周驊，張培，王婷婷

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

引言

物聯(lián)網(wǎng)、機器視覺、人工智能、智慧城市等新興發(fā)展領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，極大改變?nèi)藗兊纳罘绞?。光學(xué)成像系統(tǒng)作為其重要的信息輸入設(shè)備，其成像質(zhì)量[1-6]直接決定了這些系統(tǒng)應(yīng)用的有效性和穩(wěn)定性。以監(jiān)控設(shè)備為例，此類光學(xué)系統(tǒng)顯然存在長期穩(wěn)定高質(zhì)量成像的需求。然而此類系統(tǒng)因長期高負荷上線使用，成像質(zhì)量必然會隨上線時間增長而下降。且部分設(shè)備存在惡劣環(huán)境下長期使用的情況，外界環(huán)境的長期老化效應(yīng)會使其產(chǎn)生一定的圖像質(zhì)量偏差。

目前，針對攝像機成像質(zhì)量的測試一般有兩種方法。一種是基于電信號的分析[7-9]。標準GB/T 16697-2017《單傳感器應(yīng)用電視攝像機通用技術(shù)要求及測量方法》、SJ/T 11415-2010《非廣播用數(shù)字攝錄一體機通用規(guī)范》、SJ/T 11416-2010《非廣播用數(shù)字攝錄一體機測量方法》等均通過在標準測試條件下，基于對信號電平、頻率等電信號的分析得到其圖像質(zhì)量。該方法不能完整考慮系統(tǒng)整體的影響，重點考察了系統(tǒng)內(nèi)部光電轉(zhuǎn)換元件（如CCD、CMOS）的質(zhì)量，而未全面考察如鏡頭等其他關(guān)鍵部件對成像質(zhì)量的影響。另一種為基于對獲得圖像質(zhì)量的光學(xué)分析[10,11]。國家標準GB/T 36480-2018《信息技術(shù) 緊縮嵌入式攝像頭通用規(guī)范》、國際知名的圖像領(lǐng)域測試公司，如法國Dxomark，德國Image Engineering均分別推出圖像質(zhì)量分析的成套方案，包含定制的測試環(huán)境、定制的測試軟硬件設(shè)備及評價方案。其原理都是在特定環(huán)境特定模式下拍攝一段視頻, 該段視頻的內(nèi)容穩(wěn)定且標準，從該段視頻中截取單幀圖像，通過軟件對單幀靜態(tài)圖像的光學(xué)性能進行分析。上面兩種方法均僅能反映在特定實驗室環(huán)境下的產(chǎn)品性能表現(xiàn)。未考慮強光、弱光、帶光學(xué)補償?shù)葟?fù)雜光照環(huán)境。

本文分析了鹽霧環(huán)境試驗前后典型光學(xué)成像系統(tǒng)的成像質(zhì)量，聚焦成像分辨率，全面分析在特定光學(xué)環(huán)境下（強光、弱光、帶光學(xué)補償）鹽霧環(huán)境測試對其成像分辨率的影響。

1 測試流程確定

本文主要考察鹽霧測試對攝像系統(tǒng)不同光照條件下成像分辨率的影響。試驗流程圖如圖1所示。

圖1 試驗流程圖

1.1 分辨率測試

成像分辨率為通過空間頻率響應(yīng)（SFR）和調(diào)制傳遞哈數(shù)（MTF）表示的數(shù)字圖像拍攝系統(tǒng)空間圖像細節(jié)能力的度量，是標準測試圖中黑白相間的線條剛剛能被人眼所分辨的空間頻率，是光學(xué)成像系統(tǒng)成像質(zhì)量的重要指標。成像分辨率的測試需在暗室中進行，暗室內(nèi)雜散光照度小于1lx。環(huán)境溫度：（15～25）℃；相對濕度：（25～75）%；大氣壓力：（86～106）kPa。

測試使用符合ISO 12233標準要求的反射式的ISO分辨率測試圖作為數(shù)字設(shè)備的拍攝像源，見圖2。

圖2 ISO 12233:2000分辨率測試圖

光源擺放位置應(yīng)擺放于分辨率測試卡前方水平方向45 °線外，標準光源擺放區(qū)域示意圖見圖3。

圖3 標準光源擺放區(qū)域示意圖

為考察不同光照條件下攝像機的分辨率，需提供如下三種測試環(huán)境，分別模擬白天，傍晚和夜晚拍攝環(huán)境。夜晚環(huán)境測試時，攝像產(chǎn)品會進行自動補光。如攝像頭未自帶燈光/紅外照明，則無需進行項目3測試。具體見表1。

被測攝像頭均選取具備防塵防水功能的戶外用攝像頭產(chǎn)品?；謴?fù)到出廠/初始設(shè)置，設(shè)定最高分辨率，感光度、白平衡設(shè)定為自動。其他設(shè)置按出廠/初始設(shè)置進行設(shè)定。將被測攝像頭固定在合適的位置上，使標準圖卡與鏡頭的光軸垂直，標準圖卡位于拍攝畫面的中心位置并保證標準圖卡畫面占整個畫面的80 %以上。測試圖任一部位的光照度與中心區(qū)域光照度相差不得大于±10 %，且拍攝范圍不應(yīng)小于標準圖卡有效范圍。在各種典型光源環(huán)境下分別拍攝10 s視頻并保存。視頻拍攝完成后，以隨機抽取方式抽取單幀圖像10幀，按ISO 12233:2014分辨率標準進行目測或工具分析。

1.2 環(huán)境測試選擇

根據(jù)GB/T 2423系列，IEC 60068-2系列，GB 4208-2008等環(huán)境測試方法要求，模擬攝像頭產(chǎn)品在使用時可能經(jīng)歷如高低溫沖擊、鹽霧、氣體腐蝕、紫外暴露等在內(nèi)的多種嚴酷老化試驗?；趯?0個型號200個樣品的多種環(huán)境試驗前后樣品光學(xué)性能參數(shù)分析，鹽霧測試對戶外攝像頭的光學(xué)性能退化有一定影響。本文主要聚焦于研究鹽霧測試對產(chǎn)品光學(xué)性能影響。

為更好的模擬實際情況，本次所用測試樣品為具備防塵防水功能的戶外用攝像頭。環(huán)境耐久性為不通電狀態(tài)下的環(huán)境模擬。使用Nacl鹽溶液連續(xù)噴霧 96 h作為一個測試周期。溶液濃度（5±1）%，溫度（35±2）℃，pH值6.5～7.2。每個樣品分別做1、5、10、20個測試周期，在每個從測試周期完成后需對樣品的功能進行核查，如功能完好，則進行成像分辨率測試。

2 測試結(jié)果分析

本章節(jié)將對測試結(jié)果進行分析，以單樣品測試過程為例，按圖1試驗流程圖開展分辨率測試。按表1要求開展三種環(huán)境模式下攝像機樣品拍攝視頻的獲取。隨機抓取視頻的單幀圖像，進行目測或使用imagetest軟件進行成像分辨率分析。圖4～6為鹽霧測試前分辨率測試視頻的單幀圖像，從圖中可以直觀看出不同光照環(huán)境對成像分辨率有一定影響。

圖4 分辨率實拍圖-模擬白天拍攝環(huán)境

表1 典型測試條件表

經(jīng)過對市場上主流的20個型號樣品的測試，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過20個周期的鹽霧測試后，攝像機產(chǎn)品的成像質(zhì)量成兩級分化趨勢。以光源條件1下測試為例，3個型號的樣品分辨率下降在70～100 %，我們認為其屬于成像失效狀態(tài)。17個樣品成像分辨率平均衰減率有一定下降，下降率在5～20 %。這說明高強度的鹽霧暴露可對攝像產(chǎn)品的光學(xué)性能產(chǎn)生不可逆的破壞作用，主要影響機構(gòu)為光學(xué)玻璃和內(nèi)部電路系統(tǒng)。攝像產(chǎn)品元器件的質(zhì)量、接口的處理及外殼保護設(shè)計的好壞將極大影響其性能穩(wěn)定性。提醒消費者在沿海等高鹽高濕環(huán)境下選購、安裝和使用時務(wù)必注意合理選購，且良好包裹接線口等薄弱部位，防止鹽溶液對器件的老化效應(yīng)。

圖5 分辨率實拍圖-模擬傍晚拍攝環(huán)境

下面選取兩種典型樣品為例，表2、表3為0、1、5、10、20個鹽霧老化試驗后，良好耐受樣品和完全失效樣品的單幀圖像中心和邊緣區(qū)域的成像分辨率結(jié)果。圖7-圖8為兩種樣品成像分辨率的衰減情況。

圖6 分辨率實拍圖-模擬夜晚拍攝環(huán)境

表2 耐受良好樣品不同鹽霧老化條件、光照條件下的成像分辨率(單位：LW/PH)

從表2、表3和圖7、圖8可以看出，一般隨著老化試驗的持續(xù)施加，尤其是5個循環(huán)后，完全失效樣品的中心視場和邊緣視場的成像分辨率開始有顯著下降。不同光照條件對成像分辨率有較大影響，良好的光照條件可以有效提高攝像產(chǎn)品的分辨率。鹽霧老化試驗對攝像產(chǎn)品的成像分辨率有一定影響。不同樣品耐受性差異較大。

圖7 耐受良好樣品成像分辨率變化圖

圖8 完全失效樣品成像分辨率變化圖

表3 完全失效樣品不同老化條件、光照條件下的成像分辨率

4 總結(jié)

本項目通過分析鹽霧環(huán)境試驗前后典型光學(xué)成像系統(tǒng)的成像質(zhì)量。聚焦成像分辨率，討論在特定光學(xué)環(huán)境下環(huán)境測試對其成像分辨率的影響。研究發(fā)現(xiàn)，不同光照條件對成像分辨率有較大影響，良好的光照條件可以有效提高攝像產(chǎn)品的分辨率。長時間的鹽溶液暴露對攝像機有不可逆的影響。攝像產(chǎn)品對鹽霧老化試驗的耐受性呈兩極分布狀況，部分產(chǎn)品完全失效，部分產(chǎn)品耐受性良好失效不明顯。