盐雾测试对光学成像系统成像分辨率的影响

周骅，张培，王婷婷

（上海市质量监督检验技术研究院，上海 201114）

引言

物联网、机器视觉、人工智能、智慧城市等新兴发展领域的迅猛发展，极大改变人们的生活方式。光学成像系统作为其重要的信息输入设备，其成像质量[1-6]直接决定了这些系统应用的有效性和稳定性。以监控设备为例，此类光学系统显然存在长期稳定高质量成像的需求。然而此类系统因长期高负荷上线使用，成像质量必然会随上线时间增长而下降。且部分设备存在恶劣环境下长期使用的情况，外界环境的长期老化效应会使其产生一定的图像质量偏差。

目前，针对摄像机成像质量的测试一般有两种方法。一种是基于电信号的分析[7-9]。标准GB/T 16697-2017《单传感器应用电视摄像机通用技术要求及测量方法》、SJ/T 11415-2010《非广播用数字摄录一体机通用规范》、SJ/T 11416-2010《非广播用数字摄录一体机测量方法》等均通过在标准测试条件下，基于对信号电平、频率等电信号的分析得到其图像质量。该方法不能完整考虑系统整体的影响，重点考察了系统内部光电转换元件（如CCD、CMOS）的质量，而未全面考察如镜头等其他关键部件对成像质量的影响。另一种为基于对获得图像质量的光学分析[10,11]。国家标准GB/T 36480-2018《信息技术 紧缩嵌入式摄像头通用规范》、国际知名的图像领域测试公司，如法国Dxomark，德国Image Engineering均分别推出图像质量分析的成套方案，包含定制的测试环境、定制的测试软硬件设备及评价方案。其原理都是在特定环境特定模式下拍摄一段视频, 该段视频的内容稳定且标准，从该段视频中截取单帧图像，通过软件对单帧静态图像的光学性能进行分析。上面两种方法均仅能反映在特定实验室环境下的产品性能表现。未考虑强光、弱光、带光学补偿等复杂光照环境。

本文分析了盐雾环境试验前后典型光学成像系统的成像质量，聚焦成像分辨率，全面分析在特定光学环境下（强光、弱光、带光学补偿）盐雾环境测试对其成像分辨率的影响。

1 测试流程确定

本文主要考察盐雾测试对摄像系统不同光照条件下成像分辨率的影响。试验流程图如图1所示。

图1 试验流程图

1.1 分辨率测试

成像分辨率为通过空间频率响应（SFR）和调制传递哈数（MTF）表示的数字图像拍摄系统空间图像细节能力的度量，是标准测试图中黑白相间的线条刚刚能被人眼所分辨的空间频率，是光学成像系统成像质量的重要指标。成像分辨率的测试需在暗室中进行，暗室内杂散光照度小于1lx。环境温度：（15～25）℃；相对湿度：（25～75）%；大气压力：（86～106）kPa。

测试使用符合ISO 12233标准要求的反射式的ISO分辨率测试图作为数字设备的拍摄像源，见图2。

图2 ISO 12233:2000分辨率测试图

光源摆放位置应摆放于分辨率测试卡前方水平方向45 °线外，标准光源摆放区域示意图见图3。

图3 标准光源摆放区域示意图

为考察不同光照条件下摄像机的分辨率，需提供如下三种测试环境，分别模拟白天，傍晚和夜晚拍摄环境。夜晚环境测试时，摄像产品会进行自动补光。如摄像头未自带灯光/红外照明，则无需进行项目3测试。具体见表1。

被测摄像头均选取具备防尘防水功能的户外用摄像头产品。恢复到出厂/初始设置，设定最高分辨率，感光度、白平衡设定为自动。其他设置按出厂/初始设置进行设定。将被测摄像头固定在合适的位置上，使标准图卡与镜头的光轴垂直，标准图卡位于拍摄画面的中心位置并保证标准图卡画面占整个画面的80 %以上。测试图任一部位的光照度与中心区域光照度相差不得大于±10 %，且拍摄范围不应小于标准图卡有效范围。在各种典型光源环境下分别拍摄10 s视频并保存。视频拍摄完成后，以随机抽取方式抽取单帧图像10帧，按ISO 12233:2014分辨率标准进行目测或工具分析。

1.2 环境测试选择

根据GB/T 2423系列，IEC 60068-2系列，GB 4208-2008等环境测试方法要求，模拟摄像头产品在使用时可能经历如高低温冲击、盐雾、气体腐蚀、紫外暴露等在内的多种严酷老化试验。基于对20个型号200个样品的多种环境试验前后样品光学性能参数分析，盐雾测试对户外摄像头的光学性能退化有一定影响。本文主要聚焦于研究盐雾测试对产品光学性能影响。

为更好的模拟实际情况，本次所用测试样品为具备防尘防水功能的户外用摄像头。环境耐久性为不通电状态下的环境模拟。使用Nacl盐溶液连续喷雾 96 h作为一个测试周期。溶液浓度（5±1）%，温度（35±2）℃，pH值6.5～7.2。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，则进行成像分辨率测试。

2 测试结果分析

本章节将对测试结果进行分析，以单样品测试过程为例，按图1试验流程图开展分辨率测试。按表1要求开展三种环境模式下摄像机样品拍摄视频的获取。随机抓取视频的单帧图像，进行目测或使用imagetest软件进行成像分辨率分析。图4～6为盐雾测试前分辨率测试视频的单帧图像，从图中可以直观看出不同光照环境对成像分辨率有一定影响。

图4 分辨率实拍图-模拟白天拍摄环境

表1 典型测试条件表

经过对市场上主流的20个型号样品的测试，发现经过20个周期的盐雾测试后，摄像机产品的成像质量成两级分化趋势。以光源条件1下测试为例，3个型号的样品分辨率下降在70～100 %，我们认为其属于成像失效状态。17个样品成像分辨率平均衰减率有一定下降，下降率在5～20 %。这说明高强度的盐雾暴露可对摄像产品的光学性能产生不可逆的破坏作用，主要影响机构为光学玻璃和内部电路系统。摄像产品元器件的质量、接口的处理及外壳保护设计的好坏将极大影响其性能稳定性。提醒消费者在沿海等高盐高湿环境下选购、安装和使用时务必注意合理选购，且良好包裹接线口等薄弱部位，防止盐溶液对器件的老化效应。

图5 分辨率实拍图-模拟傍晚拍摄环境

下面选取两种典型样品为例，表2、表3为0、1、5、10、20个盐雾老化试验后，良好耐受样品和完全失效样品的单帧图像中心和边缘区域的成像分辨率结果。图7-图8为两种样品成像分辨率的衰减情况。

图6 分辨率实拍图-模拟夜晚拍摄环境

表2 耐受良好样品不同盐雾老化条件、光照条件下的成像分辨率(单位：LW/PH)

从表2、表3和图7、图8可以看出，一般随着老化试验的持续施加，尤其是5个循环后，完全失效样品的中心视场和边缘视场的成像分辨率开始有显著下降。不同光照条件对成像分辨率有较大影响，良好的光照条件可以有效提高摄像产品的分辨率。盐雾老化试验对摄像产品的成像分辨率有一定影响。不同样品耐受性差异较大。

图7 耐受良好样品成像分辨率变化图

图8 完全失效样品成像分辨率变化图

表3 完全失效样品不同老化条件、光照条件下的成像分辨率

4 总结

本项目通过分析盐雾环境试验前后典型光学成像系统的成像质量。聚焦成像分辨率，讨论在特定光学环境下环境测试对其成像分辨率的影响。研究发现，不同光照条件对成像分辨率有较大影响，良好的光照条件可以有效提高摄像产品的分辨率。长时间的盐溶液暴露对摄像机有不可逆的影响。摄像产品对盐雾老化试验的耐受性呈两极分布状况，部分产品完全失效，部分产品耐受性良好失效不明显。