电视摄像机主要参数测试系统设计与实施

2014-04-13肖恒兵

计测技术 2014年4期

关键词：感光清晰度畸变

肖恒兵

(华中光电技术研究所—武汉光电国家实验室，湖北武汉430223)

0 引言

电视摄像机是光电成像系统中的关键传感器之一，在光电取证、监视跟踪、航天航空拍摄等诸多应用领域，对电视摄像机的主要光电参数的准确标定是非常重要的，其成像质量对于整个光电系统的特性指标有着决定性的影响［1-2］。

电视摄像机需要评价的主要光电参数有两部分［3-4］，一是其采用的探测器即CCD 的感光性能参数，包括响应度、信噪比、灵敏度(最低照度或阈值照度)、动态范围;二是电视单机(含成像镜头)的成像质量包括分辨力、对比度和畸变。

电视摄像机的专业生产厂家(如敏通公司)一般都投入昂贵的经费建立了CCD 器件及电视单机的综合参数测试系统，国外有一些天文台自主开发了精确测量电视摄像机参数的测试系统，如法国航天局Corot CCD Test System，南部欧洲天文台的ESO CCD Testbench，这些设备的精度都非常高，对光信号的检测都可按量子效率来计算。国内也有研究机构设计出CCD 光电参数测试系统，可以检测电视摄像机的光谱响应参数［5］。

作为电视摄像机的用户来说，没有必要像专业厂家那样投入昂贵费用建立高精度的测试系统，但充分利用计算机技术和视频图像处理技术自行开发设计和搭建性价比高的综合测试系统也是可行的。本文介绍一种基于视频信号处理的电视摄像机主要光电参数综合检测装置的设计和实施方案。采用特定的各类测试目标对摄像机成像，视频图像被高精度数字图像采集卡捕获并将数据传送给计算机，再通过数字图像处理软件自动计算，可实现上述参数的准确测试。

1 测量原理

电视摄像机主要由CCD、驱动电路、信号处理电路、电子接口电路、光学机械接口等构成。在实际应用中，被检测对象的空间光强信息经过光学镜头成像于CCD 的光敏面上，通过一系列的预处理，而后进行视频信号的合成，即将CCD 所输出的电信号转换为所需要的视频格式(标准CCIR，EIA，PAL，NTSC 制式)输出［6］。对于大多数使用者来说，所要测试的是CCD 摄像机的参数而非CCD 器件的参数。因此可以把CCD 摄像机假想为一黑盒子，输出信号就是标准的视频信号，则CCD 摄像机的各项参数的测量可转化为标准视频信号参数的测量。考虑到现今应用中大多数要求较高的场合都采用数字图像处理，模拟摄像机也是经过图像采集卡采集后输入计算机系统处理，因此可以利用采集后的数字图像来分析测量感光性能参数和成像质量参数。

1.1 感光参数

图1 是CCD 感光参数测量原理图，积分球通过计算机控制集成光源的发光强度来连续改变输出光亮度，在出口处形成均匀朗伯面，照度变化范围可调，应事先对CCD 感光面处积分球光源输出的光照度进行标定。CCD 输出的信号通过图像卡送入计算机进行处理，通过图像采集卡来测量CCD 各光敏元的电压值(或灰度值)，这样感光曲线转换为CCD 靶面光照度与采集卡所采图像的灰度积之间的关系，如图2所示。

图1 CCD 感光性能测量装置原理图

图2 CCD 感光特性响应曲线

1)响应度

CCD 摄像机响应度又称线性系数，是指在CCD 摄像机感光曲线线性最好部分的灰度对于照度的响应。从图2 可看出CCD 摄像机饱和输出以下的信号接近线性。而在照度较低时非线性相对严重。针对信号特点，采取固定终点值、缩变起点值的方法来搜索线性最好的部分。利用最小二乘法y=kx +b 拟和数据。其中y代表灰度值，x 代表照度值，k 代表线性系数。找出拟和误差最小的数据部分，相应的k 值即线性系数。

2)信噪比

信噪比是影响摄像机成像质量和最终观察距离的主要参数之一，一般要求信噪比越高越好。本系统中对CCD 摄像机信噪比的详细测量原理见文献［7］，本文不再累述。

3)灵敏度

CCD 摄像机灵敏度又称最低照度或阈值照度，它表示当环境光照度降低到一定程度，而使CCD 摄像机所输出的视频信号电平低到某一规定值时，所对应的环境照度。在提供相机最低照度的同时，应表明测试时所使用镜头的相对孔径［8］。最低照度值的测量可以通过搜寻感光曲线中的暗信号灰度值所对应的最大的照度值得到。

4)动态范围

动态范围表征了摄像机对环境和目标照度的工作范围，对于某些全天候工作的摄像机来说，在夜间和正午阳光下也能正常工作，这就要求其动态范围足够大。只要是采集卡的动态范围能够大于摄像机本身视频信号的动态范围，就可以真实地测试视频信号的动态范围。提取感光曲线中饱和照度值与暗电流照度值作为CCD 摄像机的感光动态范围。用饱和灰度值Graymax与暗电流灰度值Graynoise的比值作为CCD 摄像机的输出动态范围，见公式(1)。

1.2 成像质量参数

分辨力、对比度和畸变指标均是针对电视图像而言，是评价成像质量的最重要的三个参数。

1)电视图像分辨力

电视图像分辨力有时也称清晰度，对CCD 摄像机来说，有垂直方向的清晰度和水平方向的清晰度，两者的比值可称为清晰度比。由于垂直清晰度是固定的，所以摄像机的清晰度主要指水平清晰度。

水平清晰度定义为:当用与画面高度相等且黑白相间的垂直平行线作被摄物时，在水平方向上所能够再现的线数，单位是“电视行(TVL)”，也称作“线”。黑白条图形都是一定频率的方波信号，所以根据行扫描速度和传送带宽也可确定水平清晰度的值。

水平清晰度用RH 表示，如果一条扫描线上能够再现m 个像素，则水平清晰度可表示为

式中:m 为水平方向的像素数;V 是画面的垂直高度;H 为水平长度。

2)电视图像对比度

电视图像对比度通常用来表示一幅图像中目标与背景的黑白程度或灰度等级差，有时也用目标与背景的亮度比来表示。它是与清晰度相关联的参数，一般来说对比度越高，图像越清晰［10］。

其定义公式为

式中:Ⅰo是被测目标物的亮度;Ⅰb是目标物背景亮度;C 为目标对比度。

3)电视图像畸变

电视图像畸变可由画面的垂直幅度的百分数来表示，有

式中:r 为不计歪曲像差时，以光轴为中心的像长度;Δr 是由像差引起的像长度的变化。

2 测试系统设计

2.1 硬件组成与功能

设计一种基于目标发生器和视频图像处理的模块化、集成化的综合测量系统，其主要组成有目标发生器、控制器、数据采集器、图像采集卡、PC 机及被测CCD 摄像机等，如图3所示。

目标发生器主要提供待测参数所需的三类特定光源及目标图案，一是可见均匀积分球照度发生器，为感光参数提供足够大的面光源并能保证均匀性;二是标准测试灯光盒前加装视频综合测试卡，为电视对比度和分辨力测量提供所需目标;三是畸变测试仪，主要由畸变测试卡与大视场平行光管组成，提供畸变测试所需的标准格子目标。

控制器有两种，一是镜头控制器，调整成像时光圈、焦距、像面清晰度等;二是积分球光源控制器，调节均匀面源按所需照度进行改变。

图3 综合测试系统组成原理框图

数据采集器主要是即时采集积分球的输出光强度并送计算机进行处理和显示。

图像采集卡是本系统中的关键部分，CCD 摄像机针对各特定目标的成像输出，均可通过图像采集卡送给计算机，对采集的数字图像进行实时处理与分析计算，求得所需参数。

2.2 软件组成及功能

测量系统软件主要由光源驱动程序、数据采集器驱动程序、图像采集卡驱动程序、串口驱动程序以及数据处理与显示程序构成，其系统总体框图如图4所示。

图4 软件系统组成框图

软件主要功能有:

1)实现积分球光源输出光亮度的自动调节与显示。

2)实现视频信号的实时采集与分析，提供图像各像元的灰度值与位置值。

3)实现CCD 感光特性测量，完成①线性响应度测量，绘制曝光量-信号响应曲线，并提供饱和曝光量照度值、饱和输出信号灰度值及暗信号灰度值;②信噪比测量;③灵敏度(最低照度)测量;④动态范围测量。

4)实现电视清晰度、对比度和畸变测量。

3 实测

以松下BP332e 一体化摄像机为例，在本装置上进行了主要参数的检测。标称参数为:

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)

动态范围:20 dB

镜头:精工ST16160M

对镜头畸变和对比度范围未见说明。

关于CCD 感光特性特别是信噪比测量装置的测量过程和方法在文献［7］中有详细介绍，在本装置上对该摄像机的感光参数测量重复了6 次来检测重复精度，得到与图2 一样的6 条测试曲线，计算结果见表1。由表1 可看出本系统的测量重复性较好，信噪比测试结果略小于标称值是因为信号传输线损等因素的影响。

表1 CCD 感光参数重复性测试数据表

成像质量参数的检测过程如下:

1)清晰度与对比度

在本组件中采用了VIDEOTEST VT-51 型标准色温光源箱，其色温为5100 K(±200 K)，是进行视频测试的标准色温;视频综合测试卡采用VT-105 清晰度标准测试图板，详见图5所示。

用CCD 摄像机拍摄标准视频信号综合测试卡，测试卡置于标准测试灯光盒上均匀照亮，距摄像机约3 m处。视频信号通过75 Ω 视频电缆送给图像采集卡来读取数据，同时用黑白监视器观察所拍摄的图像。

图5 视频综合测试卡图案

对景物照度和光源色温进行设定，调节镜头焦距(或前后微移摄像机)使测试卡的图像充满监视器的屏幕，并通过精确对焦使图像最清晰。

通过图像采集卡专用软件来读取图形数据。①搜索电视线所在的某行，当显示波形的波峰波谷之间差距缩小到一个极限值，几乎难以分辨出波峰波谷时，即可得到摄像机的分辨力;②选取对比度目标所在的区域，可得到某级对比度目标的灰度值，通过公式(3)即可计算出对比度。

本次测量图中，500 TVL 人眼可清晰分辨，550 TVL 人眼已分辨不清，但通过波形监视器搜索可分辨出，因此可明确判断该摄像机分辨力优于550 TVL，与标称值非常接近。十级灰阶测试图见图6，十级灰阶目标的对比度测量值如表2所示(背景的灰度值为219.8)。

图6 十级灰阶测试图

表2 十级灰阶目标对比度测量值

2)畸变

在测量电视图像畸变时，首先对畸变测试卡摄像，在控制机械的监视器上显示其图像。为了使形成的图像位置有一个基准，需在电视图像上重叠一个由标准视频信号发生器产生的测试格子图形，并由方格的交叉点和测试卡交叉点的位置关系，使用opencv 的标定函数利用Brown 算法，计算出畸变的百分比。其中，变焦倍数:6 倍;广角焦距:16 mm;广角端畸变:2.58%;长焦端畸变:0.329%。畸变测试卡和信号发生器产生的格子信号如图7、图8所示。其软件流程图如图9所示。