傳輸型CCD相機成像分辨率自動(dòng)測試研究

目前傳輸型CCD相機已取代傳統膠片相機成為主流攝影設備，然而各生產(chǎn)廠(chǎng)家對相機成像分辨率這一核心指標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(jiǎn)單、方便，但由于不同人眼的視覺(jué)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(guān)誤差，時(shí)常難以達成統一的測量結果，從而影響了測試精度。

對于CCD相機，可利用其對特定目標生成的數字影像，通過(guò)實(shí)施高效的數據分析處理技術(shù)，自動(dòng)實(shí)現對相機分辨率量化測試，從而客觀(guān)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、CCD器件及相應電路處理系統等。其中光學(xué)系統可利用干涉檢測法或傳遞函數等對其像質(zhì)進(jìn)行測試，從而客觀(guān)地獲取相應的分辨率量化結果；CCD器件本身的理論極限分辨率可以根據其像元尺寸直接計算求得；對于電路處理系統，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、系統控制誤差以及依靠人工判讀測試帶來(lái)的主觀(guān)不確定性，經(jīng)常難以準確反映相機最終成像水平，因此需要在CCD相機整機檢測時(shí)對分辨率指標實(shí)施精確量化測試，從而客觀(guān)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影像對比度分析的分辨率自動(dòng)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，根據系統傳遞函數測試原理，按照正弦級數展開(kāi)的定義，將矩形分布函數展開(kāi)成不同頻率正弦分布的疊加，則對比度傳遞函數可表示為：

由于光電探測器將光通量轉換為電信號，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關(guān)系式變?yōu)椋?

M和M0分別為輸出對比度(又稱(chēng)調制度)和輸入對比度。設目標影像最大光強為Imax，最小光強為Imin，則對比度定義為：

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

在實(shí)驗室條件下，所采用的靶標為高對比度，可定義相應的M0=1。這樣對CCD相機整機分辨率的測量原理轉化為，對分辨率靶標光柵圖案影像進(jìn)行對比度分析計算，通過(guò)與確認的最小可分辨基準閾值進(jìn)行比較，從而自動(dòng)確定相機達到的分辨級別，經(jīng)系統換算快速得出分辨率量化結果。

2 測試系統組成及測試過(guò)程

CCD相機分辨率測試系統組成如圖1所示，主要包括標準光源、光柵靶標、平行光管、圖像采集卡、圖像存儲器、工控機以及數據分析處理軟件。

系統測試前要確認各設備的初始位置，靶標要準確標定在平行光管的焦面處，平行光管的出口對應到相機入口處，平行光管的光軸與相機光學(xué)系統的光軸要共軸，同時(shí)要保證CCD像元與靶標條紋的中心線(xiàn)對準。

測試時(shí)，開(kāi)啟積分球，使其均勻照亮矩形光柵靶標，啟動(dòng)相機拍照，靶標經(jīng)平行光管與相機光學(xué)系統成像在焦面CCD上，使光信號轉換為電信號，再經(jīng)圖像采集卡實(shí)時(shí)采集生成的圖像數據流，在工控機的控制下按相應格式存入圖像存儲器。圖像數據綜合分析處理軟件，可以直接顯示數據格式圖像，還可以對整個(gè)影像或選取局部區域進(jìn)行放大、縮小顯示，更主要的是可實(shí)現對隨意選取的圖像目標影像區域進(jìn)行分辨率判別計算。

對分辨率的自動(dòng)測試，首先要確定可分辨的對比度基準。目前常用的分辨率判據主要包括瑞利判據和道斯判據，根據瑞利判據兩衍射斑之間光強的對比度小于15%時(shí)，人眼對這兩點(diǎn)便不可分辨；而按照道斯判據，兩衍射斑之間光強的對比度在1.55%時(shí)，為人眼的分辨極限。本文為合理確定測試判據，搜集了大量不同型號相機在不同條件下進(jìn)行的照相試驗圖像，其中包括數十張經(jīng)判讀專(zhuān)家審查達到某一分辨率水平的圖像數據。通過(guò)對所獲取的圖像數據進(jìn)行對比度計算分析，表明按照瑞利判據判定相機極限分辨率的條件過(guò)于寬松，而依據道斯判據又過(guò)于嚴格，經(jīng)過(guò)平均考慮對比度測試結果，最后以5%作為實(shí)際可行的極限分辨的基準對比度。