基于数码相机的图像亮度测量技术误差分析*

王书晓

(中国建筑科学研究院，北京 100044)

1 前言

亮度及亮度均匀度是影响人们对于光环境感受的两个重要的指标。新颁布的 《城市夜景照明设计规范》JGJ/T163-2008也对景观照明的建筑表面亮度做出了相应规定，然而利用传统亮度计进行亮度及其分布测量时，往往需要测量整个空间中的很多测点亮度值，从而造成亮度测量变得十分复杂和困难，并耗费大量的时间。近年来伴随着成像器件的快速发展，为全视野范围内的亮度测量提供了强大工具。CCD相机以其所具有的良好线性和精确性，而在需要同时获得一个阵列的数字辐射值的研究领域得到广泛应用。通过使用CCD的相机能够迅速的捕捉图像，并将其转化为数字化电子图像。如果利用合理的控制方式，通过确定相机CCD阵列任一像素数值，就可以确定其映射的环境中的该点的亮度值，从而经过相关计算分析获得场景均匀性、对比度、空间特性甚至还有相关色度学指标。

当前市场上出现了一些商业化的图像式亮度计，如由photoresearch公司研制开发的 PR920，然而由于它的高昂的价格而很难得到广泛应用，因此包括我国的沈天行教授在内的诸多海内外研究人员都试图使用市场上销售的相机进行标定，从而用来测试环境亮度分布，并取得了丰硕的研究成果。然而当前鲜有研究对于该测试技术的不确定性开展深入研究。正如 As Steve B.Howell在 《handbook of CCD Astronomy 2nd》中所说:“要想真正理解你的信号，首先就要明白影响信号的那些噪声。”要想是该技术能够完全满足实际应用的需求，就要开展关于图像亮度测量技术的误差分析研究，而本文则将就影响测试精度的要素进行介绍。

2 影响图像亮度测试技术精度的要素

通常而言，一个数码相机包括了光学和电子系统 (感光元件，AD转化装置等)。除了相机的各组成要素的特性对于测试结果的精度有很大的影响外，相机中所采用的颜色插值、白平衡、γ修正以及jpeg压缩等诸多算法也应该在该项技术的研究中予以重点考虑，因此本文将影响图像亮度测量技术的误差分为:光学系统误差、电子系统误差以及图像处理算法误差。

2.1 光学系统误差

2.1.1 像差和衍射

一个理想的光学系统应该能够使所有从某点发出的光线全部准确地会聚到像平面上对应的共轭点上。然而由于镜头的像差、光圈的衍射等因素的影响，大部分情况下光学系统是很难满足这一要求。

a)像差

镜头的像差是各种不能完美无缺成像的偏差。产生镜头的像差的原因是某一特定种类的光学玻璃或塑料对光线中所有的光波的折射能力的不同，以及镜头的曲率等因素影响，从而使得光线在系统中的传播光路偏离理想途径，而不再相交于高斯像点(即理想像点)之故。这时，一点的像不再是一个点，而是一个模糊的弥散斑;物平面的像不再是一个平面，而是一个曲面，而且像相对于物还失去了相似性。

b)衍射

设计光学仪器的光学系统设计往往根据几何光学的光线的传播规律，然而光线除了具有几何光学特性外，还具有波动性。因此当光在传播过程中，遇到障碍物或小孔 (窄缝)时，它有离开直线路径绕道障碍物阴影里去的现象，这种现象叫光的衍射。由于衍射的存在使得即使是一个理想的、没有任何像差的光学镜头也不能将物空间中的一个无限小的点会聚到像空间的共轭点上。

在仪器光学设计中，像差与镜头的设计和生产质量有关;而衍射则是一种基本的自然现象，它只与镜头光圈有关。这两种现象都不可能被彻底消除，而由于它们的存在导致每个像素的信号都有部分来自于周围区域，从而降低了亮度的测试精度。

2.1.2 像面照度均匀度

镜头像平面处的照度 (即像场照度)大小，与被摄景物的亮度大小成正比。由于光圈大小等诸多几何因素的影响使得感光元件表面的照度并非均匀的。像面照度均匀度除了与镜头因素有关，还与渐晕、杂散光和机身的影响有关 (如图1所示)。由于光学系统的影响导致的像场不均匀性，对于测试结果的精确性有很大影响，在标定校正过程中必须予以考虑。

图1 某品牌一型号镜头的像场不均匀性测试结果分析图

2.1.3 杂散光

杂散光是指由于散射或不希望出现的发射所引起的像面上不需要的光 (见图2)。由于杂散光的存在使得像平面处的影像反差明显减少，从而降低了测试结果的精度。虽然可以通过镜头表面镀膜，以及其他防杂散光措施可以大大降低杂散光的影像，但是杂散光不可能完全被消除。因此建议在测量的过程中使用适当的镜头遮光罩，从而进一步减少杂散光的影响。

2.2 电子系统误差

2.2.1 CCD传递效率

由于CCD是一种没有增益功能的模拟寄存器，所以电荷转移效率η是表征这种器件性能的关键性参数，它表征器件转移电荷包的能力。其定义为:电荷包在进行每一次注意中的效率，即电荷包在进行一次转移时实际传输到下一电极的电荷量与原有电荷量的比值，其影响可见图3。

2.2.2 CCD的噪声

CCD在存储和转移信息电荷的过程中，作为信息的各个少数载流子电荷包，在衬底内保持隔离状态，从这个意义上说，可以认为CCD自身是低噪声器件。但电荷的注入、转移及检测过程都有噪声叠加在真实信号之中，影响信号的真实再现。CCD器件存在多种噪声源，但可归纳为三类:散粒噪声、转移噪声以及热噪声。

图2 杂散光对于成像质量的影响

图3 某型号CMOS信号传递中的衰减测试结果示意图

a)散粒噪声

由于微观粒子的无规性，在CCD中，无论是用光注入、电注入还是热产生的信号电荷包的电子数总有一定的不确定性。散粒噪声的均方值等于信号幅度，估散粒噪声不会限制器件的动态范围。由于各电荷中的涨落独立无关，所以散粒噪声谱是“白”的 (如图4)。

b)转移噪声

转移损失及界面态俘获是引起转移噪声的根本原因。转移噪声具有CCD噪声所独有的两个特点:积累性和相关性。所谓积累性是指转移噪声在转移过程中逐次积累起来的，转移噪声的均方值与转移次数成正比。所谓相关性，是指相邻电荷包的转移噪声是相关的。

图4 散粒噪声分布图

c)热噪声

CCD的热噪声为KTC噪声，它是信号电荷注入及检出时引起的。信号电荷注入回路与信号电荷检出时的复位回路可等效为RC回路，从而产生热噪声 (如图5)。在室温附近，温度每增加5℃，暗电流增加一倍。

图5 某型号CMOS背景噪声分布图

2.3 图像处理算法

2.3.1 γ修正

人类视觉系统对亮度变化的感知比对亮度本身要敏感。人类视觉系统对光强度的响应不是线性的，而是对数形式。在一个较宽的亮度范围内，人类视觉系统对相对亮度差的分辨率约为2%。由于对线性采集装置来说，在图像亮的部分的相对分辨率比2%要好得多，但在图像暗的部分的相对分辨率却差的多。因此在图像处理中往往采用对采集数据进行对数关系转换来亮度动态范围。利用指数转换关系，可以近似人类视觉系统的对数响应特性，而且反差范围也可以得到有效的增强。然而它却改变了原本输入信号与测量数据之间的线性关系，从而对测量精度等带来影响。

2.3.2 jpeg压缩

JPEG是 Joint Photographic Experts Group(联合图像专家组)的缩写，文件后辍名为“.Jpg”或“.Jpeg”，是最常用的图像文件格式，由一个软件开发联合会组织制定，是一种有损压缩格式，能够将图像压缩在很小的储存空间，图像中重复或不重要的资料会被丢失，因此容易造成图像数据的损伤。虽然这种图像压缩总体上并不会降低图像质量，然而就测量技术而言，特别是当考虑到色度信息的时候，JPEG压缩算法就丢失了太多细节了，从而影响了测量精度。

3 结论

通过前面的总结和相关研究数据，不难看出利用数码相机进行光环境亮度测量具有很好的可行性，然而在这项技术能够满足实际需要之前，我们首先就应该对测试技术中影响测试精度的各个环节进行分析，从而能够更好的指导测试实践。相信该技术的发展和完善，对于指导我国夜景照明实践具有重要的实际意义。

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