王婷婷，許毅，李嘉

（上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，上海 201114）

引言

安防類攝像頭被廣泛使用于各類公共和私人場(chǎng)所，其成像性能好壞至關(guān)重要。然而此類系統(tǒng)因長期高負(fù)荷上線使用，成像質(zhì)量必然會(huì)隨上線時(shí)間增長而下降。且部分設(shè)備存在惡劣環(huán)境下長期使用的情況。外界環(huán)境的長期老化效應(yīng)會(huì)使其產(chǎn)生一定的圖像質(zhì)量偏差。另一方面，該類測(cè)試設(shè)備使用的環(huán)境光照條件差異較大，導(dǎo)致攝像頭拍攝照片圖像質(zhì)量[1-6]差距較大。

目前，針對(duì)攝像機(jī)成像質(zhì)量的測(cè)試一般有兩種方法。一種是對(duì)攝像產(chǎn)品電信號(hào)的分析[7-9]。在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下，通過對(duì)其信號(hào)頻率、電平等電信號(hào)的分析得到其圖像質(zhì)量。該方法未完整考慮系統(tǒng)整體的影響，重點(diǎn)考察了系統(tǒng)內(nèi)部光電轉(zhuǎn)換元件（如CCD、CMOS）的質(zhì)量，而未考察如鏡頭、外殼等其他關(guān)鍵零部件對(duì)系統(tǒng)整體成像質(zhì)量的影響。另一種是對(duì)獲得圖像質(zhì)量的光學(xué)分析[10-11]。在特定模式下拍攝一段視頻。視頻內(nèi)容為穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)視頻。從該段視頻中截取單幀圖像。通過軟件對(duì)單幀靜態(tài)圖像的開展光學(xué)性能分析，從而綜合評(píng)估視頻質(zhì)量。上面兩種方法均能反映在特定實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的產(chǎn)品光學(xué)性能表現(xiàn)。但存在兩大問題。①未考慮強(qiáng)光、弱光、帶光學(xué)補(bǔ)償?shù)葟?fù)雜光照環(huán)境對(duì)產(chǎn)品成像質(zhì)量的影響。②未考慮惡劣使用環(huán)境對(duì)產(chǎn)品成像質(zhì)量的影響。

本文基于這種研究現(xiàn)狀，聚焦圖像質(zhì)量的灰階值，分析了氣體腐蝕測(cè)試[12]前后典型光學(xué)成像系統(tǒng)的成像質(zhì)量。同時(shí)考慮不同的光照條件對(duì)灰階測(cè)試的影響。在分析方法上， 使用了透射式標(biāo)板法和反射式標(biāo)板法兩種測(cè)試方法進(jìn)行了灰階值分析。且對(duì)兩種測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比研究。

1 測(cè)試流程確定

本文主要不同光照條件下，氣體腐蝕測(cè)試前后攝像系統(tǒng)灰階值的變化?；译A測(cè)試采用透射式和反射式兩種標(biāo)板，并評(píng)估了兩種方法的結(jié)果自洽性。

1.1 灰階測(cè)試

灰階為光學(xué)成像系統(tǒng)對(duì)不同光譜特性或等效光譜特性灰度的分辨能力，是光學(xué)成像系統(tǒng)成像質(zhì)量的重要指標(biāo)。因其包含信息較少，相比顏色參數(shù)而言更容易分析。該參數(shù)是最早被用于成像質(zhì)量分析的參數(shù)之一?；译A測(cè)試需在暗室中進(jìn)行，暗室內(nèi)雜散光照度小于1lx。環(huán)境溫度：（15～25）℃；相對(duì)濕度：（25～75）%；大氣壓力：（86～ 106）kPa。

為考察不同光照條件下攝像機(jī)的灰階分辨能力，使用三種實(shí)驗(yàn)室模擬環(huán)境，分別模擬白天，傍晚和夜晚拍攝環(huán)境。夜晚環(huán)境測(cè)試時(shí)，攝像產(chǎn)品會(huì)進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)光。如攝像頭未自帶燈光/紅外照明，則無需進(jìn)行項(xiàng)目3測(cè)試。具體見表1。

表1 典型測(cè)試條件表

為更好的模擬實(shí)際情況，均選取具備防塵防水功能的戶外用攝像頭產(chǎn)品作為測(cè)試樣品。設(shè)定最高分辨，白平衡、感光度為自動(dòng)。其他參數(shù)設(shè)置按出廠/初始設(shè)置進(jìn)行設(shè)定。將攝像頭固定在合適的位置上，使鏡頭光軸和灰度標(biāo)尺圖垂直，標(biāo)準(zhǔn)圖卡位于拍攝畫面的中心位置并保證標(biāo)準(zhǔn)圖卡畫面占整個(gè)畫面的80 %以上。所用光源箱的面光源的四角與中心的亮度均勻性不低于95 %。在各種典型光源環(huán)境下各拍攝10 s視頻并保存。視頻拍攝完成后，以隨機(jī)抽取方式抽取單幀圖像10幀進(jìn)行光學(xué)分析。

測(cè)試使用了兩種測(cè)試圖卡，分別為透射式測(cè)試圖卡和反射式測(cè)試圖卡。使用工具軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，可分別得到兩種圖卡下的G和L值。

1.2 環(huán)境測(cè)試選擇

根據(jù)GB/T 2423系列，IEC 60068-2系列，GB 4208-2008等環(huán)境測(cè)試方法要求，模擬戶外攝像頭產(chǎn)品在使用時(shí)可能會(huì)經(jīng)歷的如高低溫沖擊、鹽霧、氣體腐蝕、紫外暴露等在內(nèi)的多種嚴(yán)酷老化試驗(yàn)。通過對(duì)20個(gè)型號(hào)200個(gè)樣品的多種環(huán)境試驗(yàn)前后樣品光學(xué)性能參數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，氣體腐蝕測(cè)試對(duì)戶外攝像頭的光學(xué)性能退化影響較大。其也是安防類產(chǎn)品重點(diǎn)考察的一個(gè)老化測(cè)試項(xiàng)目。本文主要聚焦于研究氣體腐蝕測(cè)試對(duì)產(chǎn)品光學(xué)性能的影響。本次測(cè)試為不通電狀態(tài)下的環(huán)境模擬。按IEC 60068-2-60-2015方法4開展氣體腐蝕測(cè)試，試驗(yàn)周期為 63天。

2 測(cè)試結(jié)果分析

本章節(jié)將對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析。環(huán)境測(cè)試前后，按表1要求開展三種環(huán)境模式下攝像機(jī)樣品拍攝視頻的獲取。隨機(jī)抓取視頻的單幀圖像，進(jìn)行灰階測(cè)試的分析?；译A測(cè)試共有兩種測(cè)試方案：透射式標(biāo)板法和反射式標(biāo)板法。下面對(duì)兩種測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析。

2.1 透射式標(biāo)板分析

使用標(biāo)準(zhǔn)光源箱，將標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試板緊貼固定于光源箱投光處。攝像機(jī)對(duì)準(zhǔn)測(cè)試板進(jìn)行拍攝，將測(cè)試板充滿液晶取景器的整個(gè)畫面。拍攝完成后，于工具軟件中在各段中央部位選擇6 464像素的面積測(cè)試其G值。圖1為環(huán)境測(cè)試前使用透射式標(biāo)板時(shí)灰階測(cè)試視頻的單幀圖像，從圖中可以直觀看出不同光照環(huán)境對(duì)灰階測(cè)試有一定影響。

圖1 環(huán)境測(cè)試前不同光照條件下透射式標(biāo)板灰階測(cè)試實(shí)拍圖

本次共測(cè)試11個(gè)位置點(diǎn)的G值，分別為Gi，其中i=1，2…11?？疾煜噜弮蓚€(gè)位置點(diǎn)G值的差值，并求其差值平方的和，計(jì)為M，該M值可有效評(píng)估相鄰位置點(diǎn)的差異情況。M值越大，說明圖像的灰階分辨能力越好。

環(huán)境測(cè)試前后不同光照條件下灰階值的G值見表2和表3，M值見圖3。

從表2，表3，圖2可知，光照條件越好，M值越大，圖像的灰階分辨率越高。經(jīng)過氣體腐蝕測(cè)試后，各光照條件下的M值均減小，灰階分辨能力變差。光源條件越差，灰階分辨能力下降越明顯。在光照條件3下， M′值下降嚴(yán)重，已不能滿足清晰分辨的要求。光照條件對(duì)灰階測(cè)試的影響很大。

圖2 不同光照條件下的環(huán)境測(cè)試前后的M值

表2 環(huán)境測(cè)試前不同光照條件下的G值

表3 環(huán)境測(cè)試后不同光照條件下的G值

2.2 反射式標(biāo)板分析

圖3為使用反射式標(biāo)板前灰階測(cè)試視頻的單幀圖像，從圖中可以直觀看出不同光照環(huán)境對(duì)反射式灰階測(cè)試有一定影響。

圖3 不同光照條件下反射式標(biāo)板灰階測(cè)試實(shí)拍圖

反射式標(biāo)板灰階測(cè)試即為動(dòng)態(tài)范圍測(cè)試。對(duì)反射式灰階測(cè)試圖卡進(jìn)行拍攝，拍攝后取單幀圖像進(jìn)行分析。在每個(gè)灰度條中截取面積不小于30 %的灰度塊，讀出所截取的每個(gè)灰度塊的灰度值。根據(jù)公式或軟件分析計(jì)算，可以判斷從黑到白可分辨的灰階的級(jí)數(shù)，用L值表示。圖4和圖5分別為環(huán)境測(cè)試前后L值分析圖。表4為環(huán)境測(cè)試前后獲得圖像的灰階值L。同時(shí)，分析灰階測(cè)試的對(duì)比度，對(duì)比度為（最高亮度-最低亮度）/255，環(huán)境測(cè)試前后不同光源條件下圖像的對(duì)比度見表5。一般而言，我們要求獲得圖像的對(duì)比度大于80 %。從表4，表5和圖4，圖5中可以看出，在弱光條件下，圖像的分辨率和對(duì)比度較差，不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表4 環(huán)境測(cè)試前后不同光照條件下的灰階分辨率L

表5 環(huán)境測(cè)試前后不同光照條件下的對(duì)比度R

圖4 環(huán)境測(cè)試前L值分析圖

圖5 環(huán)境測(cè)試后L值分析圖

從上面的分析可知，不管是使用透射式標(biāo)板還是反射式標(biāo)板測(cè)試，均可發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過一定強(qiáng)度的氣體腐蝕試驗(yàn)后，圖像的灰階分辨能力下降，圖像質(zhì)量下降。另外，良好的光照條件對(duì)良好圖像質(zhì)量的獲得非常重要，良好的光照條件可有效提高圖像質(zhì)量。弱光條件對(duì)灰階測(cè)試影響較大，在黑暗條件下，樣品的灰階測(cè)試分辨率一般不能滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 總結(jié)

本文分析了氣體腐蝕測(cè)試前后典型光學(xué)成像系統(tǒng)的成像質(zhì)量。研究在不同光照條件下光學(xué)圖像的灰階值在環(huán)境試驗(yàn)前后的變化。采用了透射式和反射式兩種不同的灰階標(biāo)板進(jìn)行評(píng)價(jià)，全面分析在特定光學(xué)環(huán)境下（強(qiáng)光、弱光、帶光學(xué)補(bǔ)償）氣體腐蝕測(cè)試對(duì)其灰階值的影響。研究發(fā)現(xiàn)，兩種評(píng)價(jià)方法很好自洽。在實(shí)施了氣體腐蝕試驗(yàn)后，光學(xué)圖像的灰階分辨能力變差。光線對(duì)灰階測(cè)試影響很大。弱光條件下，灰階值明顯降低。后續(xù)，我們將進(jìn)一步研究其他類型的環(huán)境測(cè)試對(duì)光學(xué)成像系統(tǒng)成像質(zhì)量的影響。