基于數(shù)碼相機的圖像亮度測量技術(shù)誤差分析*

王書曉

(中國建筑科學(xué)研究院，北京 100044)

1 前言

亮度及亮度均勻度是影響人們對于光環(huán)境感受的兩個重要的指標(biāo)。新頒布的 《城市夜景照明設(shè)計規(guī)范》JGJ/T163-2008也對景觀照明的建筑表面亮度做出了相應(yīng)規(guī)定，然而利用傳統(tǒng)亮度計進行亮度及其分布測量時，往往需要測量整個空間中的很多測點亮度值，從而造成亮度測量變得十分復(fù)雜和困難，并耗費大量的時間。近年來伴隨著成像器件的快速發(fā)展，為全視野范圍內(nèi)的亮度測量提供了強大工具。CCD相機以其所具有的良好線性和精確性，而在需要同時獲得一個陣列的數(shù)字輻射值的研究領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。通過使用CCD的相機能夠迅速的捕捉圖像，并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字化電子圖像。如果利用合理的控制方式，通過確定相機CCD陣列任一像素數(shù)值，就可以確定其映射的環(huán)境中的該點的亮度值，從而經(jīng)過相關(guān)計算分析獲得場景均勻性、對比度、空間特性甚至還有相關(guān)色度學(xué)指標(biāo)。

當(dāng)前市場上出現(xiàn)了一些商業(yè)化的圖像式亮度計，如由photoresearch公司研制開發(fā)的 PR920，然而由于它的高昂的價格而很難得到廣泛應(yīng)用，因此包括我國的沈天行教授在內(nèi)的諸多海內(nèi)外研究人員都試圖使用市場上銷售的相機進行標(biāo)定，從而用來測試環(huán)境亮度分布，并取得了豐碩的研究成果。然而當(dāng)前鮮有研究對于該測試技術(shù)的不確定性開展深入研究。正如 As Steve B.Howell在 《handbook of CCD Astronomy 2nd》中所說:“要想真正理解你的信號，首先就要明白影響信號的那些噪聲?！币胧窃摷夹g(shù)能夠完全滿足實際應(yīng)用的需求，就要開展關(guān)于圖像亮度測量技術(shù)的誤差分析研究，而本文則將就影響測試精度的要素進行介紹。

2 影響圖像亮度測試技術(shù)精度的要素

通常而言，一個數(shù)碼相機包括了光學(xué)和電子系統(tǒng) (感光元件，AD轉(zhuǎn)化裝置等)。除了相機的各組成要素的特性對于測試結(jié)果的精度有很大的影響外，相機中所采用的顏色插值、白平衡、γ修正以及jpeg壓縮等諸多算法也應(yīng)該在該項技術(shù)的研究中予以重點考慮，因此本文將影響圖像亮度測量技術(shù)的誤差分為:光學(xué)系統(tǒng)誤差、電子系統(tǒng)誤差以及圖像處理算法誤差。

2.1 光學(xué)系統(tǒng)誤差

2.1.1 像差和衍射

一個理想的光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)該能夠使所有從某點發(fā)出的光線全部準(zhǔn)確地會聚到像平面上對應(yīng)的共軛點上。然而由于鏡頭的像差、光圈的衍射等因素的影響，大部分情況下光學(xué)系統(tǒng)是很難滿足這一要求。

a)像差

鏡頭的像差是各種不能完美無缺成像的偏差。產(chǎn)生鏡頭的像差的原因是某一特定種類的光學(xué)玻璃或塑料對光線中所有的光波的折射能力的不同，以及鏡頭的曲率等因素影響，從而使得光線在系統(tǒng)中的傳播光路偏離理想途徑，而不再相交于高斯像點(即理想像點)之故。這時，一點的像不再是一個點，而是一個模糊的彌散斑;物平面的像不再是一個平面，而是一個曲面，而且像相對于物還失去了相似性。

b)衍射

設(shè)計光學(xué)儀器的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計往往根據(jù)幾何光學(xué)的光線的傳播規(guī)律，然而光線除了具有幾何光學(xué)特性外，還具有波動性。因此當(dāng)光在傳播過程中，遇到障礙物或小孔 (窄縫)時，它有離開直線路徑繞道障礙物陰影里去的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象叫光的衍射。由于衍射的存在使得即使是一個理想的、沒有任何像差的光學(xué)鏡頭也不能將物空間中的一個無限小的點會聚到像空間的共軛點上。

在儀器光學(xué)設(shè)計中，像差與鏡頭的設(shè)計和生產(chǎn)質(zhì)量有關(guān);而衍射則是一種基本的自然現(xiàn)象，它只與鏡頭光圈有關(guān)。這兩種現(xiàn)象都不可能被徹底消除，而由于它們的存在導(dǎo)致每個像素的信號都有部分來自于周圍區(qū)域，從而降低了亮度的測試精度。

2.1.2 像面照度均勻度

鏡頭像平面處的照度 (即像場照度)大小，與被攝景物的亮度大小成正比。由于光圈大小等諸多幾何因素的影響使得感光元件表面的照度并非均勻的。像面照度均勻度除了與鏡頭因素有關(guān)，還與漸暈、雜散光和機身的影響有關(guān) (如圖1所示)。由于光學(xué)系統(tǒng)的影響導(dǎo)致的像場不均勻性，對于測試結(jié)果的精確性有很大影響，在標(biāo)定校正過程中必須予以考慮。

圖1 某品牌一型號鏡頭的像場不均勻性測試結(jié)果分析圖

2.1.3 雜散光

雜散光是指由于散射或不希望出現(xiàn)的發(fā)射所引起的像面上不需要的光 (見圖2)。由于雜散光的存在使得像平面處的影像反差明顯減少，從而降低了測試結(jié)果的精度。雖然可以通過鏡頭表面鍍膜，以及其他防雜散光措施可以大大降低雜散光的影像，但是雜散光不可能完全被消除。因此建議在測量的過程中使用適當(dāng)?shù)溺R頭遮光罩，從而進一步減少雜散光的影響。

2.2 電子系統(tǒng)誤差

2.2.1 CCD傳遞效率

由于CCD是一種沒有增益功能的模擬寄存器，所以電荷轉(zhuǎn)移效率η是表征這種器件性能的關(guān)鍵性參數(shù)，它表征器件轉(zhuǎn)移電荷包的能力。其定義為:電荷包在進行每一次注意中的效率，即電荷包在進行一次轉(zhuǎn)移時實際傳輸?shù)较乱浑姌O的電荷量與原有電荷量的比值，其影響可見圖3。

2.2.2 CCD的噪聲

CCD在存儲和轉(zhuǎn)移信息電荷的過程中，作為信息的各個少數(shù)載流子電荷包，在襯底內(nèi)保持隔離狀態(tài)，從這個意義上說，可以認為CCD自身是低噪聲器件。但電荷的注入、轉(zhuǎn)移及檢測過程都有噪聲疊加在真實信號之中，影響信號的真實再現(xiàn)。CCD器件存在多種噪聲源，但可歸納為三類:散粒噪聲、轉(zhuǎn)移噪聲以及熱噪聲。

圖2 雜散光對于成像質(zhì)量的影響

圖3 某型號CMOS信號傳遞中的衰減測試結(jié)果示意圖

a)散粒噪聲

由于微觀粒子的無規(guī)性，在CCD中，無論是用光注入、電注入還是熱產(chǎn)生的信號電荷包的電子數(shù)總有一定的不確定性。散粒噪聲的均方值等于信號幅度，估散粒噪聲不會限制器件的動態(tài)范圍。由于各電荷中的漲落獨立無關(guān)，所以散粒噪聲譜是“白”的 (如圖4)。

b)轉(zhuǎn)移噪聲

轉(zhuǎn)移損失及界面態(tài)俘獲是引起轉(zhuǎn)移噪聲的根本原因。轉(zhuǎn)移噪聲具有CCD噪聲所獨有的兩個特點:積累性和相關(guān)性。所謂積累性是指轉(zhuǎn)移噪聲在轉(zhuǎn)移過程中逐次積累起來的，轉(zhuǎn)移噪聲的均方值與轉(zhuǎn)移次數(shù)成正比。所謂相關(guān)性，是指相鄰電荷包的轉(zhuǎn)移噪聲是相關(guān)的。

圖4 散粒噪聲分布圖

c)熱噪聲

CCD的熱噪聲為KTC噪聲，它是信號電荷注入及檢出時引起的。信號電荷注入回路與信號電荷檢出時的復(fù)位回路可等效為RC回路，從而產(chǎn)生熱噪聲 (如圖5)。在室溫附近，溫度每增加5℃，暗電流增加一倍。

圖5 某型號CMOS背景噪聲分布圖

2.3 圖像處理算法

2.3.1 γ修正

人類視覺系統(tǒng)對亮度變化的感知比對亮度本身要敏感。人類視覺系統(tǒng)對光強度的響應(yīng)不是線性的，而是對數(shù)形式。在一個較寬的亮度范圍內(nèi)，人類視覺系統(tǒng)對相對亮度差的分辨率約為2%。由于對線性采集裝置來說，在圖像亮的部分的相對分辨率比2%要好得多，但在圖像暗的部分的相對分辨率卻差的多。因此在圖像處理中往往采用對采集數(shù)據(jù)進行對數(shù)關(guān)系轉(zhuǎn)換來亮度動態(tài)范圍。利用指數(shù)轉(zhuǎn)換關(guān)系，可以近似人類視覺系統(tǒng)的對數(shù)響應(yīng)特性，而且反差范圍也可以得到有效的增強。然而它卻改變了原本輸入信號與測量數(shù)據(jù)之間的線性關(guān)系，從而對測量精度等帶來影響。

2.3.2 jpeg壓縮

JPEG是 Joint Photographic Experts Group(聯(lián)合圖像專家組)的縮寫，文件后輟名為“.Jpg”或“.Jpeg”，是最常用的圖像文件格式，由一個軟件開發(fā)聯(lián)合會組織制定，是一種有損壓縮格式，能夠?qū)D像壓縮在很小的儲存空間，圖像中重復(fù)或不重要的資料會被丟失，因此容易造成圖像數(shù)據(jù)的損傷。雖然這種圖像壓縮總體上并不會降低圖像質(zhì)量，然而就測量技術(shù)而言，特別是當(dāng)考慮到色度信息的時候，JPEG壓縮算法就丟失了太多細節(jié)了，從而影響了測量精度。

3 結(jié)論

通過前面的總結(jié)和相關(guān)研究數(shù)據(jù)，不難看出利用數(shù)碼相機進行光環(huán)境亮度測量具有很好的可行性，然而在這項技術(shù)能夠滿足實際需要之前，我們首先就應(yīng)該對測試技術(shù)中影響測試精度的各個環(huán)節(jié)進行分析，從而能夠更好的指導(dǎo)測試實踐。相信該技術(shù)的發(fā)展和完善，對于指導(dǎo)我國夜景照明實踐具有重要的實際意義。

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