧形處理。按鄧偉等人報道的方法[4]獲得端點圓弧的圓心坐標，并作為計算運動軌跡弧度的起點和終點4、計算并得到目標數據。設起終點坐標分別為和，激光光源距旋轉中心的距離為R，則運動軌跡的角度W （°） （W＜180） 由下式可得：

將（2）或（3）式帶入（1）式得到曝光時間測量結果。

3 實測數據及結果分析

運用本文所述的數碼相機曝光時間測定方法，對canon PowerShot G3數碼相機進行了一系列曝光時間測定實驗。

3.1 第一組實驗

設定不同待測快門速度檔，每檔快門在同一光源轉速下，采用連拍模式，可得到光源軌跡位于圓周不同位置時的圖像，由此計算曝光時間結果如圖4所示，相機設置見表1，為得到曝光正確的原始圖像，隨著曝光時間增長，光圈值逐漸減小。

圖3 特征提取后光源軌跡輪廓圖

表1 第一組實驗相機參數設置

圖4 第一組實驗曝光時間測定結果示意圖

由圖4可知，相同轉速下，運動光源軌跡在不同位置測得的曝光時間值穩定性良好。各檔曝光時間對應的平均值標準偏差為:(1/1000)3.9×10-5s, (1/500)2.6×10-5s, (1/250)2.7×10-5s, (1/125)0.00013 s, (1/60)0.00014, (1/30)0.00032。因此，該曝光時間測定方法中，光路設計可靠，動態光斑圓周運動穩定性高，若需得到更為準確的測量結果，可取10次測量平均值作為曝光時間最終測量結果。

3.2 第二組實驗

同一曝光時間設置下，采用不同光源轉速，所得曝光時間結果如圖5所示。相機設置以實現正確曝光為目的，曝光時間固定，隨著轉速的增快，需適當增大光圈值。由圖5可知，在不同轉速下，測得的曝光時間結果比較平穩。說明光源轉速的調整對測試結果影響較小。在低轉速光斑軌跡較短時，測試結果偏差較明顯。這主要是因為光斑軌跡在端點辨別時存在不確定度，而這種不確定度在軌跡越短時對測試結果的影響越大。因此，采用本方法測定數碼相機曝光時間時，應盡量選擇可使光斑軌跡長度適中的光源轉速。

4 小結

本文報道了一種測定數碼相機曝光時間的方法。通過對轉速可調的旋轉光源進行正確拍攝，并對產生的圖像進行量化分析，即可得到數碼相機曝光時間參數。經過實驗驗證，在同一轉速下，原始圖片光斑軌跡處于不同位置，對測試結果的影響不明顯；不同轉速下，同一曝光時間檔的測試結果存在中高速穩定、低速波動的現象，主要來自于端點判別的不確定度影響。選擇合適的光源轉速，可避免此種情況的發生。

A method for measuring exposure time of digital camera without disassembly

Wang Xiaoxiao,Tan Shan
（Guangzhou institute of measuring and testing technology,Guangdong Guangzhou,510663）

In this paper, a method for measuring the exposure time of digital camera based on dynamic light source system is discussed. The experimental results show the influence of the position and the speed adjustment of the light spot on the measurement results.

digital camera; exposure time; method for measurement

廣東省質量技術監督局科技計劃項目（2015CJ04）。 *通訊作者，E-mail: wxx55423@163.com