周驊

（上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院,上海 201114）

引言

光學(xué)成像系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于各類領(lǐng)域，如人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市、機(jī)器視覺(jué)等，為人們的生活帶來(lái)了極大便利。作為一種信息采集裝置，其猶如整個(gè)系統(tǒng)的眼睛，其可靠穩(wěn)定性對(duì)系統(tǒng)的安全運(yùn)行尤為重要。照相機(jī)、攝像機(jī)均為此類光學(xué)成像系統(tǒng)的典型代表。目前，針對(duì)成像質(zhì)量[1-6]的測(cè)試一般有兩種方法。一種是基于電信號(hào)的分析[7-9]。典型的為攝像機(jī)類產(chǎn)品測(cè)試。在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下，對(duì)測(cè)得的信號(hào)電平、頻率等電信號(hào)的分析得到其圖像質(zhì)量。該方法本質(zhì)上其實(shí)是考慮系統(tǒng)內(nèi)部光電轉(zhuǎn)換元件（如CCD、CMOS）的質(zhì)量，而并非對(duì)成像系統(tǒng)整體的評(píng)價(jià)，缺少對(duì)鏡頭、外殼等部件的綜合評(píng)估。另一種為基于對(duì)獲得圖像質(zhì)量的光學(xué)分析[10,11]。該方法廣泛應(yīng)用于攝像機(jī)、照相機(jī)產(chǎn)品。其根據(jù)測(cè)得的圖像，或由視頻獲取的單幀圖像，開(kāi)展全面的光學(xué)參數(shù)分析。包括分辨率，色彩還原，灰階，白平衡等。

另一方面，標(biāo)準(zhǔn)或文獻(xiàn)中環(huán)境測(cè)試對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的影響往往研究其是否影響光學(xué)系統(tǒng)的正常啟動(dòng)功能，鮮有關(guān)于其對(duì)成像質(zhì)量的量化研究，然而，因設(shè)備的長(zhǎng)期運(yùn)行，乃至惡劣使用環(huán)境的長(zhǎng)期暴露，這類設(shè)備可能存在設(shè)備性能退化的情形，如成像質(zhì)量下降。成像質(zhì)量的下降在某些情況下其實(shí)比停機(jī)狀態(tài)更為嚴(yán)重。如果無(wú)法及時(shí)檢測(cè)出成像質(zhì)量下降是否已經(jīng)達(dá)到或超出臨界值，可能導(dǎo)致此類光學(xué)系統(tǒng)下線停機(jī)檢修從而造成一個(gè)監(jiān)控空窗期。因此，對(duì)光學(xué)成像系統(tǒng)成像質(zhì)量的及時(shí)量化評(píng)估和預(yù)判顯得尤其重要。

本文分析了恒定濕熱環(huán)境[12]對(duì)典型光學(xué)成像系統(tǒng)的成像質(zhì)量的影響?？荚u(píng)了無(wú)畸變和有畸變的成像系統(tǒng)在測(cè)試前后色彩還原特性的變化。

1 測(cè)試流程確定

本文主要考察高溫高濕環(huán)境測(cè)試對(duì)光學(xué)成像系統(tǒng)系統(tǒng)色彩還原特性的影響。

1.1 色彩還原測(cè)試

色彩還原特性是光學(xué)成像系統(tǒng)一種重要的特性，體現(xiàn)成像設(shè)備真實(shí)重現(xiàn)被攝物體顏色的能力。一般我們需要進(jìn)行色空間坐標(biāo)上的數(shù)值度量,采用數(shù)值方法表示兩種顏色給人色彩感覺(jué)上的差別.本文中我們選取了兩種典型光學(xué)成像系統(tǒng)，無(wú)畸變和有畸變的光學(xué)成像模型開(kāi)展研究。

色彩還原測(cè)試需在暗室中進(jìn)行，暗室內(nèi)雜散光照度小于1 lx。環(huán)境溫度：15～25 ℃；相對(duì)濕度：25～75 %；大氣壓力：86～106 kPa。將被檢光學(xué)系統(tǒng)處于最有利于彩色還原的設(shè)置并關(guān)閉閃光燈。在D65光源條件下，使用標(biāo)準(zhǔn)24色色彩測(cè)試圖卡拍攝。測(cè)試圖卡占據(jù)整個(gè)取景器視場(chǎng)面積的70 %。拍攝后圖像輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值分析。選取24色塊，每個(gè)色塊截取面積不小于30 %的色塊。分別測(cè)出測(cè)試圖卡和所截取圖像色塊的R、G、B值并換算到CIE L*a*b*色彩空間，再求出各自對(duì)應(yīng)的，，值，分別見(jiàn)式（1~3），代入式（4）計(jì)算24色塊中每色塊的色彩還原誤差W。

式中：

1.2 環(huán)境測(cè)試選擇

本文選取的環(huán)境測(cè)試為恒定濕熱試驗(yàn)，考察設(shè)備在使用環(huán)境中耐受長(zhǎng)期高溫高濕環(huán)境的能力。將樣品放置于高溫高濕度的環(huán)境，試驗(yàn)時(shí)避免試樣表面形成凝露。試驗(yàn)程序按照GB/T 2423.3的規(guī)定進(jìn)行。本次測(cè)試不通電狀態(tài)下的環(huán)境模擬。測(cè)試參數(shù)為溫度85 ℃，濕度85 %RH。連續(xù)測(cè)試96 h作為一個(gè)測(cè)試周期。每個(gè)樣品分別做1、5、10、20個(gè)測(cè)試周期。在每個(gè)從測(cè)試周期完成后需對(duì)樣品的功能進(jìn)行核查。如功能完好，則進(jìn)行色彩還原測(cè)試。根據(jù)科芬-曼森模型（Coffon-Manson Model），20個(gè)測(cè)試周期的老化測(cè)試，約為自然老化周期40年。

2 測(cè)試結(jié)果分析

本章節(jié)對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析。本次測(cè)試的樣品按獲得圖像類型，可分為無(wú)畸變和有畸變圖像。按產(chǎn)品類別分，分為照相機(jī)和攝像機(jī)。按使用場(chǎng)景分，一類為室外使用攝像頭和相機(jī)（包括極端環(huán)境條件的室內(nèi),如車庫(kù)等），一類為室內(nèi)使用攝像頭和相機(jī)（如居住或辦公環(huán)境等）。經(jīng)測(cè)試可知，攝像機(jī)產(chǎn)品在拍攝時(shí)會(huì)發(fā)生目測(cè)可見(jiàn)的畸變，照相機(jī)產(chǎn)品基本未發(fā)生畸變。具體見(jiàn)圖1。

圖1 成像畸變情況

下面按圖像類型分類，分別對(duì)無(wú)畸變和有畸變樣品的圖像質(zhì)量開(kāi)展分析。表1和表2 為無(wú)畸變和有畸變樣品色彩還原誤差情況。從表中可知，經(jīng)過(guò)10個(gè)循環(huán)周期后，色彩還原誤差明顯增加。經(jīng)過(guò)20個(gè)循環(huán)周期后，色彩還原誤差發(fā)生成倍增加，樣品成像質(zhì)量明顯下降。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，各色在CIELAB色空間的色差不得超過(guò)35。從表中可知，在20個(gè)老化周期后，測(cè)得的圖像質(zhì)量已不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 無(wú)畸變圖像色彩還原誤差情況

表2 有畸變圖像色彩還原誤差情況

將環(huán)境測(cè)試前的拍攝圖像和20個(gè)循環(huán)周期后的拍攝圖像使用imatest軟件進(jìn)行分析?？芍收`差經(jīng)過(guò)環(huán)境測(cè)試后發(fā)生明顯改變，成像質(zhì)量有較大下降。圖2是無(wú)畸變樣品的色彩還原誤差分析圖。圖3是有畸變樣品的色彩還原誤差分析圖。從圖2和圖3可知，環(huán)境測(cè)試后，理想值和攝像頭實(shí)際測(cè)得值差異較大，成像質(zhì)量發(fā)生較大衰減。首先，色彩飽和度下降。無(wú)畸變樣品從116.1 %下降至78.39 %。有畸變樣品從121.2 %下降至87.37 %。另一方面，兩種樣品的色彩誤差的平均值和最大值均變大。無(wú)畸變樣品的色彩還原誤差平均值從8.81增加至21.3， 最大值從22.6增加至46.3。有畸變樣品的色彩還原誤差平均值從9.911增加至20.5， 最大值從26.3增加至44.6。

圖4和圖5為環(huán)境測(cè)試前后無(wú)畸變和有畸變樣品的噪點(diǎn)情況。從圖中可知，各噪點(diǎn)數(shù)值均小于1，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。一般來(lái)說(shuō)，數(shù)值越小表示噪點(diǎn)越小，圖像質(zhì)量越好。從圖中可知，環(huán)境測(cè)試后，無(wú)畸變和有畸變的圖像噪點(diǎn)值均顯著增加，表明環(huán)境測(cè)試后成像質(zhì)量明顯下降。無(wú)畸變樣品的RGBY %值從0.48，0.41，0.47，0.34增加到0.65，0.48，0.65 ，0.44。有畸變樣品的RGBY%值從0.37，0.29，0.32，0.23增加到0.48，0.46，0.72，0.43。

圖4 無(wú)畸變樣品環(huán)境測(cè)試前后的噪點(diǎn)情況

圖5 有畸變樣品環(huán)境測(cè)試前后的噪點(diǎn)情況

3 總結(jié)

本文分析了恒定濕熱環(huán)境試驗(yàn)前后典型光學(xué)成像系統(tǒng)的成像質(zhì)量。研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)約2 000 h的恒定濕熱試驗(yàn)后，無(wú)畸變和有畸變的光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量顯著下降。表征其成像質(zhì)量的色彩還原誤差和噪點(diǎn)參數(shù)均顯著增加。且這種成像質(zhì)量的下降不可逆。本文將為合理評(píng)估成像系統(tǒng)的使用壽命提供參考。后續(xù)，我們將研究其他環(huán)境測(cè)試對(duì)成像系統(tǒng)成像質(zhì)量的影響。