炫光與鬼像的成因及其面積的測試方法的研究

郭 琮 楊熙沖 陳華文 蒙智強 蘇梓銘 陳殷彬

（威凱檢測技術有限公司 廣州 510663）

引言

攝像頭作為最直觀的信息采集元器件在電子產品智能化中起到了關鍵作用。由攝像模組自身結構所導致炫光鬼像現象，會嚴重影響信息的采集。本文通過介紹攝像模組的結構，并在實驗室中模擬炫光鬼像的形成條件，分析炫光鬼像的成因，使用MATLAB軟件分析攝像模組在實驗室中拍攝的圖片，得到一種炫光鬼像面積的測量方式。

1 攝像模組的組成

1.1 攝像模組的結構

景物通過鏡頭生成光學圖像投影到感光傳感器上轉化為電信號，經過 A/D轉化后變為數字圖像信號，通過圖像進行加工處理，轉化為顯示設備能處理的數字信號，通過顯示屏呈現出來[1]，其結構如圖1所示。

圖1 攝像模組結構

1.2 鏡頭

鏡頭一般是由多個透鏡組成，透鏡的材料通常是玻璃或塑膠。大多數鏡頭都會采用多片透鏡組（通常2～6片）的方式來設計，如圖2所示。在成像中不同透鏡有著不同的作用，如雙凸透鏡可以減小畸變，彎月透鏡可以消除色差，透鏡數量的增加從一定程度上可以提升圖像質量。但是隨著透鏡數量的增加，光線在透鏡之間的反射次數也會隨之增加，這就會導致有大量的炫光和鬼像出現，反而對成像造成影響。

圖2 鏡頭的組成

2 模擬炫光鬼像的形成

本文參考業內通用的測試方法，制造能夠產生炫光與鬼像的測試環境，選擇更容易產生炫光鬼像的車載攝像頭進行測試。

2.1 炫光模擬實驗

2.1.1 實驗設備

在炫光的模擬中，使用亮度為（5～10）Mcd/m2的光源并且光源在視場中占（30～34）arcmin（弧分）。

2.1.2 實驗環境布置

炫光的模擬實驗全程需要光照度不得大于2lux的標準暗室下進行。光源面對DUT。結合DUT的焦距以及光源在視場中所占弧分，確定光源的通光孔徑以及光源與DUT的距離。經計算，在本次實驗中光源與DUT的距離為76.8 cm，如圖3所示。

圖3 實驗室模擬示意圖

2.1.3 實驗步驟

保證光源在DUT視場內，不斷調整光源的入射角度，使成像圖像中光斑的面積最大。通過分析程序，計算信號強度大于圖像中最大強度50 %的區域所占面積，并計算該區域與整個圖像面積的比值。

2.1.4 實驗結果

由圖4可知，在實驗室環境下鏡頭產生了紅色炫光，嚴重影響了成像。

圖4 炫光實驗結果

圖5 轉臺轉動角度示意圖

2.2 鬼像模擬實驗

2.2.1 實驗設備

點光源功率為1 W、色溫為6 000 K、發光角度為（110±10）°（半光強），照度為（220±22）Lux，在暗箱（室）中進行測試。

2.2.2 試驗環境布置

鬼像的模擬在暗室中進行，暗室在沒有光源的條件下照度不得大于2 lux。光源面對車載攝像頭如圖3所示。DUT鏡頭到光源的距離為（400±10）mm

2.2.3 實驗步驟

將DUT在水平方向順時針旋轉，旋轉中心為鏡頭的幾何中心，每次旋轉后的圖像之間相隔10 %的水平視場，直到光源超出水平視場40 %區域為止，并保存各視場圖像；新安置DUT正對光源，在水平方向按逆時針方向旋轉，圖像之間相隔10 %的水平視場，直到光源超出水平視場40 %區域為止，并保存各視場圖像；統計分析和計算各視場圖像中的鬼像的面積占比和亮度比值。

2.2.4 實驗結果

結合圖6～8可知，在實驗室環境下不同位置上鏡頭產生不同的鬼像，對成像造成影響。

圖6 位置1拍攝畫面

3 炫光與鬼像成因

3.1 炫光的成因

結合鏡筒的結構與實驗室的結果可知，當光線射入鏡頭會在鏡頭表面產生反射現象，進入鏡筒的光線也會在鏡筒內壁產生反射從而引起了炫光，導致圖像對比度降低的現象。需要注意的是，攝像模組是否對焦也會影響炫光的大小。如攝像模組沒有對焦，成像畫面中的炫光會變大。這種現象不是由于攝像模組的結構設計導致，而是因為模糊所導致的。所以在進行實驗之前要把攝像模組設置為自動或手動對焦，排除因對焦而產生的炫光變大現象。

3.2 鬼像的成因

由于光線照射在鏡片上時，光線通過每一層透鏡時都會產生一次折射，并且光線會在鏡面與鏡筒內部重復反射，反射光再成像[2]，產生局部遮蓋的現象。通過實驗室的模擬可以驗證鬼像的成因，即由于光線在透鏡之間疊加而引起的影響成像的現象。

圖6為光源正對攝像模組，圖7光源與攝像模組成10 %視場角，圖8光源與攝像模組成20 %視場角。通過對比可以得出當光源直射攝像模組時鬼像并不明顯對成像的影響可以忽略，轉動攝像模組，光源與攝像模組呈一定角度時，才會產生較為清晰的鬼像，且隨著光源與攝像模組之間的角度的變化，鬼像的位置、大小以及亮度也會隨之改變。需要注意的是，在光源與攝像模組之間夾角的角度較小時，鬼像和炫光會有部分的重合，導致在成像畫面中附加像的亮度為炫光亮度與鬼像亮度的疊加，不是其真實的亮度，因此在分析鬼像與成像畫面面積占比時，數值會有一定的偏差。實驗室給出的解決方法為以光源中心為圓心，鬼像所在位置與圓心德距離為半徑畫圓，分析圓上其他位置炫光的亮度，附加像的亮度與炫光亮度之差即為所求鬼像的亮度。

圖7 位置2拍攝畫面

圖8 位置3拍攝畫面

4 炫光面積和鬼像面積測試的MATLAB程序

依據在實驗室中模擬得到的圖像結果，本文提出一種炫光、鬼像與成像畫面面積占比的分析程序。工程師在該程序中可以自由的選擇感興趣的區域，通過圖像二值化與矩陣運算的方式，把圖像轉化為數字矩陣，通過數學計算，得到該區域的亮度值。并在整個畫面內檢索最亮點，獲取最亮點亮度值，對感興趣區域的炫光、鬼像面積比進行計算。得到工程師想要的數據。該算法的精度為像素級別，誤差非常小，可以有效的對炫光與鬼像在成像畫面中的面積占比進行計算。不僅可以幫助工程師了解產品的質量情況，還可以幫助制造商把控產品質量。

測試程序中數值可以根據不同產品的需求進行調整，本程序中的參數適用于車載攝像頭。

以下為測試程序的代碼。

Algorithm 1：interested area select Data: picture under test p,The number of points that make up area k,the first point of the area c1,the cursor X coordinate x,cursor Y coordinate y,the cursor X coordinate of the first point of the area x1,the cursor Y coordinate of the first point of the area y1,Result: the picture which select the interested area S1 1 in: p 2 P1←rgb2gray(p);3 k←2;4 in: first position of cursor 5 While c==1 do 6 if c1==1 then 7 m(k)←x1;8 n(k)←x1;9 line([m(k-1) m(k)],[n(k-1) n(k)]);10 k=k+1;11 c=c1;

算法1：鬼像和炫光的區域選擇。

Algorithm 2： glare area test Data: the picture which select the interested area S1，the horizontal pixels number of p a,the vertical pixels number of p b,Number of pixels with peak brightness ratio greater than 50% c1,Result: the area ratio with peak brightness ratio greater than 50% r1 1 in：S1 2 S1←rgb2gray(S1);3 M←max(max(S1));4 c1←0;5 for i← 1 to a do 6 for j← 1 to b do 7 if S1(i,j) ＞=0.5*M 8 c1←c1+1;9 end 10 end 11 end 12 t←a*b;13 r1←(c1/t)*100;

算法2：炫光亮度大于圖片最大亮度的50 %的面積占比r1。

Algorithm 3： ghost area test

Data: the picture which select the interested area S1，the horizontal pixels number of p a,the vertical pixels number of p b,Number of pixels with peak brightness ratio greater than 50% c1,Number of pixels with peak brightness ratio between 30%-50% c2,

Result: the area ratio with peak brightness ratio greater than 50% r1，the area ratio with peak brightness ratio between 30%-50% r2 1 in：S1 2 S1←rgb2gray(S1);3 M←max(max(S1));4 c1←0;5 c2←0;6 for i← 1 to a do 7 for j← 1 to b do 8 if S1(i,j) ＞=0.5*M 9 c1←c1+1;10 elseif S1(i,j)＜0.5*M &&S1(i,j)＞0.3*M;11 c2←c2+1;12 end 13 end 14 end 15 t←a*b;16 r1←(c1/t)*100;17 r2←(c2/t)*100;

算法3鬼像峰值亮度比大于50 %的面積占比r1，鬼像峰值亮度比在（30～50）%之間的面積占比r2。