康登魁，楊鴻儒，袁 良,2，姜昌錄，王 雷，陳潔婧，王生云

（1.西安應(yīng)用光學(xué)研究所 國防科技工業(yè)光學(xué)一級(jí)計(jì)量站，陜西 西安 10065；2.北京理工大學(xué) 光電學(xué)院，北京 100081）

引言

可見光電視攝像機(jī)作為光電跟蹤、識(shí)別瞄準(zhǔn)、航空測控、空間光通信等領(lǐng)域的關(guān)鍵載荷之一，已廣泛應(yīng)用于航空、船舶、光電火控、制導(dǎo)等軍事領(lǐng)域以及機(jī)器視覺檢測、機(jī)器人導(dǎo)航、工業(yè)檢測、醫(yī)學(xué)分析等民用領(lǐng)域。作為光電系統(tǒng)的圖像輸入設(shè)備，可見光電視攝像機(jī)的成像質(zhì)量直接決定著光電系統(tǒng)的作用距離、視場范圍、圖像精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)等關(guān)鍵特性。光學(xué)傳遞函數(shù)（MTF）是評價(jià)光電系統(tǒng)成像質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，它綜合了各種像差及星點(diǎn)檢驗(yàn)的靈敏度，反映的是被測系統(tǒng)對目標(biāo)細(xì)節(jié)的傳遞能力。

國外對于調(diào)制傳遞函數(shù)測量儀器開發(fā)較早，美國OPTIKOS 公司、德國TROPTICS 公司、英國IMAGE SCIENCE 公司、波蘭INFRAMAT 公司等都研制和生產(chǎn)調(diào)制傳遞函數(shù)測量設(shè)備。例如：美國Optikos 公司生產(chǎn)的The Optikos OpTest Systems，可以測量MTF、PTF、LSF、PSF、ESF 及像散；德國Trioptics 公司生產(chǎn)的傳遞函數(shù)測試儀MTF-Test Stations 可以測量MTF、PTF、有效焦距等多種參數(shù)。自上世紀(jì)90 年代開始，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、長春光機(jī)所、中航工業(yè)洛陽電光設(shè)備研究所等單位也相繼開展了MTF 測量裝置的研究。但是，以上測量裝置都是針對光學(xué)系統(tǒng)或鏡頭進(jìn)行測試，并不能反映可見光電視攝像機(jī)的整機(jī)成像質(zhì)量。整機(jī)成像性能往往還與光學(xué)系統(tǒng)與CCD 的匹配、電子處理電路、圖像轉(zhuǎn)化精度（如圖像識(shí)別精度、圖像匹配精度）有關(guān)。目前，隨著光電技術(shù)的發(fā)展，對光電系統(tǒng)整機(jī)MTF 的測試需求日趨強(qiáng)烈[1-5]。

本文介紹了一種可見光電視攝像機(jī)整機(jī)成像質(zhì)量測量方法及測試裝置。通過比對實(shí)驗(yàn)，表明該裝置可以有效完成可見光電視攝像機(jī)整機(jī)MTF的測試。

1 測量原理

傳統(tǒng)的MTF 測量方法通常有兩類：1）直接法，設(shè)置不同空間頻率的正弦靶標(biāo)，通過觀測系統(tǒng)響應(yīng)直接得到測試結(jié)果；2）間接法，利用刀口靶或狹縫靶獲取圖像計(jì)算擴(kuò)展函數(shù)，再通過傅里葉變換得到MTF。間接方法是常用的方法，被國際標(biāo)準(zhǔn)ISO12233 指定為測量MTF 的標(biāo)準(zhǔn)方法。

間接法通過測量線擴(kuò)散函數(shù)LSF 的一系列關(guān)于坐標(biāo)位置的離散抽樣值，變成數(shù)字信號(hào)后，輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行傅里葉變換運(yùn)算，從而求得光學(xué)傳遞函數(shù)的方法。

由一維傳遞函數(shù)的定義式，光學(xué)傳遞函數(shù)OTF可以寫成線擴(kuò)散函數(shù)LSF 的傅里葉變換式，即

實(shí)際測量時(shí)，一般采用傾斜狹縫法。該方法的思想是使狹縫像與探測器單元排列方向存在一定夾角，探測器每行采集到的狹縫像灰度不同，通過對多行狹縫像灰度數(shù)據(jù)處理，得到插值后的LSF，從而解決采樣率不足的問題。該方法的關(guān)鍵是確定亞像元采樣間隔以及多行LSF 曲線插值的間距，只有通過正確間隔進(jìn)行多行數(shù)據(jù)插值，才能獲得可靠的高分辨率LSF 曲線，進(jìn)而獲得無混疊MTF測試結(jié)果[6]，如圖1 所示。

圖1 傾斜狹縫法測量原理圖Fig.1 Schematic of tilting slit method

2 測量裝置組成

可見光電視攝像機(jī)整機(jī)性能測試裝置由目標(biāo)發(fā)生器系統(tǒng)、光學(xué)準(zhǔn)直系統(tǒng)、多維調(diào)整臺(tái)、電器控制系統(tǒng)、圖像/標(biāo)準(zhǔn)視頻采集系統(tǒng)、監(jiān)視器、綜合處理軟件等部分組成，測量裝置的原理圖及實(shí)物圖如圖2、圖3 所示。

圖2 測量裝置原理框圖Fig.2 Schematic of measuring device

圖3 電視攝像機(jī)MTF 測量裝置實(shí)物圖Fig.3 MTF measuring device for TV camera

目標(biāo)發(fā)生器系統(tǒng)采用三積分球的結(jié)構(gòu)形式，其結(jié)構(gòu)框圖如圖4 所示。該光源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由背景積分球、前景積分球、主積分球、燈室、靶輪結(jié)構(gòu)及電動(dòng)衰減器組成。光源通過準(zhǔn)直系統(tǒng)后，在入射主積分球內(nèi)進(jìn)行分光，一部分通過背景衰減器進(jìn)入背景積分球內(nèi)直接出射。另一束光通過前景衰減器后進(jìn)入前景積分球，照亮測試目標(biāo)靶。目標(biāo)光束和背景光束通過合束鏡進(jìn)行合束，為待測電視攝像機(jī)提供測試目標(biāo)。

圖4 目標(biāo)發(fā)生器原理圖Fig.4 Schematic of object generator

視頻采集系統(tǒng)兼顧了模擬與數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)視頻接口模式，配置了MeteorII 模擬采集卡，視頻輸入模式為NTSC、PAL、RS-170 和CCIR，傳輸速率：130 MB/s。同時(shí)，配置了Solios—ECL/XCL 數(shù)字采集卡，采樣速率達(dá)到85 MHZ，主要用于Cameralink接口的相機(jī)進(jìn)行圖像采集。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 等效像元長度的標(biāo)定

在進(jìn)行MTF 測量時(shí)，首先必須對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的等效像元長度進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定通常采用周期經(jīng)過校準(zhǔn)的四桿靶，如圖5 所示。實(shí)驗(yàn)中采用的四桿靶為(長×寬)為1.849 mm×2.103 mm。選擇四桿靶的相關(guān)圖像區(qū)域，通過測量軟件，計(jì)算采集到的目標(biāo)圖像的周期寬度值，根據(jù)下式，計(jì)算出等效像元長度的標(biāo)定值[7-9]：

式中：EAL為等效像元長度；P0和P1分別為四桿靶的標(biāo)準(zhǔn)值和測量值；1 024 為圖像采集卡對應(yīng)的最大像元數(shù)。

圖5 等效像元長度的標(biāo)定Fig.5 Calibration of equivalent pixel length

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

采用F400-CV-M2CL 數(shù)字?jǐn)z像機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，該相機(jī)系統(tǒng)參數(shù)如下：焦距：400 mm，相對孔徑：F/3.8，靶面尺寸：1″，像元尺寸：7.4 μm×7.4 μm，有效像素?cái)?shù)：1 600（H）×1 200(V)，狹縫寬度100 μm。傾斜狹縫圖像如圖6 所示。

圖6 傾斜狹縫圖像Fig.6 Tilting slit image

狹縫傾斜角度的具體方法為：將灰度圖像輸入計(jì)算機(jī)軟件，得到灰度圖像的數(shù)據(jù)矩陣，逐行分析LSFi數(shù)據(jù)。利用最小二乘法對每行的灰度數(shù)據(jù)系列進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，獲得灰度系列LSFi。在選定的圖像處理區(qū)域內(nèi)，找出每一行灰度值的最大值，其對應(yīng)的坐標(biāo)為xmax，，每一行均以xmax為中心，計(jì)算xmax兩端對稱像素點(diǎn)的灰度值之差，取絕對值，形成一組差值數(shù)列。在數(shù)據(jù)系列中搜索出任意兩相鄰極小值數(shù)據(jù)所對應(yīng)的行數(shù)作為插值的行數(shù)。則這兩個(gè)行數(shù)的圖像在探測器列方向上剛好對應(yīng)了一個(gè)像元的寬度。例如：在得到的數(shù)值序列中，第130 行和160 行的線擴(kuò)散函數(shù)曲線如圖7 所示，其2 個(gè)行數(shù)的差在探測器列方向剛好差了一個(gè)像元的寬度。則狹縫傾斜的角度為：α=arctan(1/m)=a rctan(1/30)=1.9°。

圖7 第130 行和160 行線擴(kuò)散函數(shù)分布曲線Fig.7 LSF curve of line 130 and 160

根據(jù)以上角度，進(jìn)行插值配準(zhǔn)，就可以得到LSF 曲線，采用快速傅里葉變換，并在每個(gè)頻率點(diǎn)進(jìn)行目標(biāo)寬度校正，可以得到如下的MTF 測量曲線，如圖8 所示[10-11]。

4 與國外儀器的比對驗(yàn)證

為了驗(yàn)證測量裝置的有效性，本文采用美國OPTIKOS 公司生產(chǎn)的I-SITE 測量儀進(jìn)行了比對實(shí)驗(yàn)。美國OPTIKOS 公司是世界上光學(xué)成像質(zhì)量測量設(shè)備的先進(jìn)生產(chǎn)廠家。其I-SITE 測量儀針對可見光電視攝像機(jī)MTF 的技術(shù)指標(biāo)為：光譜范圍：（400～1 000）nm，MTF 測量精度±4%，其實(shí)物圖9 所示。

圖8 MTF 測量結(jié)果曲線Fig.8 MTF measurement result

圖9 I-SITE 測量儀實(shí)物圖Fig.9 I-SITE measuring instrument

測試條件如下：

共軛方式：物方無限遠(yuǎn)；波長范圍：400 nm～1 000 nm；焦距：400 mm；相對孔徑:F/3.8；方位：子午T；視場角：0°。

本文建立的光電系統(tǒng)整機(jī)MTF 測量裝置測量結(jié)果如表1 所示。

I-SITE 測量儀 MTF 測量結(jié)果如表2 所示。

表1 光電系統(tǒng)整機(jī)MTF 測量結(jié)果Table 1 MTF measurement results of photoelectric system

表2 I-SITE 測量儀MTF 測量結(jié)果Table 2 MTF measurement results of I-SITE

從以上兩表可以看出，兩套裝置的重復(fù)性相當(dāng)，分別為0.007 和0.006。取表1 和表2 中的平均值進(jìn)行比較，如圖10 所示。其在低頻處存在一定差異，最大測量偏差為0.05，在中頻段和后頻段，MTF 曲線基本趨于一致。

圖10 MTF 測量結(jié)果比較曲線Fig.10 Comparison curve of MTF measurement results

經(jīng)分析，造成低頻段差異較大的主要原因?yàn)榘惦娏骰虮尘靶Ｕ缓线m所引起的。暗電流一般是不均勻的，而且與溫度有關(guān)，溫度越高，暗電流越大。如果濾除不足，就會(huì)出現(xiàn)MTF 太低，如圖11所示。如果濾除過剩，則會(huì)出現(xiàn)MTF 過高，如圖12所示。

因此，在對LSF 數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，背景響應(yīng)或基底電壓必須去除。通?？梢圆捎迷诳臻g域減背景消除。本文采用選頻和放大，將入射光調(diào)制成一定頻率的周期信號(hào)，在輸出電路中加一鎖相放大器，以濾掉暗電流的直流分量[12-15]。

圖11 背景校正不足對MTF 的影響Fig.11 Effect of insufficient background correction on MTF

圖12 背景校正過剩對MTF 的影響Fig.12 Effect of excess background correction on MTF

5 結(jié)論

本文提出了一種基于傾斜狹縫法的亞像元自動(dòng)差值與匹配算法以及線擴(kuò)散函數(shù)（LSF）的最小二乘擬合分析法，實(shí)現(xiàn)了可見光電視攝像機(jī)MTF的精確測量。在此基礎(chǔ)上，建立了可見光電視攝像機(jī)MTF 測量裝置，測量重復(fù)性達(dá)到0.007。與美國OPTIKOS 公司的I-SITE 測量儀進(jìn)行了比較，驗(yàn)證了裝置的有效性。

隨著機(jī)載、車載以及艦載的各類光光電成像系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，該裝置可以提高系統(tǒng)檢測效率，為光電成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)、裝配和性能提升提供計(jì)量保障，具有廣泛的使用價(jià)值。