肖恒兵

(華中光電技術(shù)研究所—武漢光電國家實驗室，湖北武漢430223)

0 引言

電視攝像機是光電成像系統(tǒng)中的關(guān)鍵傳感器之一，在光電取證、監(jiān)視跟蹤、航天航空拍攝等諸多應(yīng)用領(lǐng)域，對電視攝像機的主要光電參數(shù)的準確標定是非常重要的，其成像質(zhì)量對于整個光電系統(tǒng)的特性指標有著決定性的影響［1-2］。

電視攝像機需要評價的主要光電參數(shù)有兩部分［3-4］，一是其采用的探測器即CCD 的感光性能參數(shù)，包括響應(yīng)度、信噪比、靈敏度(最低照度或閾值照度)、動態(tài)范圍;二是電視單機(含成像鏡頭)的成像質(zhì)量包括分辨力、對比度和畸變。

電視攝像機的專業(yè)生產(chǎn)廠家(如敏通公司)一般都投入昂貴的經(jīng)費建立了CCD 器件及電視單機的綜合參數(shù)測試系統(tǒng)，國外有一些天文臺自主開發(fā)了精確測量電視攝像機參數(shù)的測試系統(tǒng)，如法國航天局Corot CCD Test System，南部歐洲天文臺的ESO CCD Testbench，這些設(shè)備的精度都非常高，對光信號的檢測都可按量子效率來計算。國內(nèi)也有研究機構(gòu)設(shè)計出CCD 光電參數(shù)測試系統(tǒng)，可以檢測電視攝像機的光譜響應(yīng)參數(shù)［5］。

作為電視攝像機的用戶來說，沒有必要像專業(yè)廠家那樣投入昂貴費用建立高精度的測試系統(tǒng)，但充分利用計算機技術(shù)和視頻圖像處理技術(shù)自行開發(fā)設(shè)計和搭建性價比高的綜合測試系統(tǒng)也是可行的。本文介紹一種基于視頻信號處理的電視攝像機主要光電參數(shù)綜合檢測裝置的設(shè)計和實施方案。采用特定的各類測試目標對攝像機成像，視頻圖像被高精度數(shù)字圖像采集卡捕獲并將數(shù)據(jù)傳送給計算機，再通過數(shù)字圖像處理軟件自動計算，可實現(xiàn)上述參數(shù)的準確測試。

1 測量原理

電視攝像機主要由CCD、驅(qū)動電路、信號處理電路、電子接口電路、光學機械接口等構(gòu)成。在實際應(yīng)用中，被檢測對象的空間光強信息經(jīng)過光學鏡頭成像于CCD 的光敏面上，通過一系列的預處理，而后進行視頻信號的合成，即將CCD 所輸出的電信號轉(zhuǎn)換為所需要的視頻格式(標準CCIR，EIA，PAL，NTSC 制式)輸出［6］。對于大多數(shù)使用者來說，所要測試的是CCD 攝像機的參數(shù)而非CCD 器件的參數(shù)。因此可以把CCD 攝像機假想為一黑盒子，輸出信號就是標準的視頻信號，則CCD 攝像機的各項參數(shù)的測量可轉(zhuǎn)化為標準視頻信號參數(shù)的測量?？紤]到現(xiàn)今應(yīng)用中大多數(shù)要求較高的場合都采用數(shù)字圖像處理，模擬攝像機也是經(jīng)過圖像采集卡采集后輸入計算機系統(tǒng)處理，因此可以利用采集后的數(shù)字圖像來分析測量感光性能參數(shù)和成像質(zhì)量參數(shù)。

1.1 感光參數(shù)

圖1 是CCD 感光參數(shù)測量原理圖，積分球通過計算機控制集成光源的發(fā)光強度來連續(xù)改變輸出光亮度，在出口處形成均勻朗伯面，照度變化范圍可調(diào)，應(yīng)事先對CCD 感光面處積分球光源輸出的光照度進行標定。CCD 輸出的信號通過圖像卡送入計算機進行處理，通過圖像采集卡來測量CCD 各光敏元的電壓值(或灰度值)，這樣感光曲線轉(zhuǎn)換為CCD 靶面光照度與采集卡所采圖像的灰度積之間的關(guān)系，如圖2所示。

圖1 CCD 感光性能測量裝置原理圖

圖2 CCD 感光特性響應(yīng)曲線

1)響應(yīng)度

CCD 攝像機響應(yīng)度又稱線性系數(shù)，是指在CCD 攝像機感光曲線線性最好部分的灰度對于照度的響應(yīng)。從圖2 可看出CCD 攝像機飽和輸出以下的信號接近線性。而在照度較低時非線性相對嚴重。針對信號特點，采取固定終點值、縮變起點值的方法來搜索線性最好的部分。利用最小二乘法y=kx +b 擬和數(shù)據(jù)。其中y代表灰度值，x 代表照度值，k 代表線性系數(shù)。找出擬和誤差最小的數(shù)據(jù)部分，相應(yīng)的k 值即線性系數(shù)。

2)信噪比

信噪比是影響攝像機成像質(zhì)量和最終觀察距離的主要參數(shù)之一，一般要求信噪比越高越好。本系統(tǒng)中對CCD 攝像機信噪比的詳細測量原理見文獻［7］，本文不再累述。

3)靈敏度

CCD 攝像機靈敏度又稱最低照度或閾值照度，它表示當環(huán)境光照度降低到一定程度，而使CCD 攝像機所輸出的視頻信號電平低到某一規(guī)定值時，所對應(yīng)的環(huán)境照度。在提供相機最低照度的同時，應(yīng)表明測試時所使用鏡頭的相對孔徑［8］。最低照度值的測量可以通過搜尋感光曲線中的暗信號灰度值所對應(yīng)的最大的照度值得到。

4)動態(tài)范圍

動態(tài)范圍表征了攝像機對環(huán)境和目標照度的工作范圍，對于某些全天候工作的攝像機來說，在夜間和正午陽光下也能正常工作，這就要求其動態(tài)范圍足夠大。只要是采集卡的動態(tài)范圍能夠大于攝像機本身視頻信號的動態(tài)范圍，就可以真實地測試視頻信號的動態(tài)范圍。提取感光曲線中飽和照度值與暗電流照度值作為CCD 攝像機的感光動態(tài)范圍。用飽和灰度值Graymax與暗電流灰度值Graynoise的比值作為CCD 攝像機的輸出動態(tài)范圍，見公式(1)。

1.2 成像質(zhì)量參數(shù)

分辨力、對比度和畸變指標均是針對電視圖像而言，是評價成像質(zhì)量的最重要的三個參數(shù)。

1)電視圖像分辨力

電視圖像分辨力有時也稱清晰度，對CCD 攝像機來說，有垂直方向的清晰度和水平方向的清晰度，兩者的比值可稱為清晰度比。由于垂直清晰度是固定的，所以攝像機的清晰度主要指水平清晰度。

水平清晰度定義為:當用與畫面高度相等且黑白相間的垂直平行線作被攝物時，在水平方向上所能夠再現(xiàn)的線數(shù)，單位是“電視行(TVL)”，也稱作“線”。黑白條圖形都是一定頻率的方波信號，所以根據(jù)行掃描速度和傳送帶寬也可確定水平清晰度的值。

水平清晰度用RH 表示，如果一條掃描線上能夠再現(xiàn)m 個像素，則水平清晰度可表示為

式中:m 為水平方向的像素數(shù);V 是畫面的垂直高度;H 為水平長度。

2)電視圖像對比度

電視圖像對比度通常用來表示一幅圖像中目標與背景的黑白程度或灰度等級差，有時也用目標與背景的亮度比來表示。它是與清晰度相關(guān)聯(lián)的參數(shù)，一般來說對比度越高，圖像越清晰［10］。

其定義公式為

式中:Ⅰo是被測目標物的亮度;Ⅰb是目標物背景亮度;C 為目標對比度。

3)電視圖像畸變

電視圖像畸變可由畫面的垂直幅度的百分數(shù)來表示，有

式中:r 為不計歪曲像差時，以光軸為中心的像長度;Δr 是由像差引起的像長度的變化。

2 測試系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件組成與功能

設(shè)計一種基于目標發(fā)生器和視頻圖像處理的模塊化、集成化的綜合測量系統(tǒng)，其主要組成有目標發(fā)生器、控制器、數(shù)據(jù)采集器、圖像采集卡、PC 機及被測CCD 攝像機等，如圖3所示。

目標發(fā)生器主要提供待測參數(shù)所需的三類特定光源及目標圖案，一是可見均勻積分球照度發(fā)生器，為感光參數(shù)提供足夠大的面光源并能保證均勻性;二是標準測試燈光盒前加裝視頻綜合測試卡，為電視對比度和分辨力測量提供所需目標;三是畸變測試儀，主要由畸變測試卡與大視場平行光管組成，提供畸變測試所需的標準格子目標。

控制器有兩種，一是鏡頭控制器，調(diào)整成像時光圈、焦距、像面清晰度等;二是積分球光源控制器，調(diào)節(jié)均勻面源按所需照度進行改變。

圖3 綜合測試系統(tǒng)組成原理框圖

數(shù)據(jù)采集器主要是即時采集積分球的輸出光強度并送計算機進行處理和顯示。

圖像采集卡是本系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，CCD 攝像機針對各特定目標的成像輸出，均可通過圖像采集卡送給計算機，對采集的數(shù)字圖像進行實時處理與分析計算，求得所需參數(shù)。

2.2 軟件組成及功能

測量系統(tǒng)軟件主要由光源驅(qū)動程序、數(shù)據(jù)采集器驅(qū)動程序、圖像采集卡驅(qū)動程序、串口驅(qū)動程序以及數(shù)據(jù)處理與顯示程序構(gòu)成，其系統(tǒng)總體框圖如圖4所示。

圖4 軟件系統(tǒng)組成框圖

軟件主要功能有:

1)實現(xiàn)積分球光源輸出光亮度的自動調(diào)節(jié)與顯示。

2)實現(xiàn)視頻信號的實時采集與分析，提供圖像各像元的灰度值與位置值。

3)實現(xiàn)CCD 感光特性測量，完成①線性響應(yīng)度測量，繪制曝光量-信號響應(yīng)曲線，并提供飽和曝光量照度值、飽和輸出信號灰度值及暗信號灰度值;②信噪比測量;③靈敏度(最低照度)測量;④動態(tài)范圍測量。

4)實現(xiàn)電視清晰度、對比度和畸變測量。

3 實測

以松下BP332e 一體化攝像機為例，在本裝置上進行了主要參數(shù)的檢測。標稱參數(shù)為:

1/3″CCD

768(H)×576(V)像素

清晰度:570 TVL

信噪比:50 dB(AGC OFF)

最低照度:0.08 lx(F1.4)

動態(tài)范圍:20 dB

鏡頭:精工ST16160M

對鏡頭畸變和對比度范圍未見說明。

關(guān)于CCD 感光特性特別是信噪比測量裝置的測量過程和方法在文獻［7］中有詳細介紹，在本裝置上對該攝像機的感光參數(shù)測量重復了6 次來檢測重復精度，得到與圖2 一樣的6 條測試曲線，計算結(jié)果見表1。由表1 可看出本系統(tǒng)的測量重復性較好，信噪比測試結(jié)果略小于標稱值是因為信號傳輸線損等因素的影響。

表1 CCD 感光參數(shù)重復性測試數(shù)據(jù)表

成像質(zhì)量參數(shù)的檢測過程如下:

1)清晰度與對比度

在本組件中采用了VIDEOTEST VT-51 型標準色溫光源箱，其色溫為5100 K(±200 K)，是進行視頻測試的標準色溫;視頻綜合測試卡采用VT-105 清晰度標準測試圖板，詳見圖5所示。

用CCD 攝像機拍攝標準視頻信號綜合測試卡，測試卡置于標準測試燈光盒上均勻照亮，距攝像機約3 m處。視頻信號通過75 Ω 視頻電纜送給圖像采集卡來讀取數(shù)據(jù)，同時用黑白監(jiān)視器觀察所拍攝的圖像。

圖5 視頻綜合測試卡圖案

對景物照度和光源色溫進行設(shè)定，調(diào)節(jié)鏡頭焦距(或前后微移攝像機)使測試卡的圖像充滿監(jiān)視器的屏幕，并通過精確對焦使圖像最清晰。

通過圖像采集卡專用軟件來讀取圖形數(shù)據(jù)。①搜索電視線所在的某行，當顯示波形的波峰波谷之間差距縮小到一個極限值，幾乎難以分辨出波峰波谷時，即可得到攝像機的分辨力;②選取對比度目標所在的區(qū)域，可得到某級對比度目標的灰度值，通過公式(3)即可計算出對比度。

本次測量圖中，500 TVL 人眼可清晰分辨，550 TVL 人眼已分辨不清，但通過波形監(jiān)視器搜索可分辨出，因此可明確判斷該攝像機分辨力優(yōu)于550 TVL，與標稱值非常接近。十級灰階測試圖見圖6，十級灰階目標的對比度測量值如表2所示(背景的灰度值為219.8)。

圖6 十級灰階測試圖

表2 十級灰階目標對比度測量值

2)畸變

在測量電視圖像畸變時，首先對畸變測試卡攝像，在控制機械的監(jiān)視器上顯示其圖像。為了使形成的圖像位置有一個基準，需在電視圖像上重疊一個由標準視頻信號發(fā)生器產(chǎn)生的測試格子圖形，并由方格的交叉點和測試卡交叉點的位置關(guān)系，使用opencv 的標定函數(shù)利用Brown 算法，計算出畸變的百分比。其中，變焦倍數(shù):6 倍;廣角焦距:16 mm;廣角端畸變:2.58%;長焦端畸變:0.329%?；儨y試卡和信號發(fā)生器產(chǎn)生的格子信號如圖7、圖8所示。其軟件流程圖如圖9所示。

圖7 畸變測試卡

圖8 信號發(fā)生器格子信號

圖9 畸變測試流程圖

4 結(jié)論

本文主要針對軍用光電設(shè)備中使用的電視攝像機的檢測需要，設(shè)計了一種綜合性、一體化檢測平臺，對電視傳感器的驗收由以往的人眼觀測、功能測試提升為計算機圖像處理自動測試主要光電參數(shù)和成像質(zhì)量參數(shù)，實際測量結(jié)果滿足使用要求，有較高的重復性。此系統(tǒng)已應(yīng)用于某科研院所和修理廠作為對光電裝備的專用調(diào)試檢測設(shè)備。

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