傳輸型CCD相機成像分辨率自動測試研究

目前傳輸型CCD相機已取代傳統(tǒng)膠片相機成為主流攝影設(shè)備，然而各生產(chǎn)廠家對相機成像分辨率這一核心指標(biāo)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(tǒng)一的測量結(jié)果，從而影響了測試精度。

對于CCD相機，可利用其對特定目標(biāo)生成的數(shù)字影像，通過實施高效的數(shù)據(jù)分析處理技術(shù)，自動實現(xiàn)對相機分辨率量化測試，從而客觀判定相機成像質(zhì)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(xué)系統(tǒng)、CCD器件及相應(yīng)電路處理系統(tǒng)等。其中光學(xué)系統(tǒng)可利用干涉檢測法或傳遞函數(shù)等對其像質(zhì)進行測試，從而客觀地獲取相應(yīng)的分辨率量化結(jié)果；CCD器件本身的理論極限分辨率可以根據(jù)其像元尺寸直接計算求得；對于電路處理系統(tǒng)，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：

式中：N光為光學(xué)系統(tǒng)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(tǒng)控制誤差以及依靠人工判讀測試帶來的主觀不確定性，經(jīng)常難以準(zhǔn)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(biāo)實施精確量化測試，從而客觀綜合反映CCD相機整機成像質(zhì)量。

為此，本文提出基于光柵目標(biāo)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(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)傳遞函數(shù)測試原理，按照正弦級數(shù)展開的定義，將矩形分布函數(shù)展開成不同頻率正弦分布的疊加，則對比度傳遞函數(shù)可表示為：

由于光電探測器將光通量轉(zhuǎn)換為電信號，利用電子學(xué)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(shù)關(guān)系式變?yōu)椋?

M和M0分別為輸出對比度(又稱調(diào)制度)和輸入對比度。設(shè)目標(biāo)影像最大光強為Imax，最小光強為Imin，則對比度定義為：

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

在實驗室條件下，所采用的靶標(biāo)為高對比度，可定義相應(yīng)的M0=1。這樣對CCD相機整機分辨率的測量原理轉(zhuǎn)化為，對分辨率靶標(biāo)光柵圖案影像進行對比度分析計算，通過與確認(rèn)的最小可分辨基準(zhǔn)閾值進行比較，從而自動確定相機達到的分辨級別，經(jīng)系統(tǒng)換算快速得出分辨率量化結(jié)果。

2 測試系統(tǒng)組成及測試過程

CCD相機分辨率測試系統(tǒng)組成如圖1所示，主要包括標(biāo)準(zhǔn)光源、光柵靶標(biāo)、平行光管、圖像采集卡、圖像存儲器、工控機以及數(shù)據(jù)分析處理軟件。

系統(tǒng)測試前要確認(rèn)各設(shè)備的初始位置，靶標(biāo)要準(zhǔn)確標(biāo)定在平行光管的焦面處，平行光管的出口對應(yīng)到相機入口處，平行光管的光軸與相機光學(xué)系統(tǒng)的光軸要共軸，同時要保證CCD像元與靶標(biāo)條紋的中心線對準(zhǔn)。

測試時，開啟積分球，使其均勻照亮矩形光柵靶標(biāo)，啟動相機拍照，靶標(biāo)經(jīng)平行光管與相機光學(xué)系統(tǒng)成像在焦面CCD上，使光信號轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)圖像采集卡實時采集生成的圖像數(shù)據(jù)流，在工控機的控制下按相應(yīng)格式存入圖像存儲器。圖像數(shù)據(jù)綜合分析處理軟件，可以直接顯示數(shù)據(jù)格式圖像，還可以對整個影像或選取局部區(qū)域進行放大、縮小顯示，更主要的是可實現(xiàn)對隨意選取的圖像目標(biāo)影像區(qū)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(zhǔn)。目前常用的分辨率判據(jù)主要包括瑞利判據(jù)和道斯判據(jù)，根據(jù)瑞利判據(jù)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(jù)，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(jù)，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(shù)十張經(jīng)判讀專家審查達到某一分辨率水平的圖像數(shù)據(jù)。通過對所獲取的圖像數(shù)據(jù)進行對比度計算分析，表明按照瑞利判據(jù)判定相機極限分辨率的條件過于寬松，而依據(jù)道斯判據(jù)又過于嚴(yán)格，經(jīng)過平均考慮對比度測試結(jié)果，最后以5%作為實際可行的極限分辨的基準(zhǔn)對比度。