一种免拆卸测定数码相机曝光时间的方法

王潇潇*,谭 山

（广州计量检测技术研究院，广东广州，510663）

一种免拆卸测定数码相机曝光时间的方法

王潇潇*,谭 山

（广州计量检测技术研究院，广东广州，510663）

本文讨论了一种依托动态光源系统，采用图像处理技术对数码相机曝光时间进行测定的方法。实验验证了光斑轨迹的位置及光源转速调整对测定结果的影响。

数码相机；曝光时间；检测方法

曝光时间（也称快门速度）是评价照相机性能的主要技术指标之一，其与像面照度的乘积即为曝光量。一般可通过控制快门速度对曝光时间进行控制，从而达到预期的曝光量，实现理想的拍摄效果。由于传统相机可拆卸感光胶片，因而曝光时间通常采用光源与光电探测器分置快门两侧的方式进行测定[1]。随着光电技术的发展，光电转换器件代替了传统的感光材料，目前，以CCD和CMOS为代表的新型阵列型感光器件，已实现了相机的数字化和集成化，在大部分数码相机中经济、简捷的电子快门取代了传统的机械快门或电磁快门。传统的曝光时间测定方法已无法适应数码相机的检测需求，开发新的免拆卸曝光时间检测方法成为当前检测领域亟待解决的新问题。

中国计量科学研究院光学与激光计量科学所的王煜等人根据曝光量 （H） 、相面照度 （E） 与曝光时间 （t） 的关系，利用积分球均匀光源配合辅助快门的装置，提出了一种间接推算法来标定数码相机的曝光时间[2]。本文提出的数码相机曝光时间测定方法，是通过对拍摄特定动态光源后的图像进行量化分析，进而得到曝光时间的一种新方法。

1 测定原理及装置简介

众所周知，无论是机械式快门还是电子快门，在快门开启的瞬间，CCD传感器会接收到入射光线，而快门关闭则光线入射停止。对于运动的物体，快门开启瞬间，物体反射光线在传感器上产生位移，因此会产生拖尾效应。当数码相机拍摄旋转点光源时，若设置点光源旋转一周的时间大于曝光时间，则曝光时间与所得图像中点光源轨迹存在如下关系。设点光源旋转速度为V （°/s）,摄得图像中影像轨迹角度为W （°） （W＜360），则曝光时间T（s） 为：

本文对数码相机曝光时间的测定需依托自行研制的动态光源箱进行。其由光源、滤光片组、反射光路、旋转马达、速度监测器、数显装置、速度调节装置及屏幕组成。光源出射的激光光束经过滤光片组，由反射光路送于屏幕之上；由旋转马达对反射光路的某一部分进行驱动，可使屏幕上的光斑做圆周运动。图1是动态光源箱的结构示意图。其中旋转马达最高转速为6500转/分钟，速度监测器灵敏度为0.1转/分钟。

图1 动态光源箱结构示意图

2 实验步骤及量化分析过程

相机设置为待测曝光时间，感光度优先采用基础感光度，必要时可通过更换不同透过率的滤光片组控制光源亮度，实现正确曝光。过曝和欠曝的图像不能用于本文所述的曝光时间测定。图2所示为可接受和不可接受的拍摄图实例。为避免镜头畸变对测定结果的影响，拍摄时镜头应避免设置于广角端，且使光源运动轨迹的直径小于图像对角线的70 %。拍摄之前根据标称曝光时间，计算光源转速，以确保光源运动轨迹小于360°。

图2 拍摄图像实例（所示实例为原始图像的截取部分且有宽高比的调整）

对所得图像的量化分析是在图像处理技术的基础上，采用Visual Basic编程软件，实现光源运动轨迹角度的测量。处理工作分四个步骤：1、图像预处理。对图像进行灰化，提取每个像素点的亮度信息。2、特征提取。运用canny算子进行边缘检测[3]，提取光源运动轨迹轮廓，如图3所示。3、识别分析。激光点光源近似为圆形，所得运动轨迹两端点以近似圆弧形处理。按邓伟等人报道的方法[4]获得端点圆弧的圆心坐标，并作为计算运动轨迹弧度的起点和终点4、计算并得到目标数据。设起终点坐标分别为和，激光光源距旋转中心的距离为R，则运动轨迹的角度W （°） （W＜180） 由下式可得：

将（2）或（3）式带入（1）式得到曝光时间测量结果。

3 实测数据及结果分析

运用本文所述的数码相机曝光时间测定方法，对canon PowerShot G3数码相机进行了一系列曝光时间测定实验。

3.1 第一组实验

设定不同待测快门速度档，每档快门在同一光源转速下，采用连拍模式，可得到光源轨迹位于圆周不同位置时的图像，由此计算曝光时间结果如图4所示，相机设置见表1，为得到曝光正确的原始图像，随着曝光时间增长，光圈值逐渐减小。

图3 特征提取后光源轨迹轮廓图

表1 第一组实验相机参数设置

图4 第一组实验曝光时间测定结果示意图

由图4可知，相同转速下，运动光源轨迹在不同位置测得的曝光时间值稳定性良好。各档曝光时间对应的平均值标准偏差为:(1/1000)3.9×10-5s, (1/500)2.6×10-5s, (1/250)2.7×10-5s, (1/125)0.00013 s, (1/60)0.00014, (1/30)0.00032。因此，该曝光时间测定方法中，光路设计可靠，动态光斑圆周运动稳定性高，若需得到更为准确的测量结果，可取10次测量平均值作为曝光时间最终测量结果。

3.2 第二组实验

同一曝光时间设置下，采用不同光源转速，所得曝光时间结果如图5所示。相机设置以实现正确曝光为目的，曝光时间固定，随着转速的增快，需适当增大光圈值。由图5可知，在不同转速下，测得的曝光时间结果比较平稳。说明光源转速的调整对测试结果影响较小。在低转速光斑轨迹较短时，测试结果偏差较明显。这主要是因为光斑轨迹在端点辨别时存在不确定度，而这种不确定度在轨迹越短时对测试结果的影响越大。因此，采用本方法测定数码相机曝光时间时，应尽量选择可使光斑轨迹长度适中的光源转速。

4 小结

本文报道了一种测定数码相机曝光时间的方法。通过对转速可调的旋转光源进行正确拍摄，并对产生的图像进行量化分析，即可得到数码相机曝光时间参数。经过实验验证，在同一转速下，原始图片光斑轨迹处于不同位置，对测试结果的影响不明显；不同转速下，同一曝光时间档的测试结果存在中高速稳定、低速波动的现象，主要来自于端点判别的不确定度影响。选择合适的光源转速，可避免此种情况的发生。

A method for measuring exposure time of digital camera without disassembly

Wang Xiaoxiao,Tan Shan
（Guangzhou institute of measuring and testing technology,Guangdong Guangzhou,510663）

In this paper, a method for measuring the exposure time of digital camera based on dynamic light source system is discussed. The experimental results show the influence of the position and the speed adjustment of the light spot on the measurement results.

digital camera; exposure time; method for measurement

广东省质量技术监督局科技计划项目（2015CJ04）。 *通讯作者，E-mail: wxx55423@163.com