恒定湿热测试对光学成像系统色彩还原特性的影响

周骅

（上海市质量监督检验技术研究院,上海 201114）

引言

光学成像系统被广泛应用于各类领域，如人工智能、物联网、智慧城市、机器视觉等，为人们的生活带来了极大便利。作为一种信息采集装置，其犹如整个系统的眼睛，其可靠稳定性对系统的安全运行尤为重要。照相机、摄像机均为此类光学成像系统的典型代表。目前，针对成像质量[1-6]的测试一般有两种方法。一种是基于电信号的分析[7-9]。典型的为摄像机类产品测试。在标准测试条件下，对测得的信号电平、频率等电信号的分析得到其图像质量。该方法本质上其实是考虑系统内部光电转换元件（如CCD、CMOS）的质量，而并非对成像系统整体的评价，缺少对镜头、外壳等部件的综合评估。另一种为基于对获得图像质量的光学分析[10,11]。该方法广泛应用于摄像机、照相机产品。其根据测得的图像，或由视频获取的单帧图像，开展全面的光学参数分析。包括分辨率，色彩还原，灰阶，白平衡等。

另一方面，标准或文献中环境测试对光学系统的影响往往研究其是否影响光学系统的正常启动功能，鲜有关于其对成像质量的量化研究，然而，因设备的长期运行，乃至恶劣使用环境的长期暴露，这类设备可能存在设备性能退化的情形，如成像质量下降。成像质量的下降在某些情况下其实比停机状态更为严重。如果无法及时检测出成像质量下降是否已经达到或超出临界值，可能导致此类光学系统下线停机检修从而造成一个监控空窗期。因此，对光学成像系统成像质量的及时量化评估和预判显得尤其重要。

本文分析了恒定湿热环境[12]对典型光学成像系统的成像质量的影响。考评了无畸变和有畸变的成像系统在测试前后色彩还原特性的变化。

1 测试流程确定

本文主要考察高温高湿环境测试对光学成像系统系统色彩还原特性的影响。

1.1 色彩还原测试

色彩还原特性是光学成像系统一种重要的特性，体现成像设备真实重现被摄物体颜色的能力。一般我们需要进行色空间坐标上的数值度量,采用数值方法表示两种颜色给人色彩感觉上的差别.本文中我们选取了两种典型光学成像系统，无畸变和有畸变的光学成像模型开展研究。

色彩还原测试需在暗室中进行，暗室内杂散光照度小于1 lx。环境温度：15～25 ℃；相对湿度：25～75 %；大气压力：86～106 kPa。将被检光学系统处于最有利于彩色还原的设置并关闭闪光灯。在D65光源条件下，使用标准24色色彩测试图卡拍摄。测试图卡占据整个取景器视场面积的70 %。拍摄后图像输入计算机进行数值分析。选取24色块，每个色块截取面积不小于30 %的色块。分别测出测试图卡和所截取图像色块的R、G、B值并换算到CIE L*a*b*色彩空间，再求出各自对应的，，值，分别见式（1~3），代入式（4）计算24色块中每色块的色彩还原误差W。

式中：

1.2 环境测试选择

本文选取的环境测试为恒定湿热试验，考察设备在使用环境中耐受长期高温高湿环境的能力。将样品放置于高温高湿度的环境，试验时避免试样表面形成凝露。试验程序按照GB/T 2423.3的规定进行。本次测试不通电状态下的环境模拟。测试参数为温度85 ℃，湿度85 %RH。连续测试96 h作为一个测试周期。每个样品分别做1、5、10、20个测试周期。在每个从测试周期完成后需对样品的功能进行核查。如功能完好，则进行色彩还原测试。根据科芬-曼森模型（Coffon-Manson Model），20个测试周期的老化测试，约为自然老化周期40年。

2 测试结果分析

本章节对测试结果进行分析。本次测试的样品按获得图像类型，可分为无畸变和有畸变图像。按产品类别分，分为照相机和摄像机。按使用场景分，一类为室外使用摄像头和相机（包括极端环境条件的室内,如车库等），一类为室内使用摄像头和相机（如居住或办公环境等）。经测试可知，摄像机产品在拍摄时会发生目测可见的畸变，照相机产品基本未发生畸变。具体见图1。

图1 成像畸变情况

下面按图像类型分类，分别对无畸变和有畸变样品的图像质量开展分析。表1和表2 为无畸变和有畸变样品色彩还原误差情况。从表中可知，经过10个循环周期后，色彩还原误差明显增加。经过20个循环周期后，色彩还原误差发生成倍增加，样品成像质量明显下降。根据相关标准，各色在CIELAB色空间的色差不得超过35。从表中可知，在20个老化周期后，测得的图像质量已不符合标准要求。

表1 无畸变图像色彩还原误差情况

表2 有畸变图像色彩还原误差情况

将环境测试前的拍摄图像和20个循环周期后的拍摄图像使用imatest软件进行分析。可知色彩误差经过环境测试后发生明显改变，成像质量有较大下降。图2是无畸变样品的色彩还原误差分析图。图3是有畸变样品的色彩还原误差分析图。从图2和图3可知，环境测试后，理想值和摄像头实际测得值差异较大，成像质量发生较大衰减。首先，色彩饱和度下降。无畸变样品从116.1 %下降至78.39 %。有畸变样品从121.2 %下降至87.37 %。另一方面，两种样品的色彩误差的平均值和最大值均变大。无畸变样品的色彩还原误差平均值从8.81增加至21.3， 最大值从22.6增加至46.3。有畸变样品的色彩还原误差平均值从9.911增加至20.5， 最大值从26.3增加至44.6。

图4和图5为环境测试前后无畸变和有畸变样品的噪点情况。从图中可知，各噪点数值均小于1，符合标准要求。一般来说，数值越小表示噪点越小，图像质量越好。从图中可知，环境测试后，无畸变和有畸变的图像噪点值均显著增加，表明环境测试后成像质量明显下降。无畸变样品的RGBY %值从0.48，0.41，0.47，0.34增加到0.65，0.48，0.65 ，0.44。有畸变样品的RGBY%值从0.37，0.29，0.32，0.23增加到0.48，0.46，0.72，0.43。

图4 无畸变样品环境测试前后的噪点情况

图5 有畸变样品环境测试前后的噪点情况

3 总结

本文分析了恒定湿热环境试验前后典型光学成像系统的成像质量。研究发现，经过约2 000 h的恒定湿热试验后，无畸变和有畸变的光学系统的成像质量显著下降。表征其成像质量的色彩还原误差和噪点参数均显著增加。且这种成像质量的下降不可逆。本文将为合理评估成像系统的使用寿命提供参考。后续，我们将研究其他环境测试对成像系统成像质量的影响。